磁屏蔽理關于和實踐

1、磁屏蔽理關于和實踐            摘要：在低頻（到）磁屏蔽中，設計低成本屏蔽體的最關鍵因素是對磁屏蔽的透徹理解。其目的是要達到減少所規(guī)定的磁場，這樣使其對所屏蔽的器件或系統(tǒng)不形成威脅。一旦這一目標被確定，就應考慮會影響到屏蔽體的低成本設計的一些基本設計因素。這些包括：材料的選擇、主要設計參數(shù)和加工工藝 關鍵詞：電磁屏蔽 材料選擇 設計 生產(chǎn)技術  、引言       在需要于極小空間內(nèi)降低磁場時，典

2、型上使用這些合金。在需要提供比要求更高屏蔽時，或是磁場強度（在較高場強時更為典型）需要具有更高飽和值材料時，這些材料常被選中。    在屏蔽目標僅需要稍微減少場強時（減少），或是當場強足以使高磁導率屏蔽體飽和時，超低碳鋼（）可能是最佳的選擇。這些較低成本材料的碳含量典型小于0.01；與其它鋼相比，其有較高的磁導率和極優(yōu)的飽和性能。這些材料具有較小的柔韌性，并比硅鋼較容易制造，這就允許在大面積屏蔽項目中容易安裝和以同樣的方式加工出小型組件。可與高磁導率材料一起使用，以為需要高飽和保護和高衰減等級建立最佳的屏蔽體。    對于低溫用的屏蔽

3、體，ryoperm（為德國Vaccumschmelze °時的磁導率卻增加倍。表示出了最常用的屏蔽材料的磁導率飽和值的比較。           飽和          磁導率材料         （高斯） （最大） （40）Amumetal（80%鎳）  8，000  400，

4、00        60，000Amunickel（48%鎳）15，000 150，000 12，000Cryoperm10    9，000 250，000 65，000超低碳鋼   22，000   4，000 1，000     設計低成本屏蔽體的最重要的一步，就是對這些典型屏蔽材料特性及其對屏蔽性能影響的了解。一旦合適的材料被選中，其重點要集中于基本的設計考慮，以使其不但性能最佳，而且對成本的影響最

5、小。、設計考慮大部分屏蔽體用的公式和模型的開發(fā)是基于圓形或無限長的圓柱體幾何形狀的。在實際應用中，所給定屏蔽體的實踐形狀由器件結(jié)構和屏蔽體自身的可利用空間所決定。在設計一屏蔽體時，要了解的重要的結(jié)構是，要使磁力線旋轉(zhuǎn)°是困難的。但是，圓形屏蔽體，比如要改變圓柱體或是具有圓形角的盒體的磁力線的方向要比具有方形角的屏蔽體容易一些。類似地，對于包容已進入屏蔽材料的磁力線并改變其方向，圓角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路徑的屏蔽體形狀簡單或磁場運動的"最低磁阻路徑"是很重要的。    2007-05-11  &

6、#160;       屏蔽體的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性極大。屏蔽體的有效半徑越小，其整體性能就越好。但是，設計屏蔽體的目的是使其包絡試圖屏蔽的組件和空間，并應該靠得很近。由于材料占屏蔽體設計的大部分成本，因此較小屏蔽體就可以在較低成本下獲得較優(yōu)的性能。 每當有可能，屏蔽體應與所有壁靠近，以避免場泄漏。這種結(jié)構（即使是矩形）也是最接近于圓形的，它可以建立一個半閉合的磁路。另外，全部箱體可在所有軸上獲得屏蔽特性，這樣就可以保證最好的屏蔽性能。當特殊的性能和進出口需要時，可移動的蓋板、罩和門均可組合到屏蔽體設計中去。利用蓋板、罩和

