專利名稱：近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屏蔽效能測試系統(tǒng)及其測試方法，特別是一種用于測量電磁屏蔽室對近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能的測試系統(tǒng)及其測試方法。

背景技術(shù)：
低頻磁場干擾是一種很難屏蔽的干擾。通常電磁屏蔽設(shè)計(jì)所考慮的頻率范圍在10kHz以上頻段，用于電磁屏蔽室屏蔽效能測量的裝置，主要測量電場以及高頻電磁場，10kHz以下頻段一般不予考慮。GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測試方法》中詳細(xì)規(guī)定了屏蔽室屏蔽效能的測量方法，其規(guī)定的頻段從9kHz～18GHz。本單位作為全軍電磁脈沖防護(hù)研究測試中心，已建立有用于脈沖強(qiáng)磁場、脈沖強(qiáng)電場測量的模擬器，以及成套的電磁屏蔽室屏蔽效能測試設(shè)備，其所測電磁場的頻率最小為14kHz。工程應(yīng)用中的電磁屏蔽室一般大小有限，內(nèi)部還會(huì)有通信、監(jiān)控等設(shè)備，這就要求測試裝置體積要小，便于操作。
在北京工業(yè)大學(xué)袁巖興的碩士論文“低頻磁屏蔽材料的制備與研究”中提出了一種測量低阻抗磁場屏蔽效能的亥姆霍茲線圈(或螺線管)法，采用亥姆霍茲線圈作為模擬場源，將樣品整體放入磁場源中進(jìn)行低頻磁場屏蔽效能測試。但測試時(shí)的磁場頻率固定為工頻50Hz，且僅能測量較小的樣品，無法用于工程中電磁屏蔽室的測試。在公開號(hào)為CN2279616，發(fā)明名稱為“低頻磁場測量儀”的中國專利中公開了一種用于測量低頻磁場的測量儀，其測量的磁場為低頻弱磁場，磁場的頻率范圍為(30～400)Hz，且僅能檢測磁場的大小，并不涉及屏蔽體對低頻磁場屏蔽效能的測試。
目前尚未報(bào)道有用于測量電磁屏蔽室對低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能的測試系統(tǒng)，因此迫切需要研制測量動(dòng)態(tài)范圍大，體積小方便攜帶的低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白，提供一種能夠評(píng)價(jià)屏蔽室對近區(qū)低頻強(qiáng)磁場的屏蔽效能的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)，包括下列部件 1)用于產(chǎn)生和發(fā)射磁場信號(hào)的低頻大電流源和發(fā)射環(huán)天線； 2)用于接收和處理磁場信號(hào)的接收環(huán)天線、接收機(jī)和帶有Matlab軟件和可視化軟件的計(jì)算機(jī)； 其中，所說的低頻大電流源輸出交變方波電流的調(diào)節(jié)范圍為(20～300)A，電流頻率范圍為(30～1k)Hz，電流電壓最大值為25V；所說的發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線為直徑為30cm的小環(huán)天線；所說的接收機(jī)為靈敏度較高的數(shù)字示波器。低頻大電流源產(chǎn)生大小、頻率連續(xù)可調(diào)的電流信號(hào)，流經(jīng)所述發(fā)射環(huán)天線的大電流可以在近區(qū)產(chǎn)生以磁場為主的強(qiáng)感應(yīng)場。接收環(huán)天線用于接收磁場信號(hào)并將信號(hào)傳送至接收機(jī)，計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)采集、波形繪制、屏蔽效能計(jì)算?？梢暬浖?，具有對示波器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置、對示波器的測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、對已存的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀處理、波形繪制、計(jì)算磁場峰值屏蔽效能等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場接收設(shè)備數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理的一體化。
優(yōu)選地， 本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)中，所說的低頻大電流源包括主電路和控制電路兩部分，其中主電路采用兩級(jí)逆變結(jié)構(gòu)，功率轉(zhuǎn)換器件選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，控制電路包括單片機(jī)PIC6F73、主電路的驅(qū)動(dòng)控制模塊、電壓電流采樣模塊、故障報(bào)警與處理模塊和參數(shù)給定與顯示模塊。
本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)中，所說的發(fā)射環(huán)天線由可以承受大電流的銅條繞制而成，直徑是30cm，共13匝；接收環(huán)天線由漆包線繞制而成，直徑是30cm，共1200匝。
