摘? 要: 基于基爾霍夫定律和需要模擬的閃電磁場(chǎng),計(jì)算了螺線管線圈的參數(shù),制作了一個(gè)脈沖線圈對(duì)雷電脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行模擬;并根據(jù)電磁感應(yīng)定律繞制了一個(gè)小的探測(cè)點(diǎn)線圈,對(duì)脈沖線圈的磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了測(cè)量。表明脈沖線圈內(nèi)的磁場(chǎng)參數(shù)與理論計(jì)算基本吻合,且能夠在大線圈內(nèi)提供一定的均勻場(chǎng)環(huán)境,以對(duì)敏感器件進(jìn)行電磁效應(yīng)試驗(yàn)。?

　　關(guān)鍵詞: 螺線管線圈? 雷電電磁脈沖(LEMP)? 點(diǎn)線圈?

?

　　閃電是一種強(qiáng)烈的瞬時(shí)放電現(xiàn)象,發(fā)生頻率很高,全球每秒約發(fā)生1000次。在發(fā)生閃擊時(shí),閃電通道中會(huì)有高達(dá)幾百萬(wàn)V的脈沖電壓、幾萬(wàn)A的脈沖電流,電流上升率會(huì)達(dá)到幾萬(wàn)A/μs,所以在閃電通道周圍的空間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電電磁脈沖(LEMP)^[1]。隨著微電子技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,LEMP對(duì)各種含有微電子器件的電子產(chǎn)品和電氣產(chǎn)品的威脅越來(lái)越嚴(yán)重,對(duì)人類造成的損失逐年增加,對(duì)人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。所以,模擬閃電的脈沖磁場(chǎng)環(huán)境,對(duì)敏感器件進(jìn)行LEMP的敏感度試驗(yàn),顯得非常有意義^[2～3]。?

1 脈沖磁場(chǎng)的模擬?

　　在模擬脈沖磁場(chǎng)時(shí),采用了向細(xì)銅絲繞制的螺線管注入浪涌電流的方法。浪涌電流由一臺(tái)日本生產(chǎn)的三基雷擊浪涌發(fā)生器產(chǎn)生,該發(fā)生器可以由不同的電容組合產(chǎn)生不同的浪涌波形。選擇模擬8/20μs的雷電流波形[4]。在注入浪涌電流后,忽略螺線管線圈的電容效應(yīng),其等效電路如圖1所示。線圈電感為:?

　　L=μ₀N²πD²/H?????????????????????????????????????????? ?(1)?

　　電阻為:?

　　R=2DNρ/d²????????????????????????????????????????????? ?(2)?

??? 其中,D為線圈直徑,H是線圈長(zhǎng)度,d為銅線的半徑,ρ是其電阻率(對(duì)于銅線而言,ρ為1.6×10^-8Ω/m),N為線圈匝數(shù)。?

　　注入浪涌電流后,線圈上的電路方程為:?

　　?

　　設(shè)ε(t)=ε₀(e^-αt-e^-βt)??????????????? ????????????????? (4)?

　　(4)式中,ε(t)表示的電壓為加到線圈兩端的電壓。?

　　把(4)式帶入(3)式得到斷開浪涌注入后線圈中的電流:?

?????

　　要讓線圈上的電流與在線圈上所加的雷電波波形一致,那么得讓第三項(xiàng)為0或者比較小。這有兩種途徑,一是讓第三項(xiàng)的指數(shù)項(xiàng)為0,二是讓其系數(shù)為0。?

　　我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)R/L=(2DNρ/d²)/(μ₀N²πD²/H)=2ρH/(μ₀πd²ND)>>β>α?xí)r,則第三項(xiàng)的指數(shù)項(xiàng)比前兩項(xiàng)小得多,基本可以忽略;與此同時(shí),第三項(xiàng)的系數(shù)也接近為0。所以(5)式中只有第一項(xiàng)和第二項(xiàng)起作用,由此可見,回路電流也大致為與所加電壓波接近的雙指數(shù)函數(shù),其峰值在:?

　　?

??? 其中,n為螺線管單位長(zhǎng)度上的線圈匝數(shù)。?

　　所以根據(jù)計(jì)算得出的某處磁場(chǎng)的強(qiáng)度就可以近似地知道所要加到線圈上的電壓。根據(jù)對(duì)不同情況下的閃電電磁場(chǎng)的計(jì)算,繞制了長(zhǎng)50cm、匝數(shù)為10、直徑為30cm的脈沖線圈。?

2 脈沖磁場(chǎng)的測(cè)量?

　　通過(guò)理論對(duì)線圈的參數(shù)和磁場(chǎng)波形進(jìn)行了推導(dǎo),但是還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量脈沖線圈內(nèi)的磁場(chǎng)。?

　　電磁感應(yīng)法是以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的一種經(jīng)典磁場(chǎng)測(cè)量方法^[5]。當(dāng)把匝數(shù)為N、截面積為S的圓柱形探測(cè)線圈放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B₀的被測(cè)磁場(chǎng)中時(shí),如果采取某種方法使線圈中所耦合的磁通Φ發(fā)生變化,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,就會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。即:?

?????

