CN104330658A - 一种在低频电场下测试材料屏蔽效能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁屏蔽技术领域，特别是涉及一种电磁屏蔽材料在低频电场中屏蔽效能的测试方法。本方法所用装置由屏蔽室、极板、交流电源、电阻、测量设备组成；屏蔽室由金属材料制成，一侧开有测试窗，测试窗外部和内部分别平行放置发射极板和测试极板；发射极板与屏蔽体外壳间施加低频交流电源，用于产生交变电场；测试极板和屏蔽体内壁间通过大电阻相连，内极板在交变电场中产生感应电压，从而在大电阻中有感应电流流过，通过测量用待测材料封堵测试窗前后大电阻两端电压值，可计算低频电场中待测材料的屏蔽效能。

Description

一种在低频电场下测试材料屏蔽效能的装置和方法

技术领域

本发明涉及电磁屏蔽技术领域，特别是涉及一种在低频电场下测试材料屏蔽效能的装置和方法。

背景技术

电磁屏蔽是抑制电磁干扰的主要技术措施之一。用电设备在工作的时候，空间电磁场会感应到设备电路中，对电路造成干扰，进而可能造成用电设备非正常工作甚至永久性损坏。电磁屏蔽的作用就是切断电磁场的耦合途径，从而消除电磁干扰。在解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是最基本和有效的技术措施之一。

目前变电站所用的电磁屏蔽材料，多为薄钢板、薄铝板或薄铜板等传统防护材料。由于金属材料对低频电场的屏蔽效能很高，能满足一般需求，故通常不需要对其低频电场屏蔽效能进行测量。但这种材料也有一定的缺点。对于一些要求特殊的屏蔽体，为保证其电连接的完整性，需要对传统材料进行很多道特殊工艺处理或采用多种特殊连接器件，例如异型金属板材的穿孔加工(通风孔、螺栓孔、电缆孔加工等)、接缝连接处理(板材螺栓压接、焊接等)、密封处理(孔及缝隙的密封等)等，这些处理在安装和布置上存在诸多不便，不仅施工成本高、工程量大、处理工艺困难，而且存在服役时间延长屏蔽效能降低等问题，这对解决当前变电站内日益突出的电磁屏蔽与兼容问题带来了很大困难，影响到输变电系统的安全运行。

随着材料制备技术和工艺的提高，非金属类的复合型材料，如导电橡胶、导电织物及导电涂料等，尽管导电性相对较差(电导率从几十到数千S/m)，但由于具有可调控的力学性能和物理参数，在特殊场合电磁屏蔽应用方面具有优势，甚至部分替代金属板作为构建屏蔽体的主体。采用弹性体为基体的导电复合屏蔽材料，在压型钢板连接处采用导电屏蔽材料制备的衬垫或压条进行密封替代铆接连接。具有如下优点：1.减少压型钢板的搭接重合面积，降低了钢板原料浪费；2.完全避免了穿孔和缝隙，避免电磁泄漏；3.降低了工艺复杂性，提高了施工便捷性。例如导电橡胶是在众多导电屏蔽材料基础上发展起来的一种性能优良的材料，其由高性能硅橡胶和导电颗粒或纤维等填料构成，是具有低体积电阻率且具有良好压缩回弹性能的导电弹性体。导电橡胶具有良好的水气密封、优异的物理力学性能、以及良好的屏蔽效能，并提供了优良的耐腐蚀功能。最初为炭黑填充型导电橡胶，用于触摸式键盘触点，后来发展到屏蔽领域，通过填充不同种类的导电填料获得相应的性能，用于要求密封和频率范围特别宽(>10G)屏蔽性能优良的场合。优良的导电橡胶其屏蔽效能在100MHz-10GHz范围能达到80dB以上。而且导电橡胶有多样的加工方式，能够加工成模制产品、模切产品、现场挤出成型产品等几乎所有的尺寸和形状以适合不同场合的应用。

