CN207965113U - 低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，低频脉冲强磁场模拟器控制系统与大型螺旋线圈连接，为大型螺旋线圈提供脉冲电流，在大型螺旋线圈周围形成脉冲强磁场，大型螺旋线圈中心位置设置被测屏蔽体，在被测屏蔽体内部放置脉冲磁场光纤测量装置，在大型螺旋线圈中心、被测屏蔽体迎波面处放置脉冲磁场光纤测量装置，两个脉冲磁场光纤测量装置经光纤与处于大型螺旋线圈外部的光电转换器连接，光电转换器和数字示波器连接，光电转换器和数字示波器利用屏蔽测量间包围。本装置可对大型屏蔽体磁饱和效能进行有效测量，测量结果真实可靠，可全面、系统的分析和评估屏蔽体在低频脉冲强磁场环境下的磁饱和性能。

Description

低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置

技术领域

本实用新型涉及磁饱和性能测试领域，具体涉及一种低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置。

背景技术

磁饱和现象是铁磁性材料近似被完全磁化后出现的一种物理状态，其物理原理是材料内部几乎所有自发磁畴（已经达到磁饱和状态）的磁化方向均与外界磁场一致。此时，随着外界磁化场的继续增加，材料内部磁感应强度几乎不再增加，对磁场的屏蔽效能会显著降低。在低频脉冲强磁场防护应用中，使用冷轧钢板、纯铁板等铁磁性材料制作的屏蔽体作为防护设施的情况很多，且一般体积比较大，主要用于保护重要的电磁敏感设备。由于铁磁性材料磁导率通常比空气高出百倍以上，磁阻相对较低，同时大型屏蔽体受到磁场的辐射面积较大，根据磁场低磁阻分流原理，低频脉冲强磁场可由屏蔽体迎波面低磁阻通路汇集到与迎波面连接并与磁场平行的四个侧壁上，由于屏蔽体壳体厚度相对较薄，一般在2mm以内，屏蔽体四个侧壁可能会达到磁饱和状态，屏蔽体的屏蔽效能由此可能大幅下降。

核武器地面爆炸条件下，由于爆炸环境的极度不对称性，其产生的电磁脉冲也最为强烈，能在地表产生磁感应强度峰值达数百高斯、脉冲持续时间达到毫秒级、主能谱范围在10Hz～100kHz之间的低频低阻抗脉冲强磁场，这种低频成分丰富的强电磁能量能够穿透数百米的岩体而进入地下工程内部，严重影响工程内部屏蔽体的屏蔽效能，对地下防护工程构成了严重威胁。因此，研究实际应用中常用屏蔽体在低频脉冲强磁场作用下的磁饱和效应规律十分必要。

关于磁饱和方面的研究，在静磁场方面已经成熟，主要工作集中在非稳态磁场及与其它专业学科交叉研究等方面。国外在新型材料的磁特性研究方面开展工作相对较多，如薄膜磁性材料等，研究其在强磁场作用下磁特性变化规律。国内目前主要在变压器、继电器、电抗器、电机、磁场探测、电磁炮等方面开展磁饱和相关的研究工作。上述研究工作主要应用于小型场合，空间尺寸较小，而且较容易出现磁饱和现象。目前，关于大型常规屏蔽体的磁饱和特性研究主要从理论上做了分析和预判，并没有试验结果佐证。并且，由于缺乏大型低频脉冲强磁场模拟源，磁饱和效应测试工作一直没有深入开展，低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试方法并没有标准或规范。

