CN104684371B - 一种无源可调磁场屏蔽器及其屏蔽方法 - Google Patents
一种无源可调磁场屏蔽器及其屏蔽方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无源可调磁场屏蔽器及其屏蔽方法,其包括微控制器,微控制器分别连接有磁场检测模块、可变电容器、电源,所述可变电容器还分别与磁场屏蔽器模块、电源连接,磁场检测模块设置在磁场屏蔽器模块的内部。磁场检测模块将检测到的磁场强度值传给微控制器,经微控制器模块处理后得到调节可变电容器的电压值,进而可变电容改变电容值来调节磁场屏蔽器模块的感应磁场强度的大小,达到屏蔽源磁场的目的。本发明的无源磁场屏蔽器,屏蔽能力强,可以动态实时调节对源磁场的屏蔽,灵活性好,解决了有源磁场屏蔽器在功率损耗和制造成本高的问题,给无源磁场屏蔽器技术领域提供了一种自动化的简易动态无损耗式的磁场屏蔽器及屏蔽方法。
Description
技术领域
本发明属于磁场屏蔽技术领域,具体涉及一种无源可调磁场屏蔽器,还涉及上述无源可调磁场屏蔽器的屏蔽方法。
背景技术
随着电子工业技术的飞速发展和电子设备的广泛应用,电磁辐射被认为是继水污染、噪音污染、空气污染的第四大公害。目前,针对电磁辐射污染,屏蔽技术是其主要的抑制方法。根据有无提供外部供电电源,磁场屏蔽方法可以分为两种,一种是无源磁场屏蔽法,该方法利用无源线圈或电磁材料,依据法拉第电磁感应定律,在屏蔽材料中产生反向磁场,从而削弱被屏蔽磁场;该方法的屏蔽能力主要与屏蔽器的物理结构及材质有关,一旦屏蔽器制作成型后,其屏蔽能力也就固定了,其屏蔽能力灵活性差,不能实现动态屏蔽的作用。另一种是有源磁场屏蔽法,该方法需要外加较大的电源能量,在屏蔽线圈中注入电流,以产生与被屏蔽磁场相反的磁场;该屏蔽方法虽然能弥补无源磁场屏蔽法灵活性方面的不足,可以动态跟踪被屏蔽磁场的大小,实现动态屏蔽,屏蔽灵活性高,但是需要较大的外加电源,外加电源增加了功耗,使得屏蔽成本上升。
发明内容
本发明的目的是提供一种无源可调磁场屏蔽器,解决现有技术中存在的无源磁场屏蔽器的屏蔽灵活性差及有源磁场屏蔽器功耗大、成本高的技术问题。
本发明的另一目的是提供上述无源可调磁场屏蔽器的屏蔽方法。
本发明采用的第一技术方案是,一种无源可调磁场屏蔽器,其包括微控制器,微控制器分别连接有磁场检测模块、可变电容器、电源,可变电容器还分别与磁场屏蔽器模块、电源连接,磁场检测模块设置在磁场屏蔽器模块的内部。
本发明第一技术方案的特点还在于,
电源采用WD-990微机电源,微控制器的电源正极和电源的+5V相连,电源负极和电源的地相连;可变电容器的电源正极和电源的+15V相连,电源负极和电源的地相连。
磁场屏蔽器模块是由N匝线圈构成的屏蔽线圈,由2~4mm2多股导线绕制而成,屏蔽线圈的两端分别与可变电容器的两端相连。
磁场检测模块由多个磁场测量探头组成,多个磁场测量探头均匀分布在屏蔽线圈中,且分别与微控制器连接。
微控制器采用MSP430F6638,可变电容器采用MK042。
磁场测量探头采用各向异性磁阻传感器HMCl021S。
本发明的第二技术方案为,上述无源可调磁场屏蔽器的屏蔽方法,包括以下步骤:
步骤1:首先通过在屏蔽线圈中均匀布置的各个磁场测量探头实时采集源磁场各个点的磁场强度,并将采集到的磁场强度传送到微控制器;
步骤2:微控制器处理各个磁场探头传递过来的磁场强度数据,将磁场强度值转化为控制可变电容器电容值的电压值,将计算得到的电压值发送至可变电容器;
步骤3:可变电容器接收到微控制器传送的电压值,根据电压值调节电容值到能够屏蔽源磁场的电容值,从而调节屏蔽线圈阻抗值,进而调节屏蔽线圈的感应磁场的大小,达到抵消源磁场的目的。
本发明第二技术方案的特点还在于,
步骤2中微控制器中处理得到控制可变电容器电容值的电压值U的具体计算步骤如下:
2.1,将磁场检测模块中各个磁场测量探头实时采集的磁场强度值转化为抵消相应磁场强度的磁场所需串入的电容值Ci,公式如下:
其中,R为屏蔽线圈内阻,L为屏蔽线圈电感,B0(t)为t时刻磁场测量探头检测到的磁场强度,ω为源磁场的角频率,μ0=4π×10-7(H/m),为真空磁导率,r为屏蔽线圈的等效半径,s为无源屏蔽线圈的面积,N为屏蔽线圈的匝数;