7、門時或使用兩塊或多塊板構建屏蔽體時，在多塊板間保持磁連續(xù)性和電接觸是很重要的?？赏ㄟ^機械式（利用磨擦組件）或焊接保持磁連續(xù)性。在拐角或過渡連接，使用焊接可獲得最佳性能。維持表面間的連續(xù)性就可以保證磁力線連續(xù)沿其低磁阻路徑前進，這樣可以提高屏蔽效能。在交流場，保持磁連續(xù)性就允許較高的感應電流屏蔽，在直流場，對于適當?shù)拇帕€分路，連續(xù)性也是重要的。  如果你不能靠近屏蔽體的一端或兩端，要特別注意開端的長一直徑比。屏蔽體的這種長-直徑比至少應為：，以避免"端接效應"和磁力線穿透屏蔽體范圍。經(jīng)驗法則是，屏蔽體需要延伸到器件的外部，這樣可以用與開孔半徑相等部分進行保護。由于

8、增加了屏蔽體的長度同時保持直徑不變，就可以用無限長圓柱體模型進行近似。當圓柱型或矩形屏蔽體需要大的開孔時，垂直于屏蔽體壁的的管可用于由于開孔而引起屏蔽體的磁場強度的減少。管的長度應正比于所屏蔽的開孔的直徑。在設計過程早期就應考慮這些問題，可使這些主要設計參數(shù)對屏蔽體的成本影響較小。但是，這些因素要比材料本身對屏蔽體性能的影響要大。這樣，在設計屏蔽體時，最先保證這些基本參數(shù)通常是需要的。、生產(chǎn)技術一種好的屏蔽體設計要涉及到加工過程，其可提供所需要的結(jié)構和特性。在過去，大部分磁屏蔽體是用標準的精密片狀金屬加工技術通過剪切、穿孔、成型和焊接加工出來的?，F(xiàn)在，利用先進的激光切割系統(tǒng)，個別部件的剪切和計

9、算機化的數(shù)字控制沖孔都由一步激光切割技術所代替。主要的屏蔽元件的一步加工技術可使加工時間更快和降低加工成本，而無須高成本的加工方法。特別是對于型材和特殊設備（比如專用切割和系列化），這種過程可為屏蔽設計者提供更大的靈活性。  利用母材并使用縫隙和連接點的氬弧焊或疊層縫隙的點焊，就可以組裝多個屏蔽元件。氬弧焊可使組裝的屏蔽體得到最佳化的磁連續(xù)性，它可用于使用高屏蔽性能方面。對于大部分應用，與氬弧焊相比，法蘭和疊層連接的點焊可獲得更高級的磁連續(xù)性。  為使典型的屏蔽合金（如Mumetal）達到最佳性能，還要進行特殊的被稱為氫退火的熱處理循環(huán)。一旦所有加工過程完成，就可以進行退火

10、過程。但在退火以后，對屏蔽體進行沖擊和振動試驗，將降低材料的性能。嚴格遵守所規(guī)定的退火周期，不但能保證獲得最佳磁屏蔽性能，而且還可以將未退火材料的磁導率平均提高倍。、結(jié)論對所規(guī)定的屏蔽任務的了解有助于最好的材料、結(jié)構和加工藝的選擇。這種評價可在最佳成本下保持最好的屏蔽性能。    磁屏蔽的解決方案    GMR傳感器作為一種靈敏度非常高的磁性傳感器，可以預見未來的廣泛應用。但用戶極其關心的一個問題是抗磁干擾問題。為解決此問題有多種方案，但最主要的是磁屏蔽，以下是關于磁屏蔽的相關論述。（資料主要來源：The MuSh

11、ield Company,Inc.  僅供參考，不負相關責任。）    如果你要設計自己的磁屏蔽系統(tǒng)，你會發(fā)現(xiàn)以下的信息是很有用的。     磁屏蔽目的：通常是保護電子線路免于受到諸如永磁體、變壓器、電機、線圈、電纜等產(chǎn)生磁場的干擾，當然屏蔽強的磁干擾源使它免于干擾附近的元器件功能也是一個重要的應用目的。 磁屏蔽材料參數(shù)及材料劃分：磁屏蔽體由磁性材料制成，衡量材料導磁能力的參數(shù)是磁導率，通常以數(shù)字來表示相對大小。真空磁導率為1，屏蔽材料的磁導率從200到350000；磁屏蔽材料的另一個