根据静磁场理论，对于一个屏蔽体来说，磁力线主要从低磁阻通路中通过，绕过了需要保护的区域，磁屏蔽体由此实现了磁场屏蔽作用。在磁场强度达到饱和磁化场强度时，屏蔽体侧壁内则达到饱和磁感应强度，此后，磁化场继续增加时，增加的磁场便会分散到空间中，造成屏蔽体屏蔽性能下降。但在实际应用中，不能将静磁场的分析直接应用到脉冲磁场上，因为脉冲磁场会产生涡流效应，此时会抵消一部分磁场，且对于脉冲磁场来说，虽然屏蔽体提供了一种低磁阻通路，但没能形成引导磁场通过的闭合路线（因为磁力线始终是闭合曲线），处于断路状态，这种情况会导致屏蔽体产生类似一个大磁铁的退磁效应，即具有很大的退磁因子，退磁效应引起的材料内部的反向磁场甚至可以达到与磁化场相比拟的强度，因此不易磁化，很难饱和。

根据上述分析结果和现有研究成果，想要在实验室之外观察或实现产品的磁饱和效应十分不易，没有足够强的磁场和适当的条件是不太可能使其达到磁饱和状态，这要求研究过程中一方面要创造尽量完善的实现磁饱和的环境条件，如使用准静态磁场、加大磁化场强度、尽量减小屏蔽体与磁场平行侧壁的厚度等，另一方面要选取合适的观察方法获取难得的磁饱和现象，由于屏蔽体即使出现磁饱和现象，也是四周侧壁的局部饱和，甚至是侧壁中一定厚度范围内的局部饱和，发生饱和现象后，继续增加的磁化场不能聚集在低磁阻通路内，逐渐分散，此时若磁化场没有明显的增量，磁饱和产生后异常现象常常难以观察，因此需要选取科学合理的观察方法和观测点。

实用新型内容

为克服背景技术中存在的不足，本实用新型提供了一种低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，可对大型（≤3.5m³）屏蔽体磁饱和效能进行有效测量，测量结果真实可靠，可全面、系统的分析和评估屏蔽体在低频脉冲强磁场环境下的磁饱和性能。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，其特征在于包括低频脉冲强磁场模拟器控制系统，低频脉冲强磁场模拟器控制系统与大型螺旋线圈连接，并为大型螺旋线圈提供脉冲电流，在大型螺旋线圈周围形成脉冲强磁场，大型螺旋线圈中心位置设置被测屏蔽体，被测屏蔽体由支撑木地板支撑，在被测屏蔽体内部放置一个脉冲磁场光纤测量装置，在大型螺旋线圈中心、被测屏蔽体迎波面处放置一个脉冲磁场光纤测量装置，两个脉冲磁场光纤测量装置经光纤与处于大型螺旋线圈外部的光电转换器连接，光电转换器和数字示波器连接，光电转换器和数字示波器利用屏蔽测量间包围。

对上述方案作进一步补充，所述的脉冲磁场光纤测量装置包括信号处理模块，信号处理模块接收端设有BNC接头，BNC接头与圆形测试线圈连接，信号处理模块发送端设有光纤接头，光纤接头与光纤连接，其中信号处理模块对测试线圈感应的电压信号进行处理后转换为光信号。

对上述方案作进一步补充，所述的大型螺旋线圈为可调参数铜管螺线圈，由多匝线圈组成，多匝线圈为并联或者串联，其直径大于5m，长度大于8m，其内部测试区域不小于3.5m³。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型中的低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，可以对大型螺旋线圈周围产生的磁场进行调节，使其内部的大型（≤3.5m³）屏蔽体进入磁饱和状态，利用脉冲磁场光纤测量装置和光电转换器，很方便的检测内部磁场变化情况，便于对屏蔽体磁饱和效能进行有效测量。