本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試方法，包括下列步驟 1)將發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線共軸放置，二者距屏蔽體外邊緣均為30cm； 2)調(diào)節(jié)低頻大電流源輸出電流的頻率和幅度，分別記錄自由空間和有屏蔽體時(shí)接收機(jī)的測試波形； 3)對有屏蔽、無屏蔽時(shí)接收機(jī)的測量波形進(jìn)行快速傅里葉變換，記錄兩個(gè)頻譜中對應(yīng)點(diǎn)的幅值； 4)根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可按式(1)求得屏蔽室被測部位在不同頻率上的屏蔽效能SEM 式中，B0為沒有屏蔽體時(shí)某點(diǎn)測得的場強(qiáng)，Bi為有屏蔽體時(shí)同一點(diǎn)測得的場強(qiáng)。
本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)依據(jù)GB/T12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測試方法》中的小環(huán)天線法，構(gòu)建低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)。
測試系統(tǒng)中發(fā)射環(huán)天線作為負(fù)載串接于大電流源的輸出回路，其幾何配置如圖4所示。當(dāng)r＜＜λ/2π時(shí)，環(huán)天線產(chǎn)生的輻射近區(qū)磁場近似為 式中a＝0.15m為發(fā)射環(huán)半徑；r為場點(diǎn)(屏蔽體)到圓環(huán)中心的距離，共軸測量時(shí)r＝0.3m，共面時(shí)r＝0.45m；n為發(fā)射環(huán)的匝數(shù)；I0為流過線圈的電流；θ為俯仰角，共軸測量時(shí)θ＝0，共面時(shí)θ＝π/2。
電流源輸出的電流頻率范圍為30Hz～1kHz，這個(gè)頻段對應(yīng)的波長均應(yīng)大于300km，在幾十米的范圍內(nèi)滿足r＜＜λ/2π的近似條件。環(huán)電流產(chǎn)生的磁場可由式(2)計(jì)算。由(2)可看出，在時(shí)域中，磁場強(qiáng)度和電流成正比，而與距離的立方成反比，其比例系數(shù)和頻率無關(guān)。因此，環(huán)天線產(chǎn)生的磁場時(shí)域波形和環(huán)天線電流波形形狀相同。
接收環(huán)天線采用小環(huán)天線，坐標(biāo)z軸與環(huán)平面垂直，接收天線的感應(yīng)磁場開路電壓e(t)與通過線圈的磁通變化率成正比，其輸出的電壓信號(hào)加到數(shù)字示波器的輸入端。接收環(huán)天線的等效電路如圖5所示。
圖中e(t)、La、Rin、Uo分別為感應(yīng)電壓、環(huán)天線電感、測量電路輸入阻抗、Rin上的電壓。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，圖中的開路電壓e(t)為 e(t)＝-ndφ/dt＝-nAcosθdB/dt (3) 經(jīng)付氏變換得e(jω)＝-jωnAcosθB(jω) (4) 式中，

為穿過環(huán)天線的磁通；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；A、n分別為環(huán)天線的面積和匝數(shù)；θ為磁場極化方向與環(huán)天線軸向間的夾角。
由圖4環(huán)天線的等效電路可求出負(fù)載上的電壓為 接收環(huán)天線用以測量磁場波形，實(shí)際的環(huán)天線參數(shù)為La＝850nH，Rin＝50Ω。由于所測量的低頻磁場信號(hào)最高頻率在10kHz以下，滿足Rin＞＞ωL條件，可采用高阻測量法來實(shí)現(xiàn)對磁感應(yīng)強(qiáng)度的求解，即 Uo(jω)＝-jωnAsinθB(jω) (6) 由此可得 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的波形，可通過對負(fù)載電壓波形積分得到。
本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)能夠直接對屏蔽室進(jìn)行屏蔽效能測量，可以借此預(yù)估材料的屏蔽性能，為低頻強(qiáng)磁場屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)為工程中屏蔽室的質(zhì)量驗(yàn)收提供必要的檢測手段。
本發(fā)明的測試系統(tǒng)及其方法具有如下技術(shù)效果 1)能夠模擬頻率為10kHz以下的低頻低阻抗強(qiáng)磁場的主要特性，并能對屏蔽室進(jìn)行直接測量； 2)抗干擾能力強(qiáng)，測量動(dòng)態(tài)范圍大，體積小方便攜帶，能夠進(jìn)入工程內(nèi)部對屏蔽室進(jìn)行直接測量； 3)帶有操作簡單、使用靈活的可視化軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場接收設(shè)備數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理的一體化； 4)測試時(shí)實(shí)時(shí)性好，可用于工程中材料屏蔽性能的檢測及電磁屏蔽室的質(zhì)量驗(yàn)收。