12、重要參數(shù)是飽和磁化強度。磁屏蔽材料一般分為三類，即高導磁材料、中導磁材料和高飽和材料。    高飽和磁導率材料的磁導率在80000-350000之間，經(jīng)熱處理后其飽和場可達7500Gs；中磁導率材料通常和高導材料一起使用，其磁導率值從12500-150000，飽和場15500Gs；高飽和場的磁導率值為200-50000，飽和場可達18000-21000Gs。    以下是一些常用量的定義：      Gs：磁通密度的單位，相當于每平方厘米面積上有一條磁力線通過。  

13、  磁通量：由磁場產(chǎn)生的所有磁力線的總和。    2007-05-11            飽和磁場：即材料磁感應強度漸趨于一恒定值時對應的磁場。    B：屏蔽體中的磁通密度，單位Gs。    d：屏蔽體直徑（注：當屏蔽體為矩形時指最長邊的尺寸）。    Ho：外場強度，單位Oe。    ：材料磁導率。 

14、   A：衰減量（相對值）。    t：屏蔽體厚度。    磁場強度：屏蔽體中磁場強度估算用下面公式：      B=2.5dHo/2t（Gs）      如用厚度為0.060的材料制成直徑為1.5的屏蔽體，在80Gs的磁場中其內(nèi)部磁場為2500Gs。     屏蔽體厚度：用以下公式估算：     t=Ad/（英寸）  

15、;    如用磁導率為80000的材料制成直徑為1.5的屏蔽體，當要求實現(xiàn)1000/1的衰減量時，屏蔽體的厚度為      t=1000×1.5/80000=0.019      厚度設計還應綜合考慮性價比的因素，一般屏蔽材料的磁導率應不低于80000，否則就要增加厚度以達到同樣的屏蔽效果，則會導致費用的增加。    當場強很強時，厚度的選取應使材料工作于磁導率最大的場強下。如當材料的磁導率在場強為2300-2500Gs時磁導

16、率最大，則所需厚度為              t=1.25dHo/B（英寸）      如直徑1.5，長度6的屏蔽體置于80Gs的磁場中，所需的厚度是0.060。    磁場衰減率：用下式估算：      A=t/d      用此式對上面的數(shù)據(jù)計算可得到，當材料磁導率為350000時，

17、其衰減率為14000。     磁通密度：被屏蔽空間內(nèi)磁通密度為      B=Ho/A（Gs）     同樣利用以上數(shù)據(jù)，則被屏蔽空間的磁場為0.0057Gs。      更多的設計要點：    *開始設計前要正確估算干擾場的大小和頻率，其次，正確評價能承受的干擾場的大小。     *用以屏蔽很強的磁場時，可采用多層屏蔽的結(jié)構。如果可能，兩層屏蔽

18、體間保留1/2的間隙。     *在屏蔽如真空泵產(chǎn)生的強磁場時，要采用多層屏蔽結(jié)構。其中內(nèi)層用低磁導率材料，中間層用中磁導率材料，外層用高磁導率材料。      *用單層結(jié)構屏蔽如CRTs等及其敏感的設備時，應在離設備5處形成一個完整的屏蔽體；當型號很大時，只需對關鍵部分如磁軛等部位進行屏蔽即可。      *對于極低場的要求，通常采用3層屏蔽的方式，其中外層屏蔽用高磁導率材料，在內(nèi)外屏蔽層間是Cu層。在Cu層上通以強的交流電流可對內(nèi)屏蔽層消磁，同時Cu層

19、還可以屏蔽靜磁場的干擾。      *對于磁屏蔽結(jié)構，在材料厚度允許的時候可采用搭接點焊，交接尺寸至少3/8。在直徑發(fā)生變化或結(jié)構拐角的地方，應采用氦弧焊。      2007-05-11            使用片狀材料的要點：在屏蔽小元件時，剛性結(jié)構加工應用都不方便，這時片狀材料是一個很好的選擇，但要注意以下事項：     