附图说明

图1是本实用新型中屏蔽体低频脉冲强磁场磁饱和性能测量示意图；

图2是本实用新型中脉冲磁场光纤测量装置结构示意图；

图3是屏蔽体低频脉冲强磁场磁饱和性能测量点分布示意图；

图4是屏蔽体侧壁测量方式示意图；

图5是屏蔽体迎波面测量方式示意图；

图6是屏蔽体材料内部测量方式示意图；

图7是图6的另一个方向视图；

图中：1、支撑木地板；2、大型螺旋线圈；3、被测屏蔽体；4、脉冲磁场光纤测量装置；5、光纤；6、光电转换器；7、数字示波器；8、屏蔽测量间；

9、测试线圈；10、BNC接头；11、信号处理模块；12、光纤接头；

13、屏蔽体中心；14、屏蔽体侧壁中心外侧；15、屏蔽体侧壁中心内侧；16、屏蔽体迎波面中心外侧；17、屏蔽体迎波面中心内侧；18、屏蔽体侧壁中心材料内部；19、穿线孔；20、柔性线圈；21屏蔽体侧壁；22、迎波面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图1为屏蔽体低频脉冲强磁场磁饱和性能测量示意图，其具体包括支撑木地板1、大型螺旋线圈2、被测屏蔽体3、脉冲磁场光纤测量装置4、光纤5、光电转换器6、数字示波器7和屏蔽测量间8；支撑木地板1主要用于支撑被测屏蔽体3和固定大型螺旋线圈2，被测屏蔽体3置于大型螺旋线圈2中心位置，在被测屏蔽体3内部放置一个脉冲磁场光纤测量装置4，在大型螺旋线圈2中心、被测屏蔽体3迎波面处放置一个脉冲磁场光纤测量装置4，两个脉冲磁场光纤测量装置4经光纤5与处于大型螺旋线圈2外部的光电转换器6连接，光电转换器6和数字示波器7连接，光电转换器6和数字示波器7利用屏蔽测量间8包围。大型螺旋线圈2内通过的电流产生低频脉冲强磁场；脉冲磁场光纤测量装置4，用于磁场信号的测量；光纤5用于测试信号的传输；光电转换器6将测试传输的光信号转换成测量仪器可测量的电信号；数字示波器7用于测量信号的显示；屏蔽测量间8防止磁场信号产生干扰。

大型螺旋线圈2周围的低频脉冲强磁场，利用现有的模拟设备产生。低频脉冲强磁场模拟器控制系统的等效电路，是由充电回路和放电回路组成，其中充电回路包括直流高压发生器、充电开关、限流电阻和可调电容，放电回路包括可调电容、放电开关、可调电阻、可调电感和大型螺旋线圈，其中可调电容为充电电路和放电电路共同部分，直流高压发生器通过充电开关和限流电阻给可调电容充电到给定电压后，由放电开关将脉冲电容储存的能量通过可调电阻和可调电感对大型螺旋线圈放电，产生低频脉冲强磁场。具体是利用低频脉冲强磁场模拟器控制系统产生电流，低频脉冲强磁场模拟器控制系统与大型螺旋线圈2连接，并为大型螺旋线圈2提供脉冲电流，电流经过大型螺旋线圈2产生典型地面核爆炸低频脉冲强磁场辐射波形。低频脉冲强磁场模拟器控制系统控制电流，通过调整可调电阻、可调电感和可调电容使波形的脉冲宽度、上升时间、幅值满足要求。

本实用新型中采用的大型螺旋线圈3为可调参数铜管螺线圈，由多匝线圈组成，多匝线圈为并联或者串联，直径为6m，长度1为10m，其内部测试区域不小于3.5m³。实际使用中根据参数调整范围产生的典型磁场波形为双指数脉冲，最高磁感应强度不小于30mT，试验空间不小于3.5m³，脉冲上升时间不大于500μs，脉冲宽度不大于2ms，且参数连续可调。被测屏蔽体3放在大型螺旋线圈2的中心，并由支撑木地板1支撑，限于有效试验空间的大小，被测屏蔽体3尺寸要求不大于3.5m³；磁场信号由脉冲磁场光纤测量装置4进行测试。