随着变电站等设施越来越多的以复合材料作为屏蔽材料使用，复合材料电磁屏蔽效能也越来越重要。其中一个重要问题是其在低频电场中屏蔽效能的评估。由于复合材料电导率低，其对低频电场的屏蔽效能不如金属材料，故需要对复合导电材料的低频电场屏蔽效能进行测量，所以需要一种方法来测量低频电场中材料的屏蔽效能。对于材料的电磁屏蔽效能的测量有相关标准GJB6190-2008，此标准给出电磁屏蔽效能的两种测试方法，包括屏蔽室法和法兰同轴法。其中，屏蔽室法需要用到一系列测量设备，包括发射天线、接收天线、功率放大器等，这些设备造价昂贵且使用起来较为复杂，同时屏蔽室法的测量范围为10kHz-40GHz，没有覆盖到10kHz以下频率范围。法兰同轴法需要用到的设备虽然造价较低，但此方法仅用于30MHz-1.5GHz屏蔽效能的测量，同样不能用于低频电场屏蔽效能测量。

所以，需要发明一种材料对低频电场屏蔽效能的方法。此方法要求即操作简单、设备造价低廉，同时测量频率范围满足低频电场中的测量要求。本发明的目的在于，提供一种操作简单、成本低廉的电磁屏蔽材料低频电场屏蔽效能的测试方法，用于解决上述背景技术中指出的现有屏蔽材料屏蔽效能测试方法中存在的两个问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种在低频电场下测试材料屏蔽效能的装置和方法，所述装置由屏蔽室、极板、交流电源、电阻、测量设备组成；

所述屏蔽室为采用金属板制成的长方体，其一侧壁上开有测试窗；

所述极板包括发射极板和测试极板；发射极板安装于屏蔽室外侧，测试极板安装于屏蔽室内部；发射极板、测试极板分别和所述测试窗平行且中心同轴；发射极板、测试极板和测试窗的大小大致相同；用于固定极板的材料选择不具备导磁性的材料，例如塑料泡沫；

所述交流电源并接于发射极板与屏蔽室的外壳；所述电阻并接于屏蔽室的内壁与测试极板间；

所述测量设备置于所述屏蔽室内，所述测量设备的两个测量点并接于所述电阻两端；在屏蔽室内部接入摄像头观察测量设备的测量值。

所述测试方法包括以下步骤：

步骤1，在所述屏蔽室外壳与所述发射极板间施加不同频率、不同幅值的低频交流电压；

步骤2，选择所述电阻的阻值；

步骤3，在不使用待测材料封堵所述测试窗，测量所述电阻两端产生的电压值；

步骤4，在使用待测材料封堵所述测试窗时，测量所述电阻两端产生的电压值；

步骤5，计算低频电场中待测材料的屏蔽效能。

在完成所述步骤2中的电阻阻值选取后，根据步骤1和步骤2中确定的所述交流电压源和所述电阻的参数，估算通电后，未用待测材料封堵所述测试窗时，所述电阻两端的电压大小。根据估算值，调节所述交流电源和/或所述电阻的参数，使所述电阻两端的电压位于所述测量设备的可测范围。

在完成步骤3和步骤4的测量过程后，根据测得的，使用和不使用待测材料封堵所述测试窗情况下的，所述电阻两端的两个电压值，判断所述两个电压值是否均位于所述测量设备的可测范围；若否，调节所述交流电源和/或所述电阻的参数；然后测量所述电阻两端的电压值，直至所述电阻两端的所述两个电压值均位于所述测量设备的可测范围。

所述测试窗被待测材料完全覆盖。

所述交流电源的频率范围为50Hz～10kHz。

所述电阻的阻值范围为1MΩ～10MΩ。

所述计算低频电场中待测材料的屏蔽效能的公式为：

SE＝20log₁₀(U_S1/U_S2)

其中：

U_S1为不封堵测试窗时电阻两端的电压值，

U_S2为待测材料封堵测试窗时电阻两端的电压值。

本发明的有益效果是发明了一种材料对低频电场屏蔽效能的方法，此方法操作简单、所需设备造价低廉，同时测量频率范围满足低频电场中的测量要求，能够测量的频率范围是50Hz～10KHz。