圖1是本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的低頻大電流源結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明的低頻大電流源輸出的電流信號(hào)波形； 圖4是本發(fā)明的發(fā)射環(huán)天線的幾何配置； 圖5是本發(fā)明的接收環(huán)天線的等效電路； 圖6a是實(shí)施例2在測試過程中無屏蔽時(shí)的磁場時(shí)域波形； 圖6b是實(shí)施例2在測試過程中無屏蔽時(shí)的磁場頻譜； 圖7a是實(shí)施例3在測試過程中有屏蔽時(shí)的磁場時(shí)域波形； 圖7b是實(shí)施例3在測試過程中有屏蔽時(shí)的磁場頻譜； 圖8是本發(fā)明的低頻磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)軟件界面； 圖9是本發(fā)明在測試屏蔽室對低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能時(shí)實(shí)測值與理論值的比較。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實(shí)施例1 如圖1所示，本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生和發(fā)射磁場信號(hào)的低頻大電流源和發(fā)射環(huán)天線；用于接收和處理磁場信號(hào)的接收環(huán)天線、數(shù)字示波器和帶有可視化軟件的計(jì)算機(jī)；其中，低頻大電流源輸出交變方波電流的調(diào)節(jié)范圍為(20～300)A，電流頻率范圍為(30～1k)Hz，電流電壓最大值為25V；發(fā)射環(huán)天線由可以承受大電流的銅條繞制而成，直徑是30cm，共13匝；接收環(huán)天線由漆包線繞制而成，直徑是30cm，共1200匝。發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線距屏蔽體外邊緣均為30cm。利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的Matlab軟件對計(jì)算機(jī)RS232串口進(jìn)行編程，通過計(jì)算機(jī)串口控制示波器，從而實(shí)現(xiàn)把示波器采集到得數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行處理。如圖8所示，計(jì)算機(jī)中的可視化軟件可對示波器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置、對示波器的測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、對已存的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀處理、波形繪制、計(jì)算磁場峰值屏蔽效能等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場接收設(shè)備數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理的一體化。
如圖2、3所示，本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)中，低頻大電流源包括主電路和控制電路兩部分，其中主電路采用兩級(jí)逆變結(jié)構(gòu)，功率轉(zhuǎn)換器件選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，一次逆變用于調(diào)節(jié)輸出電流的大小，二次逆變用于調(diào)節(jié)輸出電流的頻率。主電路的工作原理為電網(wǎng)三相50Hz交流電經(jīng)一次整流濾波后變成脈動(dòng)的直流電，然后經(jīng)一次逆變變換成高頻(20kHz)交流矩形波脈沖；一次逆變后的高頻電流電壓幅值比較高，采用高頻降壓變壓器將其降為低壓大電流的交流電；20kHz低壓方波電流經(jīng)二次整流濾波后變?yōu)槠交拿}動(dòng)直流電流，再經(jīng)二次逆變后得到頻率和大小均可調(diào)的低壓交流電流輸出。
控制電路包括單片機(jī)PIC6F73、主電路的驅(qū)動(dòng)控制模塊、電壓電流采樣模塊、故障報(bào)警與處理模塊和參數(shù)給定與顯示模塊。輸出電流反饋信號(hào)借助Rogowski線圈采樣獲得，通過PI調(diào)節(jié)來控制一次IGBT逆變器的輸出脈沖寬度，進(jìn)而控制電流源輸出電流的大小，構(gòu)成閉環(huán)控制；PWM控制器采用集成芯片SG3525；一次逆變的IGBT采用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)；二次逆變主要是對電流源輸出電流的頻率、相位等內(nèi)特性進(jìn)行控制，其功率器件IGBT采用四塊EXB841進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整個(gè)電路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好，電路結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試相對容易。
實(shí)施例2 用本發(fā)明的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試方法對屏蔽室進(jìn)行屏蔽效能測試，步驟如下 1)將發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線共軸放置，二者距屏蔽體外邊緣均為30cm； 2)電流大小為180A，頻率為130Hz時(shí)，由示波器可觀測到自由空間中磁場接收信號(hào)的時(shí)域波形，如圖6a所示； 3)計(jì)算機(jī)對數(shù)字示波器的測量波形進(jìn)行FFT變換，把時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，可得其頻譜，如圖6b所示。
