专利名称：近区低频强磁场屏蔽效能测试系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种屏蔽效能测试系统及其测试方法，特别是一种用于测量电磁屏蔽室对近区低频强磁场屏蔽效能的测试系统及其测试方法。
背景技术：
低频磁场干扰是一种很难屏蔽的干扰。通常电磁屏蔽设计所考虑的频率范围在10kHz以上频段，用于电磁屏蔽室屏蔽效能测量的装置，主要测量电场以及高频电磁场，10kHz以下频段一般不予考虑。GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测试方法》中详细规定了屏蔽室屏蔽效能的测量方法，其规定的频段从9kHz～18GHz。本单位作为全军电磁脉冲防护研究测试中心，已建立有用于脉冲强磁场、脉冲强电场测量的模拟器，以及成套的电磁屏蔽室屏蔽效能测试设备，其所测电磁场的频率最小为14kHz。工程应用中的电磁屏蔽室一般大小有限，内部还会有通信、监控等设备，这就要求测试装置体积要小，便于操作。
在北京工业大学袁岩兴的硕士论文“低频磁屏蔽材料的制备与研究”中提出了一种测量低阻抗磁场屏蔽效能的亥姆霍兹线圈(或螺线管)法，采用亥姆霍兹线圈作为模拟场源，将样品整体放入磁场源中进行低频磁场屏蔽效能测试。但测试时的磁场频率固定为工频50Hz，且仅能测量较小的样品，无法用于工程中电磁屏蔽室的测试。在公开号为CN2279616，发明名称为“低频磁场测量仪”的中国专利中公开了一种用于测量低频磁场的测量仪，其测量的磁场为低频弱磁场，磁场的频率范围为(30～400)Hz，且仅能检测磁场的大小，并不涉及屏蔽体对低频磁场屏蔽效能的测试。
目前尚未报道有用于测量电磁屏蔽室对低频强磁场屏蔽效能的测试系统，因此迫切需要研制测量动态范围大，体积小方便携带的低频强磁场屏蔽效能测试系统。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的空白，提供一种能够评价屏蔽室对近区低频强磁场的屏蔽效能的近区低频强磁场屏蔽效能测量系统。
本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统，包括下列部件 1)用于产生和发射磁场信号的低频大电流源和发射环天线； 2)用于接收和处理磁场信号的接收环天线、接收机和带有Matlab软件和可视化软件的计算机； 其中，所说的低频大电流源输出交变方波电流的调节范围为(20～300)A，电流频率范围为(30～1k)Hz，电流电压最大值为25V；所说的发射环天线和接收环天线为直径为30cm的小环天线；所说的接收机为灵敏度较高的数字示波器。低频大电流源产生大小、频率连续可调的电流信号，流经所述发射环天线的大电流可以在近区产生以磁场为主的强感应场。接收环天线用于接收磁场信号并将信号传送至接收机，计算机用于数据采集、波形绘制、屏蔽效能计算。可视化软件，具有对示波器参数进行自动设置、对示波器的测量数据实现实时采集、对已存的数据进行回读处理、波形绘制、计算磁场峰值屏蔽效能等功能，能够实现磁场接收设备数据采集及数据处理的一体化。
优选地， 本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统中，所说的低频大电流源包括主电路和控制电路两部分，其中主电路采用两级逆变结构，功率转换器件选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，控制电路包括单片机PIC6F73、主电路的驱动控制模块、电压电流采样模块、故障报警与处理模块和参数给定与显示模块。
本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统中，所说的发射环天线由可以承受大电流的铜条绕制而成，直径是30cm，共13匝；接收环天线由漆包线绕制而成，直径是30cm，共1200匝。
本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试方法，包括下列步骤 1)将发射环天线和接收环天线共轴放置，二者距屏蔽体外边缘均为30cm； 2)调节低频大电流源输出电流的频率和幅度，分别记录自由空间和有屏蔽体时接收机的测试波形； 3)对有屏蔽、无屏蔽时接收机的测量波形进行快速傅里叶变换，记录两个频谱中对应点的幅值； 4)根据测试数据，可按式(1)求得屏蔽室被测部位在不同频率上的屏蔽效能SEM 式中，B0为没有屏蔽体时某点测得的场强，Bi为有屏蔽体时同一点测得的场强。
本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统依据GB/T12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测试方法》中的小环天线法，构建低频强磁场屏蔽效能测试系统。