附图2为脉冲磁场光纤测量装置4结构示意图，其包括信号处理模块11，信号处理模块11接收端设有BNC接头10，BNC接头10与圆形测试线圈9连接，信号处理模块11发送端设有光纤接头12，光纤接头12与光纤5连接，其中信号处理模块11对测试线圈9感应的电压信号进行处理后转换为光信号。测试线圈9为涂有绝缘漆的圆形结构铜线；标准BNC接头10用于无损连接信号处理模块；信号处理模块11对于测试线圈感应的电压信号进行后续处理，转换为光信号；光纤接头12用于连接信号传输光纤5将信号传输至光电转换器6。脉冲磁场光纤测量装置4测量的磁场信号为与磁场传感器环平面垂直方向的磁场分量。主要技术指标为：磁感应强度测量范围：0～40mT，可根据线圈大小（面积）调整，最大扩展至1.5T；系统频响范围：1Hz～10MHz；电压磁场转换系数:30～40mT/V；传输距离：≤50m；测量不确定度:3.2%。

利用脉冲磁场光纤测量装置4进行大型螺旋线圈3磁场信号测试，测试过程中为：利用一套脉冲磁场光纤测量装置4放置于屏蔽体迎波面距离1m处（经过实际测试验证，距离迎波面大于1m时，其测试的磁场信号与真实的空场信号最为接近）测试磁场信号作为被测屏蔽体3处辐照磁场值，被测屏蔽体3内部各个测试点处各放置一套脉冲磁场光纤测量装置4，同步测试被测屏蔽体3各个测试点的耦合磁场值；测试信号通过光纤5实时传输到光电转换器6转换为电信号，后经测量数字示波器7进行测试和显示。

利用上述测试系统进行测量，具体包括下列步骤：

(1) 将被测屏蔽体放于大型螺旋线圈有效工作空间中心，使被测屏蔽体的中心与大型螺旋线圈的中心对齐；

(2) 在被测屏蔽体内如图3所示的6个测试位置放置相应的脉冲磁场光纤测量装置，其中13~17位置的利用图2所示的脉冲磁场光纤测量装置进行测试，18位置利用图4所示的脉冲磁场光纤测量装置进行测试，在距离迎波面1m处放置一套脉冲磁场光纤测量装置对真实值进行测试；

(3) 利用低频脉冲强磁场模拟器控制系统控制产生一定参数的低频脉冲强磁场信号，对步骤（2）中7个位置的测试信号进行记录；

(4)不断调整波形参数，进行不同试验条件下响应信号测试；

(5)试验完成后对图4所示脉冲磁场光纤测量装置进行标定，以确定场值计算换算系数；

(6) 对测到的脉冲磁场波形数据进行数字滤波去除干扰噪声，利用各套脉冲磁场光纤测量装置转换系数计算出测试得到的脉冲磁场峰值，被测屏蔽体脉冲磁场屏蔽效能由式（1）计算：

（1）

式(1)中的是脉冲磁场真实值，即距离迎波面1m处的脉冲磁场光纤测量装置测试值；是屏蔽体内相应测试点的测试值；

(7)将屏蔽体所有测试点测得的脉冲磁场峰值以及屏蔽体内部各测试点屏蔽效能测量值绘成曲线，并进行曲线拟合，分析脉冲磁场在屏蔽体各个位置的变化规律，对屏蔽体磁饱和性能进行综合分析。

上述测量方法中，6个测试位置是通过观察屏蔽体迎波面内外侧、侧壁内外侧、侧壁材料内部以及屏蔽体中心6个位置的磁场变化情况及对比分析屏蔽体磁场分布规律和屏蔽效能的变化情况，来综合判断屏蔽体是否达到磁饱和状态。测试位置如图3所示。其中，13为屏蔽体中心；14为屏蔽体侧壁中心外侧；15为屏蔽体侧壁中心内侧；16为屏蔽体迎波面中心外侧；17为屏蔽体迎波面中心内侧；18为屏蔽体侧壁中心材料内部。在这6个位置中，迎波面内外侧用于观察对比磁场涡流强度、实际透入磁场强度，以此估算沿迎波面汇集到四侧的磁场分量；16测试位置用于观察磁场入射到屏蔽体迎波面分量及估算反射、涡流分量；17测试位置用于观察直接通过迎波面进入屏蔽体内的磁场分量；侧壁内外的两个位置用于比较脉冲磁场强度线性递增关系，按照磁饱和理论，磁饱和后材料磁导率的变化会引起两侧磁感应强度会有一个较为明显偏离饱和前磁场递增规律的变化；14测试位置用于观察屏蔽体侧壁外侧由于涡电流和磁场聚集、分流作用而形成的总场强度；15测试位置用于观察屏蔽体侧壁内侧由于扩散、直接穿透及内部反向涡电流形成的总场情况；屏蔽体内中心场强用于分析屏蔽体屏蔽效能变化规律，观察磁饱和效应对屏蔽效能的影响，并为其它观测点提供一个参考值；屏蔽体侧壁中心材料内部磁感应强度的变化规律用于判断屏蔽体所用材料在低频脉冲强磁场环境中是否达到磁饱和状态。