附图说明

图1是低频电场屏蔽效能测试装置图。

图中标号：1-屏蔽室；2-待测材料；3-发射极板；4-测试窗；5-测试极板；6-大电阻；7-低频交流电源；8-电压测量装置；9-摄像头。

具体实施方式

本发明涉及一种测试材料低频电场屏蔽效能的装置和方法，下面结合具体实施例1-3和附图1对本发明作详细说明，但并不因此而限制本发明的内容。

本发明首先提出了一种在低频电场下测试材料屏蔽效能的装置，所用装置由屏蔽室、极板、交流电源、电阻、测量设备组成；屏蔽室采用金属板制成，其一侧壁上开有测试窗，另一壁上开有小孔容摄像头通过，并对其余部分进行密封设计。极板包括发射极板和测试极板，主要用于低频电场的发射和接收；发射极板安装于屏蔽室外侧，测试极板安装于屏蔽室内部；发射极板、测试极板分别和测试窗平行，且发射极板的中心、测试极板的中心和测试窗的中心均同轴；发射极板、测试极板和测试窗的大小大致相同，一般的，发射极板和测试极板的大小相同，略大于测试窗。交流电源并接于发射极板与屏蔽室的外壳；一个电阻并接于屏蔽室的内壁与测试极板间，用于产生交变电场。测量设备置于屏蔽室内，测量设备的两个测量点并接于电阻两端，在屏蔽室内部接入摄像头观察测量设备的测量值。测试极板在交变电场中产生感应电压，从而在电阻中有感应电流流过，此时电阻两端也会有交流电压。故而，能够精准测量电压的设备，均可用于实验中，通过测量待测材料封堵测试窗前后的电压值，最终得到屏蔽效能。

利用上述装置进行屏蔽效能测量的方法，包含以下执行步骤：

步骤1，在所述屏蔽室外壳与所述发射极板间施加不同频率、不同幅值的低频交流电压；电压源的可调频率范围为50Hz～10kHz，可调幅值范围以其产生的电场不使空气击穿为准，通常的，空气的平均击穿场强为30kV/cm。

步骤2，选择所述电阻的阻值；综合电压源参数、材料性能综合考虑，阻值的优选范围为1MΩ～10MΩ。

步骤3，更好的，进行一次估计运算。

当上述装置的具体参数，例如发射极板和测试极板之间的距离、极板面积、测试窗大小等参数，被确定之后，发射极板和测试极板所组成的平板电容器的电容值就已经确定，根据平板电容的容值计算公式，可以估算出其容值。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}{4\mathrm{\πkd}}$                (公式1)

其中，S为发射极板和测试极板与测试窗的重合面积，d为发射极板和测试极板之间的距离，其余参数均为常规物理意义。

根据当前选择的电压源的频率、电压值和电阻的阻值，以及上述装置所确定的电容容值，可以估算出所述电阻两端的电压大小；其估算公式为：

$U_s=\frac{U}{\sqrt{1+{\left(\frac{1}{\mathrm{\ωCR}}\right)}^2}}$                 (公式2)

其中，U为施加交流电源的电压有效值，

R为电阻的阻值，

C为上述装置中由发射极板和测试极板所确定的电容容值，

w＝2πf，f为施加交流电源的频率，

Us为电阻两端的电压值。

判断估算值是否位于所述测量设备的可测范围，调节所述交流电源和/或所述电阻的参数，使所述电阻两端的电压位于所述测量设备的可测范围；由于被待测材料封堵后，电阻两端电压减小，所以，优选的，未封堵时的估算电压和实测电压尽量位于测量设备的测量范围上限附近。估算不影响测试结果，估算过程在实际操作中可以没有。

步骤4，在不使用待测材料封堵所述测试窗，测量所述电阻两端产生的电压值Us₁；

步骤5，在使用待测材料封堵所述测试窗时，测量所述电阻两端产生的电压值Us₂；

步骤6，判断Us₁、和Us₂是否均位于所述测量设备的可测范围，若否，调节所述交流电源和/或所述电阻的参数，然后再次测试使用和不使用待测材料封堵所述测试窗情况下，所述电阻两端的电压值，直至所述电阻两端的两个电压值均位于所述测量设备的可测范围；

步骤7，计算低频电场中待测材料的屏蔽效能。计算待测材料的屏蔽效能的公式的推导过程如下：

设大电阻电阻值为R，电阻两端电压有效值为U_S，流经大电阻电流有效值为I，则

Us＝IR                        (公式3)

依据电荷守恒原理，电流等于极板上电荷量的时间变化率：

I＝wQ                         (公式4)

极板上的额电荷量等于电荷密度s乘以极板面积S，又依据电磁场边界条件，导体表面电位移矢量D等于电荷密度s，所以有：

Q＝DS＝E_Se₀S                  (公式5)

则有：

U_S＝e₀wSRE_S                   (公式6)

对于未被材料封堵情况，有：

U_S1＝e₀wSRE_S1                 (公式7)

对于被材料封堵的情况，有：

U_S2＝e₀wSRE_S2                 (公式8)