测试系统中发射环天线作为负载串接于大电流源的输出回路，其几何配置如图4所示。当r＜＜λ/2π时，环天线产生的辐射近区磁场近似为 式中a＝0.15m为发射环半径；r为场点(屏蔽体)到圆环中心的距离，共轴测量时r＝0.3m，共面时r＝0.45m；n为发射环的匝数；I0为流过线圈的电流；θ为俯仰角，共轴测量时θ＝0，共面时θ＝π/2。
电流源输出的电流频率范围为30Hz～1kHz，这个频段对应的波长均应大于300km，在几十米的范围内满足r＜＜λ/2π的近似条件。环电流产生的磁场可由式(2)计算。由(2)可看出，在时域中，磁场强度和电流成正比，而与距离的立方成反比，其比例系数和频率无关。因此，环天线产生的磁场时域波形和环天线电流波形形状相同。
接收环天线采用小环天线，坐标z轴与环平面垂直，接收天线的感应磁场开路电压e(t)与通过线圈的磁通变化率成正比，其输出的电压信号加到数字示波器的输入端。接收环天线的等效电路如图5所示。
图中e(t)、La、Rin、Uo分别为感应电压、环天线电感、测量电路输入阻抗、Rin上的电压。由法拉第电磁感应定律可知，图中的开路电压e(t)为 e(t)＝-ndφ/dt＝-nAcosθdB/dt (3) 经付氏变换得e(jω)＝-jωnAcosθB(jω) (4) 式中，
为穿过环天线的磁通；B为磁感应强度；A、n分别为环天线的面积和匝数；θ为磁场极化方向与环天线轴向间的夹角。
由图4环天线的等效电路可求出负载上的电压为 接收环天线用以测量磁场波形，实际的环天线参数为La＝850nH，Rin＝50Ω。由于所测量的低频磁场信号最高频率在10kHz以下，满足Rin＞＞ωL条件，可采用高阻测量法来实现对磁感应强度的求解，即 Uo(jω)＝-jωnAsinθB(jω) (6) 由此可得 磁感应强度B的波形，可通过对负载电压波形积分得到。
本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统能够直接对屏蔽室进行屏蔽效能测量，可以借此预估材料的屏蔽性能，为低频强磁场屏蔽结构设计提供依据，同时为工程中屏蔽室的质量验收提供必要的检测手段。
本发明的测试系统及其方法具有如下技术效果 1)能够模拟频率为10kHz以下的低频低阻抗强磁场的主要特性，并能对屏蔽室进行直接测量； 2)抗干扰能力强，测量动态范围大，体积小方便携带，能够进入工程内部对屏蔽室进行直接测量； 3)带有操作简单、使用灵活的可视化软件，能够实现磁场接收设备数据采集及数据处理的一体化； 4)测试时实时性好，可用于工程中材料屏蔽性能的检测及电磁屏蔽室的质量验收。
图1是本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统的结构示意图； 图2是本发明的低频大电流源结构框图； 图3是本发明的低频大电流源输出的电流信号波形； 图4是本发明的发射环天线的几何配置； 图5是本发明的接收环天线的等效电路； 图6a是实施例2在测试过程中无屏蔽时的磁场时域波形； 图6b是实施例2在测试过程中无屏蔽时的磁场频谱； 图7a是实施例3在测试过程中有屏蔽时的磁场时域波形； 图7b是实施例3在测试过程中有屏蔽时的磁场频谱； 图8是本发明的低频磁场屏蔽效能测试系统软件界面； 图9是本发明在测试屏蔽室对低频强磁场屏蔽效能时实测值与理论值的比较。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
来对本发明做进一步的详细说明。
实施例1 如图1所示，本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统，包括用于产生和发射磁场信号的低频大电流源和发射环天线；用于接收和处理磁场信号的接收环天线、数字示波器和带有可视化软件的计算机；其中，低频大电流源输出交变方波电流的调节范围为(20～300)A，电流频率范围为(30～1k)Hz，电流电压最大值为25V；发射环天线由可以承受大电流的铜条绕制而成，直径是30cm，共13匝；接收环天线由漆包线绕制而成，直径是30cm，共1200匝。发射环天线和接收环天线距屏蔽体外边缘均为30cm。利用计算机内的Matlab软件对计算机RS232串口进行编程，通过计算机串口控制示波器，从而实现把示波器采集到得数据传送至计算机并进行处理。如图8所示，计算机中的可视化软件可对示波器参数进行自动设置、对示波器的测量数据实现实时采集、对已存的数据进行回读处理、波形绘制、计算磁场峰值屏蔽效能等功能，能够实现磁场接收设备数据采集及数据处理的一体化。
如图2、3所示，本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统中，低频大电流源包括主电路和控制电路两部分，其中主电路采用两级逆变结构，功率转换器件选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，一次逆变用于调节输出电流的大小，二次逆变用于调节输出电流的频率。主电路的工作原理为电网三相50Hz交流电经一次整流滤波后变成脉动的直流电，然后经一次逆变变换成高频(20kHz)交流矩形波脉冲；一次逆变后的高频电流电压幅值比较高，采用高频降压变压器将其降为低压大电流的交流电；20kHz低压方波电流经二次整流滤波后变为平滑的脉动直流电流，再经二次逆变后得到频率和大小均可调的低压交流电流输出。