實(shí)施例3 采用上述方法進(jìn)行低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試，保持電流源輸出電流大小為180A不變，頻率為130Hz時(shí)，由示波器可觀測到有屏蔽時(shí)的磁場接收信號(hào)的時(shí)域波形，如圖7a所示，計(jì)算機(jī)對數(shù)字示波器的測量波形進(jìn)行FFT變換，把時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，可得其頻譜，如圖7b所示。
實(shí)施例4 如圖9所示，采用上述方法進(jìn)行低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試，保持電流源輸出電流大小為180A不變，調(diào)節(jié)電流源輸出電流的頻率，分別記錄自由空間和有屏蔽體時(shí)示波器的測試波形。對有屏蔽、無屏蔽時(shí)示波器的測量波形進(jìn)行FFT變換，記錄兩個(gè)頻譜中對應(yīng)點(diǎn)的幅值。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可按式(1)求得屏蔽室被測部位在不同頻率上的屏蔽效能。將實(shí)測值與理論計(jì)算值進(jìn)行對比，二者一致性較好，從而驗(yàn)證了測設(shè)系統(tǒng)的可信性。
權(quán)利要求
1.近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)，其特征在于，包括下列部件
1)用于產(chǎn)生和發(fā)射磁場信號(hào)的低頻大電流源和發(fā)射環(huán)天線；
2)用于接收和處理磁場信號(hào)的接收環(huán)天線、接收機(jī)和帶有Matlab軟件和可視化軟件的計(jì)算機(jī)；
其中，所說的低頻大電流源輸出交變方波電流的調(diào)節(jié)范圍為20～300A，電流頻率范圍為30～1kHz，輸出電壓最大值為25V；所說的發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線為直徑為30cm的小環(huán)天線；所說的接收機(jī)為數(shù)字示波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的低頻大電流源包括主電路和控制電路兩部分，其中主電路采用兩級(jí)逆變結(jié)構(gòu)，功率轉(zhuǎn)換器件選用絕緣柵雙極型晶體管，控制電路包括單片機(jī)PIC6F73、主電路的驅(qū)動(dòng)控制模塊、電壓電流采樣模塊、故障報(bào)警與處理模塊和參數(shù)給定與顯示模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的發(fā)射環(huán)天線由銅條繞制而成，直徑是30cm，共13匝；接收環(huán)天線由漆包線繞制而成，直徑是30cm，共1200匝。
4.近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試方法，其特征在于，包括下列步驟
1)將發(fā)射環(huán)天線和接收環(huán)天線共軸放置，二者距屏蔽體外邊緣均為30cm；
2)調(diào)節(jié)低頻大電流源輸出電流的頻率和幅度，分別記錄自由空間和有屏蔽體時(shí)接收機(jī)的測試波形；
3)計(jì)算機(jī)對有屏蔽、無屏蔽時(shí)接收機(jī)的測量波形進(jìn)行快速傅里葉變換，記錄兩個(gè)頻譜中對應(yīng)點(diǎn)的幅值；
4)根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可按式(1)求得屏蔽室被測部位在不同頻率上的屏蔽效能SEM
式中，B0為沒有屏蔽體時(shí)某點(diǎn)測得的場強(qiáng)，Bi為有屏蔽體時(shí)同一點(diǎn)測得的場強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種近區(qū)低頻強(qiáng)磁場屏蔽效能測試系統(tǒng)，包括下列部件1)用于產(chǎn)生和發(fā)射磁場信號(hào)的低頻大電流源和發(fā)射環(huán)天線；2)用于接收和處理磁場信號(hào)的接收環(huán)天線、接收機(jī)和帶有Matlab軟件和可視化軟件的計(jì)算機(jī)。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果1)能夠模擬頻率范圍為(30～1k)Hz的低頻低阻抗強(qiáng)磁場的主要特性；2)抗干擾能力強(qiáng)，測量動(dòng)態(tài)范圍大，體積小方便攜帶，能夠進(jìn)入工程內(nèi)部對屏蔽室進(jìn)行直接測量；3)帶有操作簡單、使用靈活的可視化軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場接收設(shè)備數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理的一體化；4)測試時(shí)實(shí)時(shí)性好，可用于工程中材料屏蔽性能的檢測及電磁屏蔽室的質(zhì)量驗(yàn)收。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101813732SQ20101016690
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者高成, 劉曉, 石立華, 李炎新, 周璧華, 陳彬, 朱翼超, 陳海林 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)