对于图3中所示的6个测试位置，13~17位置的利用图2所示的脉冲磁场光纤测量装置进行测试即可。测试中需要注意，测试线圈9需要与磁场来波方向垂直放置，测试线圈9贴紧屏蔽体上各测试位置，测试方式如图4和5所示。

对于图3中18测试位置而言，根据电磁感应原理和材料的磁饱和特点，采用了一种用于判断磁性材料及其磁屏蔽体磁性状态的快捷测试方法，如图6和7所示，大致过程如下：首先在屏蔽体侧壁金属板中钻出两个穿线孔19，孔径要小，以减少开孔对磁场分布的影响，孔间距以传感器量程为参考，不易过大，但也不能太小，否则孔洞影响将会相对增大，然后将涂有绝缘漆的柔性线圈20穿过小孔，在金属板同侧将其两端交叉(交叉位置贴紧屏蔽体侧壁金属板)一次后连接转换BNC接头10，并与信号处理模块11连接，最后将待测屏蔽体侧壁金属板与磁场来波方向平行放置，测试线圈9及信号处理模块11均与待测屏蔽体3侧壁金属板贴紧，固定牢固，减少板材表面场强的耦合，保证测试值主要为材料内部场强值。测试后需要利用非磁性板材按照同样的方法对含有柔性线圈20的脉冲磁场光纤测量装置进行标定，以确定场值计算换算系数，方便测试数据的后续处理。

Claims (3)

1.一种低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，其特征在于包括低频脉冲强磁场模拟器控制系统，低频脉冲强磁场模拟器控制系统与大型螺旋线圈（2）连接，并为大型螺旋线圈（2）提供脉冲电流，在大型螺旋线圈（2）周围形成脉冲强磁场，大型螺旋线圈（2）中心位置设置被测屏蔽体（3），被测屏蔽体（3）由支撑木地板（1）支撑，在被测屏蔽体（3）内部放置一个脉冲磁场光纤测量装置（4），在大型螺旋线圈（2）中心、被测屏蔽体（3）迎波面处放置一个脉冲磁场光纤测量装置（4），两个脉冲磁场光纤测量装置（4）经光纤（5）与处于大型螺旋线圈（2）外部的光电转换器（6）连接，光电转换器（6）和数字示波器（7）连接，光电转换器（6）和数字示波器（7）利用屏蔽测量间（8）包围。

2.根据权利要求1所述的低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，其特征在于：所述的脉冲磁场光纤测量装置（4）包括信号处理模块（11），信号处理模块（11）接收端设有BNC接头（10），BNC接头（10）与圆形测试线圈（9）连接，信号处理模块（11）发送端设有光纤接头（12），光纤接头（12）与光纤（5）连接，其中信号处理模块（11）对测试线圈（9）感应的电压信号进行处理后转换为光信号。

3.根据权利要求1所述的低频脉冲强磁场环境下屏蔽体磁饱和性能测试装置，其特征在于：所述的大型螺旋线圈（2）为可调参数铜管螺线圈，由多匝线圈组成，多匝线圈为并联或者串联，其直径大于5m，长度大于8m，其内部测试区域不小于3.5m³。