控制电路包括单片机PIC6F73、主电路的驱动控制模块、电压电流采样模块、故障报警与处理模块和参数给定与显示模块。输出电流反馈信号借助Rogowski线圈采样获得，通过PI调节来控制一次IGBT逆变器的输出脉冲宽度，进而控制电流源输出电流的大小，构成闭环控制；PWM控制器采用集成芯片SG3525；一次逆变的IGBT采用脉冲变压器驱动；二次逆变主要是对电流源输出电流的频率、相位等内特性进行控制，其功率器件IGBT采用四块EXB841进行驱动。整个电路动态调节性能好，电路结构清晰，调试相对容易。
实施例2 用本发明的近区低频强磁场屏蔽效能测试方法对屏蔽室进行屏蔽效能测试，步骤如下 1)将发射环天线和接收环天线共轴放置，二者距屏蔽体外边缘均为30cm； 2)电流大小为180A，频率为130Hz时，由示波器可观测到自由空间中磁场接收信号的时域波形，如图6a所示； 3)计算机对数字示波器的测量波形进行FFT变换，把时域数据转化为频域数据，可得其频谱，如图6b所示。
实施例3 采用上述方法进行低频强磁场屏蔽效能测试，保持电流源输出电流大小为180A不变，频率为130Hz时，由示波器可观测到有屏蔽时的磁场接收信号的时域波形，如图7a所示，计算机对数字示波器的测量波形进行FFT变换，把时域数据转化为频域数据，可得其频谱，如图7b所示。
实施例4 如图9所示，采用上述方法进行低频强磁场屏蔽效能测试，保持电流源输出电流大小为180A不变，调节电流源输出电流的频率，分别记录自由空间和有屏蔽体时示波器的测试波形。对有屏蔽、无屏蔽时示波器的测量波形进行FFT变换，记录两个频谱中对应点的幅值。根据测试数据，可按式(1)求得屏蔽室被测部位在不同频率上的屏蔽效能。将实测值与理论计算值进行对比，二者一致性较好，从而验证了测设系统的可信性。
权利要求
1.近区低频强磁场屏蔽效能测试系统，其特征在于，包括下列部件
1)用于产生和发射磁场信号的低频大电流源和发射环天线；
2)用于接收和处理磁场信号的接收环天线、接收机和带有Matlab软件和可视化软件的计算机；
其中，所说的低频大电流源输出交变方波电流的调节范围为20～300A，电流频率范围为30～1kHz，输出电压最大值为25V；所说的发射环天线和接收环天线为直径为30cm的小环天线；所说的接收机为数字示波器。
2.根据权利要求1所述的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统，其特征在于，所说的低频大电流源包括主电路和控制电路两部分，其中主电路采用两级逆变结构，功率转换器件选用绝缘栅双极型晶体管，控制电路包括单片机PIC6F73、主电路的驱动控制模块、电压电流采样模块、故障报警与处理模块和参数给定与显示模块。
3.根据权利要求1所述的近区低频强磁场屏蔽效能测试系统，其特征在于，所说的发射环天线由铜条绕制而成，直径是30cm，共13匝；接收环天线由漆包线绕制而成，直径是30cm，共1200匝。
4.近区低频强磁场屏蔽效能测试方法，其特征在于，包括下列步骤
1)将发射环天线和接收环天线共轴放置，二者距屏蔽体外边缘均为30cm；
2)调节低频大电流源输出电流的频率和幅度，分别记录自由空间和有屏蔽体时接收机的测试波形；
3)计算机对有屏蔽、无屏蔽时接收机的测量波形进行快速傅里叶变换，记录两个频谱中对应点的幅值；
4)根据测试数据，可按式(1)求得屏蔽室被测部位在不同频率上的屏蔽效能SEM
式中，B0为没有屏蔽体时某点测得的场强，Bi为有屏蔽体时同一点测得的场强。
全文摘要
本发明提供了一种近区低频强磁场屏蔽效能测试系统，包括下列部件1)用于产生和发射磁场信号的低频大电流源和发射环天线；2)用于接收和处理磁场信号的接收环天线、接收机和带有Matlab软件和可视化软件的计算机。本发明具有如下技术效果1)能够模拟频率范围为(30～1k)Hz的低频低阻抗强磁场的主要特性；2)抗干扰能力强，测量动态范围大，体积小方便携带，能够进入工程内部对屏蔽室进行直接测量；3)带有操作简单、使用灵活的可视化软件，能够实现磁场接收设备数据采集及数据处理的一体化；4)测试时实时性好，可用于工程中材料屏蔽性能的检测及电磁屏蔽室的质量验收。
文档编号G01R31/00GK101813732SQ20101016690
公开日2010年8月25日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者高成, 刘晓, 石立华, 李炎新, 周璧华, 陈彬, 朱翼超, 陈海林 申请人:中国人民解放军理工大学