2.2,求磁场检测模块中各个磁场测量探头实时采集的磁场强度值转化为抵消相应磁场强度的磁场所需串入的电容值Ci的平均值,计算公式如下:
2.3,将电容值C转化为电压值,转化公式如下:
电源采用WD-990微机电源,微控制器的电源正极和电源的+5V相连,电源负极和电源的地相连;可变电容器的电源正极和电源的+15V相连,电源负极和电源的地相连。
微控制器采用MSP430F6638,可变电容器采用MK042,磁场测量探头采用各向异性磁阻传感器HMCl021S。
本发明的有益效果是,本发明的无源可调磁场屏蔽器,屏蔽能力强,可以动态实时调节对源磁场的屏蔽,屏蔽灵活性好,减小了对周围人体及电气设备的不利影响,同时解决了有源磁场屏蔽器在功率损耗和制造成本高的问题,给无源磁场屏蔽器技术领域提供了一种自动化的简易动态无损耗式的磁场屏蔽器及屏蔽方法。
附图说明
图1是本发明的无源可调磁场屏蔽器的结构示意图;
图2是本发明的无源可调磁场屏蔽器屏蔽方法流程框图;
图3是采用本发明的无源可调磁场屏蔽器的屏蔽效果与不加屏蔽器的效果对比图。
图中,1.磁场检测模块,2.磁场屏蔽器模块,3.可变电容器,4.微控制器,5.电源,6.磁场测量探头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种无源可调磁场屏蔽器,其结构示意图如图1所示,包括磁场检测模块1,磁场屏蔽器模块2,可变电容器3,微控制器4,电源5。微控制器4分别连接有磁场检测模块1、可变电容器3、电源5,可变电容器3还与磁场屏蔽器模块2与电源5连接,磁场检测模块1设置在磁场屏蔽器模块2的内部。
其中,电源5分别给微控制器4和可变电容器3提供5V和15V电压,采用WD-990微机电源,微控制器4的电源正极和电源5的+5V相连,微控制器4的电源负极和电源5的地相连;可变电容器3采用MK042(01005),可变电容器3的电源正极和电源5的+15V相连,可变电容器3的电源负极和电源5的地相连;磁场屏蔽器模块2是由N匝线圈构成的屏蔽线圈,由2~4mm2多股导线绕制而成,屏蔽线圈的两端分别与可变电容器3的两端相连;磁场检测模块1由多个磁场测量探头6组成,其均匀布置在屏蔽线圈中,并分别与微控制器4连接,磁场测量探头6为各向异性磁阻传感器HMCl021S;微控制器4采用MSP430F6638。
本发明的无源可调屏蔽器磁场检测模块1采用多个磁场测量探头6全面检测屏蔽线圈中的磁场强度信息;微控制器4用于处理磁场检测模块1检测到的磁场强度值,将磁场强度值转换为调节可变电容器3中电容值的电压值,并传送到可变电容器3;可变电容器3通过调节电容值来调节磁场屏蔽器模块2的等效线圈阻抗;磁场屏蔽器模块2用来产生反向磁场来抵消被屏蔽磁场。
另外,值得说明的是本发明的无源可调磁场屏蔽器的电源5分别给微控制器4和可变电容器3提供5V和15V电压,这些供电能量相对于被屏蔽磁场所需的屏蔽能量而言,较小可忽略,因此,本发明的磁场屏蔽器仍属于为无源磁场屏蔽器。
如图2所示,上述无源可调磁场屏蔽器的屏蔽方法,包括以下步骤:
步骤1:首先通过在屏蔽线圈中均匀布置的各个磁场测量探头6实时采集源磁场各个点的磁场强度,并将采集到的磁场强度传送到微控制器4;
步骤2:微控制器4处理各个磁场测量探头6传递过来的磁场强度数据,将其转化为控制可变电容器3电容值的电压值,将计算得到的电压值发送至可变电容器3,电压值的具体计算步骤如下:
2.1,将磁场检测模块1中各个磁场测量探头6实时采集的磁场强度值转化为抵消相应磁场强度的磁场所需串入的电容值Ci,公式如下:
其中,R为屏蔽线圈内阻,L为屏蔽线圈电感,B0(t)为t时刻磁场测量探头检测到的磁场强度,ω为源磁场的角频率,μ0=4π×10-7(H/m),为真空磁导率,r为屏蔽线圈的等效半径,s为无源屏蔽线圈的面积,N为屏蔽线圈的匝数。
公式(1)的推导过程如下:
a,首先得到源磁场的感应电压u的表达式:
源磁场表达式为:By=B0(t) (2);
电压u为:
b,感应电流i:
其中,为无源屏蔽线圈的阻抗。
c,感生磁场Bg为:
d,得到合磁场B,计算公式如下:
B=By+Bg (6);
在理想情况下,取合磁场B为0,即有:
于是得到
2.2,求磁场检测模块1中各个磁场测量探头6实时采集的磁场强度值转化为抵消相应磁场强度的磁场所需串入的电容值Ci的平均值,计算公式如下:
2.3,将电容值C转化为电压值,转化公式如下:
步骤3:可变电容器3接收到微控制器4传送的电压值,根据电压值调节电容值到能够屏蔽源磁场的电容值,从而调节屏蔽线圈阻抗值,进而调节屏蔽线圈的感应磁场的大小,达到抵消源磁场的目的。
屏蔽效果验证:在频段850kHz~3.5MHz取32个点验证该屏蔽器的屏蔽效果,分别测取未加屏蔽器时测试点磁场强度值Bw和加屏蔽器后测试点磁场强度值Bp计入表1:
对表1中的测量值进行数据拟合,未加屏蔽器时测试点磁场强度值Bw拟合出的曲线为fit1,加屏蔽器后测试点磁场强度值Bp拟合出的曲线为fit2,如图3所述,从图3中可以看出,本发明的屏蔽器可屏蔽大概80%的磁场,故本发明的屏蔽器的屏蔽效果是比较明显的。
表1 屏蔽前与屏蔽后磁场强度的比较
频率f(MHz) | 3.5 | 3.31 | 3.04 | 2.91 | 2.76 | 2.53 | 2.31 | 2.1 |
Bw(uT) | 53.6 | 53.23 | 53.02 | 52.17 | 51.86 | 51.03 | 50.88 | 50 |
Bp(uT) | 15 | 14.27 | 14.59 | 14.01 | 13.89 | 13.45 | 12.61 | 11.34 |
频率f(MHz) | 2.04 | 1.9 | 1.7 | 1.49 | 1.39 | 1.33 | 1.25 | 1.16 |
Bw(uT) | 47.8 | 46.9 | 45.8 | 44.6 | 44.2 | 43.5 | 42.7 | 42.5 |
Bp(uT) | 10 | 9.9 | 9.8 | 8.2 | 8.1 | 7.9 | 7.7 | 7.67 |
频率f(MHz) | 1.11 | 1.05 | 1.04 | 1 | 0.99 | 0.94 | 0.92 | 0.88 |
Bw(uT) | 42.3 | 42.28 | 41.47 | 40 | 39.79 | 39.67 | 39.54 | 39.22 |
Bp(uT) | 7.42 | 7.29 | 7.25 | 7.19 | 7.07 | 7.01 | 6.89 | 6.47 |
频率f(MHz) | 0.85 | 0.83 | 0.81 | 0.72 | 0.67 | 0.64 | 0.58 | 0.5 |
Bw(uT) | 38.78 | 38.24 | 37.9 | 37.7 | 36.8 | 36.1 | 35.7 | 35 |
Bp(uT) | 6.2 | 6 | 5.45 | 5.27 | 4.9 | 4.7 | 4 | 3.8 |
本发明的无源可调磁场屏蔽器,屏蔽能力强,可以动态实时调节对源磁场的屏蔽,屏蔽灵活性好,减小了对周围人体及电气设备的不利影响,同时解决了有源磁场屏蔽器在功率损耗和制造成本高的问题,给无源磁场屏蔽器技术领域提供了一种自动化的简易动态无损耗式的磁场屏蔽器及屏蔽方法。
Claims (6)
1.一种无源可调磁场屏蔽器,其特征在于,其包括微控制器(4),微控制器(4)分别连接有磁场检测模块(1)、可变电容器(3)、电源(5),所述可变电容器(3)还分别与磁场屏蔽器模块(2)、电源(5)连接,磁场检测模块(1)设置在磁场屏蔽器模块(2)的内部;电源(5)采用WD-990微机电源,微控制器(4)的电源正极和电源(5)的+5V相连,电源负极和电源(5)的地相连;可变电容器(3)的电源正极和电源(5)的+15V相连,电源负极和电源(5)的地相连;磁场屏蔽器模块(2)是由N匝线圈构成的屏蔽线圈,由2~4mm2多股导线绕制而成,屏蔽线圈的两端分别与可变电容器(3)的两端相连;磁场检测模块(1)由多个磁场测量探头(6)组成,多个磁场测量探头(6)均匀分布在屏蔽线圈中,且分别与微控制器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种无源可调磁场屏蔽器,其特征在于,微控制器(4)采用MSP430F6638,可变电容器(3)采用MK042。
3.根据权利要求1所述的一种无源可调磁场屏蔽器,其特征在于,磁场测量探头(6)采用各向异性磁阻传感器HMCl021S。