则有：

U_S1/U_S2＝E_S1/E_S2              (公式9)

电场屏蔽效能定义式为：

SE＝20log₁₀(E_S1/E_S2)          (公式10)

其中，E_S1为不封堵测试窗时电磁接收装置接收的电场强度，E_S2为待测材料封堵测试窗时电磁接收装置接收的电场强度。

所以计算低频电场对应的待测材料的屏蔽效能采用公式：

SE＝20log₁₀(U_S1/U_S2)               (公式11)

其中，U_S1为不封堵测试窗时低频电磁频率对应的电阻两端的电压值，U_S2为待测材料封堵测试窗时低频电磁频率对应的电阻两端的电压值。

实施例1

如图1所示，为上述装置的一种可选实施方式。

正方体屏蔽室1的例如尺寸为0.4m×0.4m×0.4m，屏蔽室壁金属材料的例如厚度为0.002m；屏蔽室1左侧壁上开有一个例如边长为0.12m的正方形测试窗4，发射极板3位于屏蔽室1外部且平行于测试窗4，测试极板5位于屏蔽室1内部且平行于测试窗4，发射极板3、测试窗4和测试极板5的中心在同一水平直线上，发射极板3和测试窗4之间的例如距离0.05m，测试极板5与测试窗4之间的例如距离0.05m，发射极板3与测试极板5的面积与测试窗4面积相同。将电压测量装置8的两表笔接在大电阻6两端，摄像头9引线在出入屏蔽室1之处被密封加工，确保屏蔽室1为完全封闭的状态。

上述装置的可选实施方式中，发射极板和测试极板所确定的电容，根据公式1可知，其容值约为1.28pf。

在发射极板3与屏蔽室1外壳之间施加低频交流电源7，交流电压为工频220V；测试极板5与屏蔽室1内壁间通过1MΩ大电阻6连接。根据公式2可大致估算，未封堵测试窗时电阻两端电压U_S1为88.2mV。

用电压测量装置8测量大电阻6两端的电压有效值U_S1，在此可选实施方式下，U_S1的值为31.9mV；

用所述待测材料2封堵测试窗，再次用电压测量装置8测量大电阻6两端的电压有效值U_S2；经实际测量，此实施例情况下U_S2的值为0.4mV。

利用公式11可计算，此待测材料在本实例工频电场中的屏蔽效能为38dB。

可变例1

在上述步骤基础上，进一步提高本发明的测量动态范围。如果封堵材料的屏蔽效能很好，封堵后流经大电阻的电流值很小，电压表无法精确测得电阻两端的电压，此时可以采取加大工频电压的方法。

装置规格与实施例1中相同，如图1所示，正方体屏蔽室1的例如尺寸为0.4m×0.4m×0.4m，屏蔽室壁金属材料的例如厚度为0.002m；屏蔽室1左侧壁上开有一个例如边长为0.12m的正方形测试窗4，发射极板3位于屏蔽室1外部且平行于测试窗4，测试极板5位于屏蔽室1内部且平行于测试窗4，发射极板3、测试窗4和测试极板5的中心在同一水平直线上，发射极板3和测试窗4之间的例如距离0.05m，测试极板5与测试窗4之间的例如距离0.05m，发射极板3与测试极板5的面积与测试窗4面积相同。将电压测量装置8的两表笔接在大电阻6两端，摄像头9引线在出入屏蔽室1之处被密封加工，确保屏蔽室1为完全封闭的状态。

在发射极板3与屏蔽室1外壳之间施加低频交流电源7，交流电压分别为工频1kV、2kV、3kV、4kV、5kV。测试极板5与屏蔽室1内壁间通过1MΩ大电阻6连接。

用电压测量装置8分别测量不同施加电压对应的大电阻6两端的电压有效值U_S1，每个电压对应一个电压值U_S1，因此共得到5个电压值U_S1。

用待测材料封堵测试窗，再次测量不同施加电压值对应的电阻两端的电压值U_S2，每个电压对应一个电压值U_S2，因此共得到5个电压值U_S2。

对比五个U_S2，选取合适量级(U_S2可被测量到即可)计算屏蔽体屏蔽效能。如果五个U_S2均无法用电压表测出，可继续提高施加电压等级，为防止空气被击穿，保证实验的安全性，施加电压有效值不能过高(空气的击穿场强一般约30kV/cm)。

