存储测试仪磁场屏蔽效能仿真分析

陈昌鑫，王宇，马铁华



存储测试仪磁场屏蔽效能仿真分析

陈昌鑫，王宇，马铁华

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051； 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

针对存储测试仪的磁场屏蔽效能优化问题，采用控制变量法和变量扫描法，利用Ansoft Maxwell有限元分析软件对测试仪屏蔽体的形状、材料和壳体壁厚这3个参数进行建模仿真，然后对不同参数的仿真结果进行对比，分析屏蔽体不同参数对屏蔽效能的影响。仿真结果表明，金属屏蔽体屏蔽效能受屏蔽体的形状、材料和壳体壁厚影响且影响不可忽略，通过选用磁导率大的圆柱体金属屏蔽体、增加屏蔽体壁厚，可增大屏蔽体屏蔽效能，同时通过理论计算验证了仿真结果。

存储测试仪；磁场屏蔽；屏蔽效能；建模仿真

1 概述

我国存储测试技术研究始于20世纪80年代，30余年来，存储测试技术为高压、高冲击、强电磁干扰等复杂恶劣环境下动态参数的信息准确、可靠获取提供了强有力的技术手段[1]。存储测试技术与遥测技术、引线测试技术并列为常用测试技术，特别是微体积、微小功耗的存储测试仪在信息传输困难、传感器供电困难的狭小空间、高速运动、干扰强烈等测试场合应用，优势明显[2]。存储测试仪在复杂电磁环境中也经常被应用，电磁辐射引起的电磁干扰问题越来越严重，以磁场（尤其是低频磁场）为表现形式的电磁辐射会对存储测试仪内部的半导体电子元器件以及测试信号产生很大的影响[3-4]。存储测试适应复杂环境策略在于自带电池供电，在传感器本地将信号调理、转换后存储，也即信号调理、信息转换、信息存储等模块与电池密闭在金属壳体内，测试完毕后读取数据再现测试过程。目前，存储测试仪设计多采用金属屏蔽体接地方法来抗电磁干扰，常用作屏蔽体的金属有铝、铜、钢、硅钢、坡莫合金等[5]。但目前测试仪金属屏蔽体工程设计以经验设计为主，对实现屏蔽效能最优化影响因素不完全清晰，因此，需要对测试仪屏蔽体屏蔽效能进行研究，以建模仿真为手段，为磁场屏蔽效能优化提供依据。相关文献表明，影响测试仪屏蔽体屏蔽效能的参数有材料、形状、金属壳体壁厚等[6]。金属屏蔽体的屏蔽效能与材料本身的特性密切相关[7]。针对存储测试仪屏蔽体屏蔽效能优化分析问题，利用有限元分析软件Ansoft Maxwel，通过仿真建模手段，采用控制变量法和变量扫描法对金属屏蔽体的形状、材料、壳体壁厚等因素与屏蔽效能的关系进行仿真分析，得出一定规律，以实现屏蔽效能优化。

2 电磁屏蔽

电磁屏蔽是指通过屏蔽体，将电磁能量限制在一定空间范围内，从而有效衰减或者阻隔电磁波传播[8]。

2.1 屏蔽效能

屏蔽体的屏蔽性能用屏蔽效能来度量，屏蔽效能指在加屏蔽体之前某一测点的场强0与同一测点加屏蔽体时的场强S之比，其单位是dB[9-10]，屏蔽体屏蔽效能的数学表达式为：

2.2 磁场屏蔽

磁场屏蔽是指将磁力线封闭在屏蔽体内，可阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入，减少磁场辐射的干扰[11]。磁场屏蔽又分为低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。一般高频磁场频率大于100 kHz，低频磁场频率低于100 kHz，低频磁场由导体中流过的电流产生或者由铁磁材料磁化引起[3]。存储测试仪所处磁场环境大多为低频磁场，而且低频磁场也会对测试仪产生很大的影响。

