低頻磁場的屏蔽解讀

低頻磁場的屏蔽對于許多人而言，低頻磁場干擾是一種最難對付的干擾，這種干擾是由直流電流或交流電流產(chǎn)生的。例如，由于煉鋼的感應(yīng)爐中有數(shù)萬安培的電流，會(huì)在周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，這個(gè)強(qiáng)磁場會(huì)使控制系統(tǒng)中的磁敏感器件失靈，最常見的磁敏感設(shè)備是彩色CRT顯示器。在磁場的作用下，顯示器屏幕上的圖象會(huì)發(fā)生抖動(dòng)、圖象顏色會(huì)失真，導(dǎo)致顯示質(zhì)量嚴(yán)重降低，甚至無法使用。低頻磁場往往隨距離的衰減很快，因此在很多場合，將磁敏感器件遠(yuǎn)離磁場源是一個(gè)減小磁場干擾的十分有效的措施。但當(dāng)空間的限制而無法采取這個(gè)措施時(shí)，屏蔽是一個(gè)十分有效的措施。但要注意的是，低頻磁場屏蔽與與射頻屏蔽是完全不同的，射頻屏蔽可以用鈹銅復(fù)合材料、銀、錫或鋁等材料，但這些材料對磁場沒有任何屏蔽作用。只有高導(dǎo)磁率的鐵磁合金能屏蔽磁場。1.基本原理根據(jù)電磁屏蔽的基本原理，低頻磁場由于其頻率低，趨膚效應(yīng)很小，吸收損耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射損耗也很小，因此單純靠吸收和反射很難獲得需要的屏蔽效能。對這種低頻磁場，要通過使用高導(dǎo)磁率材料提供磁旁路來實(shí)現(xiàn)屏蔽，如圖1所示。由于屏蔽材料的導(dǎo)磁率很高，因此為磁場提供了一條磁阻很低的通路，因此空間的磁場會(huì)集中在屏蔽材料中，從而使敏感器件免受磁場干擾。圖1高導(dǎo)磁率材料提供了磁旁路，起到屏蔽作用從這個(gè)機(jī)理上看，顯然屏蔽體分流的磁場分量越多，則屏蔽效能越高。根據(jù)這個(gè)原理，我們可以用電路的的計(jì)算方法來計(jì)算磁屏蔽效果。用兩個(gè)并聯(lián)的電阻

分別表示屏蔽材料的磁阻和空間的磁阻，用電路分析的方法來計(jì)算磁場的分流，由此可以計(jì)算屏蔽效果。計(jì)算屏蔽效果式中：H=屏蔽體內(nèi)的磁場強(qiáng)度IH=屏蔽體外的磁場強(qiáng)度Rs=屏蔽體的H=H0Rs/（Rs+Ro）磁阻°1°R）=空氣的磁阻磁阻的計(jì)算公式式中：S=磁路長度j=m0mri=屏蔽材料的相對磁導(dǎo)率Jr人=磁通流過的面積因此圓形管子的磁阻為Rs=pb/（二ojr2tL）為了簡單，設(shè)截面為正方形，管子內(nèi)空氣的磁阻為：R管子內(nèi)空氣的磁阻為：R）=2b/（」2bL）SE=Ho/H|對于高導(dǎo)磁率屏蔽材料,Rs::::R，因此，屏蔽效能為：對于高導(dǎo)磁率屏蔽材料,SE=Ro/Rs=2mrt/pb從公式中可以看出，屏蔽材料的導(dǎo)磁率越高、越厚，則屏蔽效能越高。另外，b越小，屏蔽效能越高，這意味著，屏蔽體距離所保護(hù)的空間越近，則效果越好。2.基本概念磁場強(qiáng)度（H）:單位是奧斯特，與磁場源的強(qiáng)度和距離有關(guān)磁通密單位是高斯，度量穿過每平方厘米的磁力線數(shù)量，與源的方向度（B）:有關(guān)磁導(dǎo)率（J）:表征材料為磁力線提供通路的能力，?匚B/H飽和強(qiáng)度：在飽和強(qiáng)度下，材料不能再通過多余的磁力線磁陽（r）:表征材料對通過磁通的阻礙特性，定義為：R=L/」A,L是磁：磁通路徑長度（cm）,A截面面積（cnf）3.屏蔽材料如前所述，磁屏蔽需要高導(dǎo)磁率材料，滿足這種要求的材料是鐵鎳合金，這種材料具有很高的磁導(dǎo)率。一種常用的合金的化學(xué)成分如表1所示。這種材料在正確熱處理的條件下，起始磁導(dǎo)率（直流，磁通密度為40高斯）可達(dá)到60,000,最高磁導(dǎo)率可達(dá)到400,000。表1成分NiMoMnSiFe數(shù)量（％804.20.50.35其余：磁導(dǎo)率并不是固定不變的，它會(huì)隨外加磁場、頻率等變化。磁導(dǎo)率隨頻率的變化如圖2所示。從圖中可以看出，不同厚度的材料的頻率特性也不一樣，較厚的材料磁導(dǎo)率隨頻率下降更快一些。