　　眾所周知,由探測(cè)線圈所測(cè)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度,一般是線圈內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度。為減少被測(cè)磁場(chǎng)的不均勻性所造成的誤差,應(yīng)該選取截面積小、長(zhǎng)度短的“點(diǎn)”狀探測(cè)線圈。球型探測(cè)線圈是一種理想的“點(diǎn)”線圈,但是由于其繞制工藝復(fù)雜,所以很少推廣使用。一般都采用按一定幾何尺寸設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單圓柱形探測(cè)線圈。雖然這種圓柱線圈已經(jīng)失去“點(diǎn)”線圈的意義,但是對(duì)于一般情況,是可以足夠接近“點(diǎn)”線圈的。圓柱形“點(diǎn)”線圈滿足的幾何尺寸條件為^[6]:?

　　?

??? 式中,D₁是線圈內(nèi)徑,D₂是線圈外徑,l是線圈長(zhǎng)度,沿磁感應(yīng)強(qiáng)度方向。?

　　如果線圈內(nèi)徑很小,則(12)式可以寫為:?

　　?

　　如果為薄層線圈,即D₁≈D₂≈D₀時(shí),(12)式可以寫為:?

??? 其中,D₀是骨架的直徑。?

　　探測(cè)線圈的NS乘積是一個(gè)常數(shù),稱為線圈常數(shù),用計(jì)算法確定線圈常數(shù)時(shí),可以按照下式計(jì)算:?

　　?

??? 其中,d為線圈繞組導(dǎo)線的直徑(包括絕緣層)。?

　　只要測(cè)量出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)時(shí)間的積分量,就可以求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀的變化量:?

　　?

　　根據(jù)探測(cè)線圈相對(duì)于被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系,電磁感應(yīng)法可分為:固定線圈法、旋轉(zhuǎn)線圈法、拋移線圈法和振動(dòng)線圈法。我們選擇固定線圈法來(lái)測(cè)量。用自制單層圓柱形探測(cè)線圈對(duì)脈沖線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。探測(cè)小線圈的直徑為1.6cm,匝數(shù)為8,小線圈的銅線直徑為0.2mm。在脈沖線圈兩端注入的電壓波形為8/20μs,所加電壓為500V。線圈內(nèi)的磁場(chǎng)變化率(也就是小探測(cè)線圈上的電壓波形與積分后的磁場(chǎng)波形)如圖2、圖3所示。?

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　　圖2所示的是探測(cè)線圈上感應(yīng)電壓的波形,也就是磁場(chǎng)導(dǎo)數(shù)與線圈常數(shù)乘積的波形。圖3是對(duì)圖2進(jìn)行積分并除以探測(cè)線圈的線圈常數(shù)得到的磁場(chǎng)波形?？梢钥吹接捎诟蓴_的存在,使感應(yīng)電壓的波形在開始的瞬間為負(fù)極性,進(jìn)一步導(dǎo)致積分后的磁場(chǎng)也在開始瞬間出現(xiàn)負(fù)值。利用探測(cè)線圈對(duì)脈沖線圈內(nèi)的磁場(chǎng)與線圈兩端所加電壓的關(guān)系進(jìn)行了探索,把探測(cè)小線圈放置在大線圈正中央位置測(cè)量,逐步提高放電電壓,得到如表1所示的數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)脈沖線圈內(nèi)磁場(chǎng)的均勻性進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)量縱向均勻性時(shí),把探測(cè)線圈放置在大線圈軸線位置上,由一端向另一端移動(dòng),步長(zhǎng)為5cm;測(cè)試徑向均勻性時(shí),把探測(cè)線圈放置于大線圈正中央,然后向徑向移動(dòng),步長(zhǎng)為1.5cm。測(cè)試結(jié)果分別如表2和表3所示。?

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　　從表1可以得出這樣的結(jié)論:大線圈的磁場(chǎng)與浪涌發(fā)生器在線圈兩端所加電壓有良好的線性關(guān)系;而表2和表3的數(shù)據(jù)顯示,大線圈在中央?yún)^(qū)域能夠提供一個(gè)長(zhǎng)20cm、半徑為6cm的磁場(chǎng)幅值波動(dòng)在8%范圍內(nèi)相對(duì)均勻的脈沖磁場(chǎng)環(huán)境。?

　　根據(jù)電磁感應(yīng)定律制作的脈沖磁場(chǎng)線圈和探測(cè)點(diǎn)線圈能夠模擬相應(yīng)的閃電脈沖磁場(chǎng)。根據(jù)對(duì)不同距離處閃電磁場(chǎng)的計(jì)算,可以調(diào)整注入到脈沖線圈兩端的浪涌發(fā)生器的脈沖電壓;另外,可以調(diào)整線圈參數(shù)來(lái)模擬不同的閃電磁場(chǎng)波形。通過(guò)對(duì)線圈內(nèi)磁場(chǎng)環(huán)境的測(cè)試,表明可以利用該環(huán)境對(duì)中小電磁敏感器件進(jìn)行閃電磁場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)。?

參考文獻(xiàn)?

1 虞 昊， 臧庚媛，張勛文.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ). 北京:清華大學(xué)出版社， 1995?

2 陳亞洲， 魏光輝， 魏 明. LEMP對(duì)EED的發(fā)火危害性研究. 兵工學(xué)報(bào)， 2001;22(3):419～422?

3 齊杏林.引信電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法與效應(yīng)研究.石家莊:軍械工程學(xué)院， 1997?

4 IEC1312 雷電電磁脈沖的防護(hù),1997?