3 仿真建模与分析

对存储测试仪屏蔽体的形状、材料、壳体壁厚、孔隙形状等参数进行仿真建模，采用控制变量法和变量扫描法分析屏蔽体的形状、材料和壳体壁厚等参数对屏蔽效能的影响。

3.1 建立仿真模型

首先建立仿真模型，采用控制变量法和变量扫描法对金属屏蔽体的每个参数进行仿真，参数设置如表1所示。

利用Ansoft Maxwell有限元电磁仿真软件建立存储测试仪屏蔽体的仿真模型，模型如图1所示。

表1 屏蔽体参数设置表

屏蔽体参数参数变量 形状圆柱体、立方体 材料铝、铜、不锈钢、钢、硅钢、坡莫合金 壳体壁厚/mm2，4，6，8，10

图1 存储测试仪仿真模型

图1中左边箱体为存储测试仪，在测试仪的内部的小立方体用来测试仪器磁场感应情况，小立方体在测试仪的中心位置。图1中右边为电磁铁，电磁铁外部包裹的是铜线圈，线圈里边为铁芯，在仿真磁场时，线圈电流设置的激励大小为2 A，匝数为9 000匝，电流方向为顺时针方向，电磁铁左边为N极，右边为S极，电磁铁中心磁力线方向与小立方体的正对面垂直。

3.2 仿真及结果分析

通过对影响金属屏蔽体屏蔽效能的不同参数进行仿真分析，得出不同参数对屏蔽效能影响的情况。

3.2.1 屏蔽体材料仿真

在Ansoft Maxwell软件中建立存储测试仪屏蔽体的结构模型，只改变屏蔽体的材料参数，屏蔽体形状为立方体，壳体壁厚为5 mm。屏蔽体材料分别为铝、钢、不锈钢、铜、坡莫合金和硅钢，对屏蔽体材料进行仿真，钢的磁场仿真云图如图2所示，通过公式（1）计算不同屏蔽材料的屏蔽效能，得到仿真结果如表2所示。

图2 钢的磁场仿真云图

表2 屏蔽体材料仿真结果

材料名称相对磁导率屏蔽效能/dB 铝1.000 0210 铜0.999 9910 不锈钢80020.20 钢1 00023.71 硅钢7 00038.99 坡莫合金50 00056.06

仿真结果表明：存储测试仪屏蔽体的屏蔽效能与其材料有关，且金属屏蔽体相对磁导率越大，屏蔽效果越好。

3.2.2 屏蔽体形状仿真

在Ansoft Maxwell软件中建立的屏蔽体结构模型，只改变屏蔽体的形状，屏蔽体材料为钢，壳体壁厚为5 mm。屏蔽体形状是体积相等的立方体和圆柱体。对屏蔽体结构模型进行仿真，通过公式（1）计算不同屏蔽体形状的屏蔽效能，得到的仿真结果如表3所示。

表3 形状仿真结果

形状屏蔽效能/dB 立方体23.71 圆柱体27.09

仿真结果表明：同体积的圆柱体屏蔽效能优于立方体。

3.2.3 屏蔽体壳体壁厚仿真

用Ansoft Maxwell软件建立屏蔽体结构模型，只改变屏蔽体的壁厚，屏蔽体材料为钢，形状为立方体。屏蔽体壳体壁厚分别为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm和10 mm。对屏蔽体结构模型进行仿真，通过公式（1）计算不同屏蔽体壳体壁厚的屏蔽效能，得到的仿真结果如表4所示。

表4 壳体壁厚仿真结果

壳体壁厚/mm屏蔽效能/dB 218.81 422.26 626.74 828.54 1029.72

利用Matlab软件绘制屏蔽体壳体壁厚与屏蔽效能的拟合曲线，如图3所示。根据图3，可以看出屏蔽体屏蔽效能与壳体壁厚成正相关。

图3 壳体壁厚仿真拟合曲线

4 小结

基于Ansoft Maxwell软件，对存储测试仪电磁屏蔽效能进行仿真，仿真结果表明：①金属屏蔽体相对磁导率越高，屏蔽效能越大，屏蔽效果越好；②在体积相等的情况下，屏蔽体形状为圆柱体的屏蔽效果比立方体好；③金属屏蔽体的屏蔽效能与屏蔽体壁厚是正相关的。

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2095－6835（2018）18－0144－03

TP391.9

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.144

陈昌鑫（1988—），男，河南信阳人，博士，讲师，主要从事动态测控与智能仪器方面的教学与科研工作。

〔编辑：严丽琴〕