利用公式11可以计算出待测材料的屏蔽效能。

可变例2

在实例1步骤基础上，进一步提高本发明方法测量的动态范围。防止电阻两端电压过小无法测量，也可以采取提高施加电压频率的方法。

装置规格与实施例1中相同，如图1所示，正方体屏蔽室1的例如尺寸为0.4m×0.4m×0.4m，屏蔽室壁金属材料的例如厚度为0.002m；屏蔽室1左侧壁上开有一个例如边长为0.12m的正方形测试窗4，发射极板3位于屏蔽室1外部且平行于测试窗4，测试极板5位于屏蔽室1内部且平行于测试窗4，发射极板3、测试窗4和测试极板5的中心在同一水平直线上，发射极板3和测试窗4之间的例如距离0.05m，测试极板5与测试窗4之间的例如距离0.05m，发射极板3与测试极板5的面积与测试窗4面积相同。将电压测量装置8的两表笔接在大电阻6两端，摄像头9引线在出入屏蔽室1之处被密封加工，确保屏蔽室1为完全封闭的状态。

在发射极板3与屏蔽室1外壳之间施加低频交流电源7，交流电压为220V/1kHz。测试极板5与屏蔽室1内壁间通过1MΩ大电阻6连接。根据公式2可大致估算，未封堵测试窗时电阻两端电压U_S1为1.7634V。可以看到，U_S1估算值较实例1增加近20倍，更容易测量。

用电压测量装置8测量大电阻6两端的电压有效值U_S1，

用所述待测材料2封堵测试窗，再次用电压测量装置8测量大电阻6两端的电压有效值U_S2；

利用公式11可以计算出待测材料的屏蔽效能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种在低频电场下测试材料屏蔽效能的装置，其特征在于，所用装置由屏蔽室、极板、交流电源、电阻、测量设备组成；

所述屏蔽室为采用金属板制成的长方体，其一侧壁上开有测试窗；

所述极板包括发射极板和测试极板；发射极板安装于屏蔽室外侧，测试极板安装于屏蔽室内部；发射极板、测试极板分别和所述测试窗平行且中心同轴；发射极板、测试极板和测试窗的大小大致相同；用于固定极板的材料为不具备导磁性的材料；

所述交流电源并接于发射极板与屏蔽室的外壳；所述电阻并接于屏蔽室的内壁与测试极板间；

所述测量设备置于所述屏蔽室内，测量设备的两个测量点并接于所述电阻两端；在屏蔽室内部接入摄像头观察测量设备的测量值。

2.一种基于权利要求1所述装置的在低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

步骤1，在所述屏蔽室外壳与所述发射极板间施加不同频率、不同幅值的低频交流电压；

步骤2，选择所述电阻的阻值；

步骤3，在不使用待测材料封堵所述测试窗，测量所述电阻两端产生的电压值；

步骤4，在使用待测材料封堵所述测试窗时，测量所述电阻两端产生的电压值；

步骤5，计算低频电场中待测材料的屏蔽效能。

3.根据权利要求2所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，在完成所述步骤2中的电阻阻值选取后，根据步骤1和步骤2中确定的所述交流电压源和所述电阻的参数，估算通电后，未用待测材料封堵所述测试窗时，所述电阻两端的电压大小。

4.根据权利要求3所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，根据估算值，调节所述交流电源和/或所述电阻的参数，使所述电阻两端的电压位于所述测量设备的可测范围。

5.根据权利要求2所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，在完成步骤3和步骤4的测量过程后，根据测得的，使用和不使用待测材料封堵所述测试窗情况下的，所述电阻两端的两个电压值，判断所述两个电压值是否均位于所述测量设备的可测范围；若否，调节所述交流电源和/或所述电阻的参数；然后测量所述电阻两端的电压值，直至所述电阻两端的所述两个电压值均位于所述测量设备的可测范围。

6.根据权利要求2所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，所述测试窗被待测材料完全覆盖。

7.根据权利要求2所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，所述交流电源的频率范围为50Hz～10kHz。

8.根据权利要求2所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，所述电阻的阻值范围为1MΩ～10MΩ。

9.根据权利要求2所述的低频电场下测试材料屏蔽效能的方法，其特征在于，所述计算低频电场中待测材料的屏蔽效能的公式为：

SE＝20log₁₀(U_S1/U_S2)

其中：

U_S1为不封堵测试窗时电阻两端的电压值，

U_S2为待测材料封堵测试窗时电阻两端的电压值。