20、; *為減少磁散射發(fā)生，結(jié)構中應避免出現(xiàn) 尖銳的拐角；如果結(jié)構上需要開孔或縫，則應力求其邊角采用圓弧形式。      *當屏蔽圓柱形物體時，每一層的搭接尺寸不少于3/4，而且第一層的接口位于180°的位置，則下一層的接口位于90°的位置，再下一層又位于180°的位置，如此等等。      *為了提高屏蔽效果，每兩層屏蔽間保留3-4倍于薄片厚度的空間。    *因為薄片材料具有極高的磁導率，因此使用中應避免連續(xù)螺旋狀卷繞它，否則

21、將有可能在屏蔽體中產(chǎn)生相當于磁極的結(jié)構。      *當在薄片材料上鉆孔時，應確保是在正確的加工片狀金屬的條件下進行，而不是在普通的金屬加工條件下操作，因為普通的操作方式會產(chǎn)生螺絲起子效應導致薄片發(fā)生彎曲，從而屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。因為屏蔽體對來自導線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)

22、部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。    （1）當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。    （2）當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴散到屏蔽的空間去。    （3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同

23、的金屬材料組成多層屏蔽體。     許多人不了解電磁屏蔽的原理，認為只要用金屬做一個箱子，然后將箱子接地，就能夠起到電磁屏蔽的作用。在這種概念指導下結(jié)果是失敗。因為，電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系。真正影響屏蔽體屏蔽效能的只有兩個因素：一個是整個屏蔽體表面必須是導電連續(xù)的，另一個是不能有直接穿透屏蔽體的導體。屏蔽體上有很多導電不連續(xù)點，最主要的一類是屏蔽體不同部分結(jié)合處形成的不導電縫隙。這些不導電的縫隙就產(chǎn)生了電磁泄漏，如同流體會從容器上的縫隙上泄漏一樣。解決這種泄漏的一個方法是在縫隙處填充導電彈性材料，消除不導電點。這就像在流體容器的縫隙處填充橡膠

24、的道理一樣。這種彈性導電填充材料就是電磁密封襯墊。    在許多文獻中將電磁屏蔽體比喻成液體密封容器，似乎只有當用導電彈性材料將縫隙密封到滴水不漏的程度才能夠防止電磁波泄漏。實際上這是不確切的。因為縫隙或孔洞是否會泄漏電磁波，取決于縫隙或孔洞相對于電磁波波長的尺寸。當波長遠大于開口尺寸時，并不會產(chǎn)生明顯的泄漏。因此，當干擾的頻率較高時，這時波長較短，就需要使用電磁密封襯墊。具體說，當干擾的頻率超過10MHz時，就要考慮使用電磁密封襯墊。    凡是有彈性且導電良好的材料都可以用做電磁密封襯墊。按照這個原理制造的電磁密封襯墊有:

25、0;   導電橡膠：在硅橡膠內(nèi)填充占總重量70 80比例的金屬顆粒，如銀粉、銅粉、鋁粉、鍍銀銅粉、鍍銀鋁粉、鍍銀玻璃球等。這種材料保留一部分硅橡膠良好彈性的特性，同時具有較好的導電性。    金屬編織網(wǎng)：用鈹銅絲、蒙乃爾絲或不銹鋼絲編織成管狀長條，外形很像屏蔽電纜的屏蔽層。但它的編織方法與電纜屏蔽層不同，電纜屏蔽層是用多根線編成的，而這種屏蔽襯墊是由一根線織成的。打個形象的比喻，就像毛衣的袖子一樣。為了增強金屬網(wǎng)的彈性，有時在網(wǎng)管內(nèi)加入橡膠芯。    指形簧片：鈹銅制成的簧片，具有很好的彈性和導電性。導電