圖2磁導(dǎo)率與頻率關(guān)系磁導(dǎo)率還與外加磁場強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度較低時(shí)，磁導(dǎo)率隨外加磁場的增加而升高，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過一定值時(shí)，磁導(dǎo)率急劇下降，這時(shí)稱材料發(fā)生了飽和，典型高導(dǎo)磁率材料的磁導(dǎo)率隨外加磁場的變化如圖3所示。材料一旦發(fā)生飽和，就失去了磁屏蔽作用。材料的磁導(dǎo)率越高，越容易飽和。因此，在很強(qiáng)的磁場中，磁導(dǎo)率很高的材料可能并沒有良好的屏蔽效能。在選材料時(shí)，關(guān)鍵一點(diǎn)是選擇同時(shí)具有適當(dāng)飽和特性和足夠磁導(dǎo)率的材料。表2給出了一些常用合金的的磁特性。材料飽和強(qiáng)度（高斯）最周磁導(dǎo)率起女臺(tái)8,000鐵磁合金（48%|）硅鋼碳鋼15,00020,000150,0008,000鐵磁合金（48%|）硅鋼碳鋼15,00020,000150,0005,00022,0003,00060,00012,0003,0001,000高導(dǎo)磁率材料在機(jī)械沖擊的條件下會(huì)極大地?fù)p失磁性，導(dǎo)致屏蔽效能下降。因此，屏蔽體在經(jīng)過機(jī)械加工后，如敲擊、焊接、折彎、鉆孔等，必須經(jīng)過熱處理以恢復(fù)磁性。熱處理要在特定條件下進(jìn)行，一般要在干燥氫氣爐中以一定的速率加熱到1177C,保持4個(gè)小時(shí)，然后以一定的速率降溫到室溫。由于熱處理的條件極其嚴(yán)格，因此最好是委托材料廠家進(jìn)行屏蔽體的加工，在工件完成后，進(jìn)行熱處理。如果，用戶一定要自己加工，記住要按照材料廠家提出的條件對屏蔽體進(jìn)行熱處理，以獲得最佳屏蔽效能，最理想的方法是將工件寄到廠家進(jìn)行熱處理。在對拼接處進(jìn)行焊接時(shí)，要使用屏蔽材料母料做焊接填充料，這樣可以保證焊縫處的高導(dǎo)磁率。如果屏蔽效能要求較低，也可以采用點(diǎn)焊或鉚接的方式固定，但要注意拼接處的屏蔽材料要有一定的重疊，以保證磁通路上較小磁阻。當(dāng)需要屏蔽的磁場很強(qiáng)時(shí)，僅用單層屏蔽材料，不是達(dá)不到屏蔽要求，就是會(huì)發(fā)生飽和。這時(shí)，一種方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用組合屏蔽，將一個(gè)屏蔽體放在另一個(gè)屏蔽體內(nèi)，它們之間留有氣隙。氣隙內(nèi)可以填充任何非導(dǎo)磁率材料做支撐，如鋁。組合屏蔽的屏蔽效能比單個(gè)屏蔽體高得多，因此組合屏蔽能夠?qū)⒋艌鏊p到很低的程度。5.實(shí)際應(yīng)用計(jì)算機(jī)的CRT顯示器受到磁場干擾而發(fā)生圖象扭曲、失真、滾動(dòng)等現(xiàn)象是最常見的磁干擾現(xiàn)象。對這種干擾，最有效的方法是將顯示器屏蔽起來。屏蔽有兩種方法，一種是僅對顯象管屏蔽，如圖4所示，另一種是對整個(gè)顯示器屏蔽，如圖5所示。圖4顯象管屏蔽罩圖5顯示器屏蔽罩根據(jù)前面所述的磁屏蔽理論，屏蔽體將要保護(hù)器件包的越緊，則屏蔽效果越好。因此，僅將顯象管屏蔽起來方法屏蔽效果更好。但這需要將顯示器拆開，重新安裝屏蔽，不是一般條件下可以做的。并且，這種方法中使用的屏蔽罩往往需要按照顯象管的實(shí)際尺寸訂做，成本很高。在實(shí)際中，將顯示器整體屏蔽起來是更加實(shí)用的方法。當(dāng)顯示器發(fā)生了磁場干擾時(shí)，用戶只要采購一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的顯示器屏蔽罩就可以解決問題了。當(dāng)磁場不是很強(qiáng)時(shí)，僅用一塊高導(dǎo)磁率材料遮擋一下也能夠解決問題。例如，在一個(gè)辦公區(qū)域中，使用著大約20多臺(tái)工作站，其中有幾臺(tái)的屏幕發(fā)生了抖動(dòng)。調(diào)查表明，干擾源是在顯示器正下方的電力電纜