低頻磁場的屏蔽解讀

1、低頻磁場的屏蔽對(duì)于許多人而言， 低頻磁場干擾是一種最難對(duì)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

2、 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(duì)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(duì)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，起到屏蔽作用用兩個(gè)并聯(lián)的電阻從這個(gè)機(jī)理上看，

3、 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。分別表示屏蔽材料的磁阻和空間的磁阻, 由此可以計(jì)算屏蔽效果。用電路分析的方法來計(jì)算磁場的分流,計(jì)算屏蔽效果H i = H 0 Rs /( Rs + R 0)式中：H i =屏蔽體內(nèi)的磁場強(qiáng)度H 0 =屏蔽體外的磁場強(qiáng)度Rs =屏蔽體的磁阻Ro =空氣的磁阻磁阻的計(jì)算公式磁阻=S /（卩A）因此圓形管子的磁阻為式中：S =磁路長度卩=m 0 m r卩r =屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率A=磁通流過的面積Rs = P b /（卩 0 屮 2t L ）為了簡單，設(shè)截面為正方形, 管子內(nèi)空氣的磁阻為：

4、R）= 2 b /（4屏蔽效能為:0 2b L)SE = H 0/H i對(duì)于高導(dǎo)磁率屏蔽材料,Rs < < RoSE = Ro / Rs = 2，因此，屏蔽效能為:m r t / P b從公式中可以看出, b越小，屏蔽效能越高，屏蔽材料的導(dǎo)磁率越高、越厚，則屏蔽效能越高。另外, 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 （卩）:表征材料為磁力線提供通路的能力， 卩=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

5、力線磁阻 （_）.表征材料對(duì)通過磁通的阻礙特性，定義為： R = L /卩A , L是 磁 （）:磁通路徑長度（cm , A截面面積（cmb3. 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

6、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）磁導(dǎo)率最咼起始鐵磁合金（80%!）8，000400， 00060

7、， 000鐵磁合金（48%!）15， 000150， 00012， 000硅鋼20， 0005，0003，000碳鋼22， 0003，0001，000圖3常用高磁導(dǎo)率的磁導(dǎo)率與外加磁場的關(guān)系4. 注意事項(xiàng)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 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, 用戶一定要自 己加工，記住要按照材料廠家提出的條件對(duì) 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，

8、一般要在干燥氫氣爐中以一定的速 率加熱到1177° C， 理的條件極其嚴(yán)格， 進(jìn)行熱處理。如果， 屏蔽體進(jìn)行熱處理， 熱處理。在對(duì)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

9、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(duì)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(duì)顯象管屏蔽，如圖 4 所示，另一種是對(duì)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。