4.一种磁场屏蔽方法,其特征在于,采用无源可调磁场屏蔽器,其包括:微控制器(4),微控制器(4)分别连接有磁场检测模块(1)、可变电容器(3)、电源(5),所述可变电容器(3)还分别与磁场屏蔽器模块(2)、电源(5)连接,磁场检测模块(1)设置在磁场屏蔽器模块(2)的内部;磁场屏蔽器模块(2)是由N匝线圈构成的屏蔽线圈,由2~4mm2多股导线绕制而成,屏蔽线圈的两端分别与可变电容器(3)的两端相连;磁场检测模块(1)由多个磁场测量探头(6)组成,多个磁场测量探头(6)均匀分布在屏蔽线圈中,且分别与微控制器(4)连接;
其磁场屏蔽方法包括以下步骤:
步骤1:首先通过在屏蔽线圈中均匀布置的各个磁场测量探头(6)实时采集源磁场各个点的磁场强度,并将采集到的磁场强度传送到微控制器(4);
步骤2:微控制器(4)处理各个磁场测量探头(6)传递过来的磁场强度数据,将磁场强度值转化为控制可变电容器(3)电容值的电压值,将计算得到的电压值发送至可变电容器(3);
其中,微控制器(4)中处理得到控制可变电容器(3)电容值的电压值U的具体计算步骤如下:
2.1,将磁场检测模块(1)中各个磁场测量探头(6)实时采集的磁场强度值转化为抵消相应磁场强度的磁场所需串入的电容值Ci,公式如下:
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msup>
<mi>&omega;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>L</mi>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>N</mi>
<mi>s</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mi>ln</mi>
<mi> </mi>
<msub>
<mi>B</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>r</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mi>R</mi>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中,R为屏蔽线圈内阻,L为屏蔽线圈电感,B0(t)为t时刻磁场测量探头检测到的磁场强度,ω为源磁场的角频率,μ0=4π×10-7(H/m),为真空磁导率,r为屏蔽线圈的等效半径,s为屏蔽线圈的面积,N为屏蔽线圈的匝数;
2.2,求磁场检测模块(1)中各个磁场测量探头(6)实时采集的磁场强度值转化为抵消相应磁场强度的磁场所需串入的电容值Ci的平均值,计算公式如下:
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>n</mi>
</mfrac>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>;</mo>
</mrow>
2.3,将电容值C转化为电压值,转化公式如下:
<mrow>
<mi>U</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>l</mi>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>C</mi>
</mrow>
</msqrt>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
<mo>;</mo>
</mrow>
步骤3:可变电容器(3)接收到微控制器(4)传送的电压值,根据电压值调节电容值到能够屏蔽源磁场的电容值,从而调节屏蔽线圈阻抗值,进而调节屏蔽线圈的感应磁场的大小,达到抵消源磁场的目的。
5.根据权利要求4所述的一种磁场屏蔽方法,其特征在于,电源(5)采用WD-990微机电源,微控制器(4)的电源正极和电源(5)的+5V相连,电源负极和电源(5)的地相连;可变电容器(3)的电源正极和电源(5)的+15V相连,电源负极和电源(5)的地相连。
6.根据权利要求4所述的一种磁场屏蔽方法,其特征在于,微控制器(4)采用MSP430F6638,可变电容器(3)采用MK042,磁场测量探头(6)采用各向异性磁阻传感器HMCl021S。
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