干簧继电器的屏蔽设计

文/马海林 王勇 朱志强 柴婷婷

1 引言

由于干簧继电器具有重量轻、抗振动冲击能力强、寿命长及工作可靠性高等优点被广泛的应用于航天、航空等领域的电子设备中开断电路用。干簧继电器是一种灵敏度很高的电磁开关，其结构特点是干簧管内置于线圈中心，而干簧管是由玻璃管两端封闭的导磁又导电的舌簧片构成，这种开放式磁路容易受周围电磁环境影响，属敏感元件。另外，干簧继电器线圈功率小（最小可达0.1W）、触点间隙小（最小可达0.05mm），且在很多场合输出的是低电平信号，因此在实际使用中容易受到设备内部及外界杂波场信号干扰，损害其工作可靠性。如何抑制这些干扰成为干簧继电器设计必须面对的一个重要课题。

干簧继电器典型结构示意图见图1。

2 干扰的产生及危害

一般情况下，干簧继电器在电气设备中遇到的干扰主要来自三个方面，即电场、磁场和电磁场，相应的干扰即为静电干扰、磁干扰和电磁干扰。下面分别说明这三个方面干扰产生原因及危害情况：

2.1 静电干扰

静电场中的不同导体间由于分布电容的耦合会产生放电干扰，尤其在高压静电场中，输入阻抗大的电路会产生较强的静电干扰。干簧继电器处于这种场合时会受到静电干扰，干扰大小与电场强度成正比。静电场电荷沿着玻璃管和舌簧片分布，两个平行的舌簧触点间产生耦合电容，造成玻璃管的漏电流增大，绝缘能力下降，使玻璃管两端的舌簧片关断的可靠性下降，引起介质击穿和电路失效。

2.2 磁干扰

图1：干簧继电器典型结构实例

图2：干簧继电器典型屏蔽设计实例

在永磁体周围存在着静磁场，它会对其周围的导磁物质产生磁化作用。由于舌簧片是由导磁率很高的铁镍合金材料制成，外界静磁场会对舌簧片产生磁化干扰。干扰的大小与磁场强度、磁力线方向及磁源位置有关，磁场强度越大，磁力线方向越居中，磁源位置越近则干扰越大。磁干扰会引起舌簧片误动作，造成工作事故。

2.3 电磁干扰

电磁干扰主要是指外界电磁感应（噪声）对设备内部导电导磁零部件的影响，以电磁波的形式存在，遵循麦克斯韦电磁理论。电磁干扰是干簧继电器实际使用中受到的主要干扰。

电磁干扰主要是以干扰信号的频率范围来分的，即低频干扰（如大功率输电线等）和高频干扰（如射频、微波、超声等）。低频干扰与静电干扰的情形相近。高频干扰则是较强的电磁力穿透外壳进入继电器内部，在线圈及舌簧片上产生感应电势，导致线圈发热损坏及干簧管接触可靠性下降，影响干簧继电器信号输出。

从电磁干扰的来源来分，电磁干扰可分为自然干扰和人为干扰两大部分。自然干扰主要是指来自大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声，天电噪声的能谱小于20MHz，宇宙噪声的能谱在20MHz—500MHz频率范围之间，对航天设备中的元器件影响很大。人为干扰是由电机或其它人工设备产生的电磁干扰，它包含各种无线电发射机、高压输电线、电力牵引系统、信息技术设备、照明器件以及工业、医用射频设备等，对安装于其中及周围电器设备中的元器件有不同程度的干扰。

从电磁干扰属性来分，可分为功能性干扰和非功能性干扰。功能性干扰源指设备在正常工作的同时对其它设备会产生直接干扰；非功能性干扰源是指设备在工作过程中附加产生的干扰。

3 屏蔽的方法及原理

为防止外界的干扰场进入干簧继电器内部，需要对其进行屏蔽。针对三种典型干扰场的屏蔽可相应分为静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三种。这三种屏蔽是依据不同的感应方法和原理来抵御干扰的影响 ，从而为被干扰零部件设立“保护区”，抑制外界的干扰。

以下分别介绍针对三种干扰的屏蔽方法及其原理：

3.1 静电屏蔽

在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。

处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零。用一个铜箔套筒将干簧管外壁包围起来，形成一个两端开放的保护区域，干扰电场在铜套中达到静电平衡状态，就可以抑制外部静电场的影响。如果将屏蔽外壳接地，在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流，其外表面产生的感应电荷将通过接地线流入大地，静电干扰产生的影响也随之而消除或减弱，所以不论那种情况，干簧管都不会有电荷聚集，就可以达到静电屏蔽的目的。

静电屏蔽不仅能够抑制外部静电场对干簧管的干扰，同时也不对外部电场产生影响。 因为铜箔的电导率要比空气的电导率大十几个数量级，静电屏蔽的效果非常好的，而且拥有良好的经济性和工艺性，所以选择铜箔作为屏蔽材料是最佳的。

