内置式压力测试仪的电磁屏蔽设计*

刘　磊,李新娥,王媛婧

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原　030051)



内置式压力测试仪的电磁屏蔽设计*

刘磊,李新娥,王媛婧

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051)

摘要:针对现有采用内触发方式的内置式压力测试仪,在火炮膛压测试中易受到伴随的电磁干扰,从而影响测试仪的测量精度等问题,特提出基于内置式压力测试仪的电磁屏蔽设计,通过对电磁屏蔽的理论分析及相关计算,设计了内置式压力测试仪的最佳壳体屏蔽模型,确定了屏蔽体的材料。采用Ansoft Maxwell软件对壳体的屏蔽设计进行了电磁仿真,仿真结果验证了设计的合理性,为解决内置式压力测试仪的电磁屏蔽提供了可行的方案。

关键词:压力测试;电磁屏蔽;电磁仿真;Ansoft Maxwell

0引言

火炮膛压是火炮在研制、生产和验收中必须要进行测量的一个重要参数[1],决定了火炮的性能和质量。内置式压力测试仪采用壳体电容一体化设计,根据壳体受压力影响发生形变进而导致壳体电容变化的原理[2],通过检测电容值的变化即可计算出压力的大小。因此可置于火炮膛内底部检测火炮发射时的膛内压力,但受限制于内置式压力测试仪的体积,壳体电容的变化量仅在pF级别。而在火炮的发射过程中,由于等离子体附加磁场的存在,可导致壳体内部的测试电路产生感应电动势或感应电流,因此内置式压力测试仪的电磁屏蔽是必须要解决的问题。

1电磁屏蔽

1.1电磁屏蔽原理

电磁屏蔽是根据屏蔽材料与电磁波之间不同阻抗的原理,通过反射的形式将电磁波隔离在屏蔽体的外部[3]。相比电磁波,屏蔽体所采用的材料都具有极小的阻抗,因此当电磁波传播到屏蔽体时将引起很大的反射,以此形成隔离电磁波的效果[4]。

1.2测试仪屏蔽体的设计

由电磁屏蔽的原理可知,屏蔽的效果主要由屏蔽体的吸收损耗和电磁波在屏蔽体两端面上的反射损耗影响[5],故由两层不同阻抗的屏蔽体联合产生的屏蔽效果好于仅有一层屏蔽体的情况。因此针对测试仪的屏蔽体采用双层模式设计,这样的设计可以最大限度的抑制干扰,保障测试仪的测试精度。

现以厚度为a1和a2,涡流参数为γ1和γ2的双层屏蔽体为例,用各单层屏蔽体的屏蔽系数S1、S2和反射系数P1、P2来表示双层屏蔽体的屏蔽系数S12和反射系数P12。屏蔽作用计算如图1所示。

由图1可求得双层屏蔽体的S12和P12分别为:

图1　屏蔽作用计算

(1)

(2)对于单层屏蔽体,S和P的计算公式分别为

(3)

(4)经计算可得双层屏蔽体的S12和P12的计算公式为:

(5)

(6)

在150kHz以下频谱中,每层0.1mm的双层屏蔽体的屏蔽衰减总值见图2。曲线A1f、A2f、A3f、A4f和A5f分别表示铜-钢、铝-钢、铜-铝、铜-铅和铅-钢组合屏蔽体的屏蔽衰减随频率变化的情况。其中,钢的ur=100。

图2　屏蔽衰减情况

由图1和图2可知,“铜-钢”组合屏蔽体具有最大的屏蔽效果。因此,本设计采用“铜-钢”组合屏蔽体。结合测试仪的工作原理和测试需要,设计第一层屏蔽体即测试仪的壳体选用钢,第二层屏蔽体即测试仪内部电路的保护层选用铜。

2屏蔽电磁仿真

采用AnsoftMaxwell软件对内置式压力测试仪的屏蔽体(即壳体)进行电磁屏蔽仿真[6]。仿真时在测试仪壳体外部施加高频电磁场,其仿真效果见图3。其中图3(a)是壳体外部电磁场分布情况,图3(b)是壳体内部电磁场分布情况,通过对比可看到进入壳体内部的电磁场比壳体外部的电磁场明显减弱。

壳体内部和外部的电磁场分布情况曲线如图4(a)所示,图中左侧部分为壳体内部电磁场分布曲线,右侧部分为壳体外部电磁场分布曲线,可以看到壳体外部的电磁场明显大于壳体内部,将壳体内部电磁场分布情况曲线放大得到图4(b),对比壳体内部和壳体外部的电磁场分布情况及相关量级,可基本认为设计的测试仪壳体将电磁场屏蔽掉了。

3结论

文中针对内置式压力测试仪,分析了测试仪壳体的屏蔽作用及效果,确定了测试仪屏蔽体的最佳壳体屏蔽模型以及屏蔽体的材料选择。通过AnsoftMaxwell电磁仿真软件对测试仪的壳体进行了电磁仿真,仿真结果证明本设计确实能更好的减小电磁干扰,验证了本设计的可行性。为火炮膛压等恶劣环境下的压力测试提供了有效的电磁屏蔽设计方法。

图3　仿真结果云图

参考文献:

[1]李新娥, 祖静, 徐鹏. 电容式高膛压测试仪的动态特性分析 [J]. 高压物理学报, 2014, 28(1): 108-112.

图4　仿真结果曲线图

[2]李新娥, 祖静, 马铁华, 等. 用于火炮膛内压力测试的电容式传感器的设计 [J]. 仪器仪表学报, 2011, 32(3): 640-645.

[3]杨士元. 电磁屏蔽理论与实践 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 125-127.

[4]周旭. 电磁兼容基础及工程应用 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2010: 145-147.

[5]黄海源. 电子设备的电磁场屏蔽 [J]. 岳阳职工高等专科学校学报, 2001(4): 61-63.

[6]付桂辉, 吴群. 微波EDA电磁仿真软件应用 [C]∥2003全国微波毫米波会议论文集, 2003: 980-983.

*收稿日期:2015-04-24

基金项目:重点实验室基金(04011007)资助

作者简介:刘磊(1990-),男,内蒙古赤峰人,硕士研究生,研究方向:动态测试与智能仪器。

中图分类号:TN06

文献标志码:A

ADesignofElectromagneticShieldingforBuilt-inPressureTestingInstrument

LIULei,LIXin’e,WANGYuanjing

(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:Since built-in pressure testing instrument adopting internal triggering method is susceptible to electromagnetic interference in artillery gun pressure testing, thus affecting testing precision of pressure testing instrument. In this paper, an electromagnetic shielding design was presented based on built-in pressure testing instrument. Through theoretical analysis and calculation of electromagnetic shielding, a useful shielding shell mode of the built-in pressure testing instrument, was designed and the shielding material was determined. Also, Ansoft Maxwell software was used to conduct electromagnetic simulation for shell shield design. The simulation results verify rationality of the design, a feasible scheme is provided to solve the problem of electromagnetic shielding of built-in pressure testing instrument.

Keywords:pressure test; electromagnetic shielding; electromagnetic simulation; Ansoft Maxwell