3.2 磁屏蔽

附表1：G值和μ值的选取

附表2：铁的μ值与频率f的关系

磁屏蔽的原理是利用磁路的概念，是以高磁导率μ的铁磁材料做成屏蔽罩以保护内磁场，屏蔽外磁场。本节涉及的磁场是指稳恒电流或永久磁体产生的静磁场，不随时间变化。

用铁磁材料做成一个外壳，将干簧继电器机构整体包围在内，则外磁场绝大部份会集中在外壳铁磁回路中。可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析，因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁力线会产生折射和收缩，其绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，进入外壳空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。

屏蔽外壳既保护了壳内导磁的舌簧片及线圈磁场不受外界磁场的干扰，也防止了壳内干簧管和线圈工作时的辐射磁场去干扰壳外部元器件。

3.3 电磁屏蔽

电磁屏蔽主要是指高频情形。在电磁场中，导体表面的场量最大，愈深入导体内部则场量越小，这种现象被称为趋肤效应。高频电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面值的1/e（约36.8%）处的厚度称为趋肤厚度（又称透入深度）。因趋肤电流是涡电流，故电磁屏蔽又叫涡流屏蔽。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁屏蔽装置。电磁波在导电介质中传播时，其场量的振幅随距离的增加按指数规律衰减，因此干扰源距离与干扰强度大小成反比。从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，导电性越好的介质中场量振幅的减小越快。

我们可以将屏蔽外壳近似看做一个匝数为1匝的线圈，外界电磁干扰会在其中产生电流，从而保护了继电器内部线圈及干簧管不受干扰。

屏蔽材料的选择与电磁波频率相关。在高频时，由于铁磁材料的磁滞损耗和涡流损失较大，从而造成谐振电路品质因素Q值的下降，故一般不采用高磁导率材料的电磁屏蔽，而采用高电导率材料做电磁屏蔽。低频时的情形与静磁屏蔽相似，因为在铁磁材料中电磁场衰减比铜、铝中大得多，所以在低频时应采用铁镍等导磁率高的材料。

电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点，相同点是都应用高电导率的金属材料来制作，不同点是静电屏蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借涡流消除电磁感应场的干扰，但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合，因此即使只进行电磁屏蔽，也还是接地为好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。

3.4 设计实例

我们利用前述的屏蔽理论，结合图1的设计实例，对干簧继电器进行屏蔽设计，见图2。

设计说明：

（1）在内置的干簧管外壁增加一个铜箔套，并使之与焊接在外壳上的极化端子连通。此处设计可以起到屏蔽静电干扰和电磁干扰的作用；

（2）将干簧管引出端剪断，使之处于外壳包覆之内，然后和不导磁的铜合金舌簧引出端焊接后引出本体之外，此处设计可以起到减少磁干扰的作用；

（3）外壳材质可根据使用场合确定，若是静磁干扰较强的场合则可用铁镍等导磁性好的材料，若是电磁干扰较强的场合则可用铜合金材料。

4 屏蔽效能

干簧继电器采取屏蔽措施后，屏蔽的效果如何是我们最为关心的，这就是屏蔽效能的计算。严格来说干扰电磁场都是三维场，然而三维场的计算繁杂且难以获得精确的解析，同时在大多数场合也无此必要。在工程技术实际中，可以将实际问题简化成二维场的问题予以处理，也就是说可以忽略干扰场中某一次要方向的变化，这样使分析计算成为可能，又可以解决大多数实际问题。根据这一观点，以下针对三种干扰的屏蔽情况分别给出二维场的效能估算公式。

4.1 静电屏蔽

静电屏蔽效能是指导体屏蔽后的感应电压νs和屏蔽前的感应电压ν0之比，见如下公式：

Z1：屏蔽外壳单位长度的感应阻抗Ω

Z0：屏蔽外壳单位长度的自阻抗Ω

4.2 磁屏蔽

磁屏蔽效能K是指屏蔽外壳（圆筒）腔内磁场强度H1和腔外磁场强度H0值之比，见如下公式：

式中：

r1：外壳屏蔽层内径cm

r2：外壳屏蔽层外径cm

4.3 电磁屏蔽

电磁屏蔽的效能指屏蔽前后某一点的电（磁）场强度之比，常用分贝数表示。

电磁屏蔽的效能主要分两个方面，即吸收的效能和反射的效能，其它方面忽略不计。

反射的效能(衰减量)：

磁场（低阻抗场）

其中：

δ：外壳屏蔽层厚度cm。

f：干扰源频率Hz。

μ：屏蔽层相对铁的导磁系数，见附表1和附表2。

G：屏蔽层相对铜的导电系数，见附表1。

χ：干扰源到外壳的距离cm

5 结束语

本文主要介绍了三种干簧继电器的屏蔽设计方法，工程实际中受到干簧继电器结构及安装方式等因素的影响，屏蔽设计可能不充分，并且对干簧继电器的一些性能参数可能有影响，这就要求我们针对干扰类别及强度进行优化设计，最大限度地抑制外界干扰。另外，随着计算机技术的发展运用，借助仿真软件可以进行电磁屏蔽分析计算，可以大大提高工作效率和质量。