26、性和彈性。    多重導電橡膠：由兩層橡膠構成，內(nèi)層是普通硅橡膠，外層是導電橡膠。這種材料克服了傳統(tǒng)導電橡膠彈性差的缺點，使橡膠的彈性得以充分體現(xiàn)。它的原理有些像帶橡膠芯的金屬絲網(wǎng)條。選擇使用什么種類電磁密封襯墊時要考慮四個因素：屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構要求、成本要求。    2007-05-11            屏蔽按機理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。   

27、; 1 電場屏蔽   【屏蔽機理】：將電場感應看成分布電容間的耦合。   【設計要點】：    a、屏蔽板以靠近受保護物為好，而且屏蔽板的接地必須良好！    b、屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯影響。全封閉的金屬盒最好，但工程中很難做到！    c、屏蔽板的材料以良導體為好，但對厚度無要求，只要有足夠的強度就可了。   2 磁場屏蔽    磁場屏蔽通常是指對直流或低頻磁場的屏蔽，其效果比電場屏

28、蔽和電磁場屏蔽要差的多。   【 屏蔽機理】：主要是依靠高導磁材料所具有的低磁阻，對磁通起著分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場大為減弱。   【設計要點】：    a、選用高導磁材料，如坡莫合金；     b、增加屏蔽體的厚度；    以上均是為了減小屏蔽體的磁阻；     c、被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減小通過被屏蔽物體體內(nèi)的磁通；     d、

29、注意屏蔽體的結(jié)構設計，凡接縫、通風空等均可能增加屏蔽體的磁阻，從而降低屏蔽效果。    e、對于強磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構。對要屏蔽外部強磁場的，則屏蔽體的外層選用不易飽和的材料，如硅鋼；而內(nèi)部可選用容易達到飽和的高導磁材料，如坡莫合金等。    反之，如果要屏蔽內(nèi)部強磁場時，則材料的排列次序要到過來。    在安裝內(nèi)外兩層屏蔽體時，要注意彼此間的絕緣。當沒有接地要求時，可用絕緣材料做支撐件。若需接地時，可選用非鐵磁材料（如銅、鋁）做支撐件。3 電磁場屏蔽  

30、60; 電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施。【電磁場屏蔽的機理】：     a、當電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；    b、未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；     c、在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時，遇到金屬空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這

31、種反射在兩個金屬的交界面上可能有多次的反射。    總之，電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。    【吸收損耗】不同的材料、不同的材料厚度對于電磁波的吸收效果不一樣.可根據(jù)材料吸收損耗的列線圖得出。    【反射損耗】分為三類：低阻抗磁場、高阻抗電場、平面波場。    其中低阻抗磁場和高阻抗電場的反射損耗列線圖計算方法相同，與金屬材料、頻率及輻射源到屏蔽體的距離有關。對于平面波，波阻抗為一常數(shù)，而與輻射源到屏蔽體的距離無關，在列線圖中只需連接金屬材料

32、和感興趣的頻率就可求出此時的反射損耗值。    4 實際的電磁屏蔽體   【結(jié)構材料】    a    2007-05-11        、 適用于底板和機殼的材料大多數(shù)是良導體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場，主要的屏蔽機理是反射信號而不是吸收。    b、對磁場的屏蔽需要鐵磁材料，如高導磁率合金和鐵。主要的屏蔽機理是吸收而不是反射。  

33、 c、在強電磁環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場和磁場兩種成分，因此需要結(jié)構上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。    d、對于塑料殼體，是在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在汽塑時摻入金屬纖維。    e、 必須盡量減少結(jié)構的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機殼進出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效能的結(jié)構措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長度，在結(jié)合面上加入導電襯墊，在接縫處涂上導電涂料，縮短螺釘間距離等。    f、 【搭接】    a、在底板和機殼的每一條縫和不連續(xù)處要盡可能好的搭接。最壞的電搭接對殼體的的屏蔽效能起決定性作用。    b、保證接縫處金屬對金屬的接觸，以防電磁能的泄漏和輻射。    c、在可能的情況下，接縫應焊接。在條件受限制的情況下，可用點焊、曉間距的鉚接和用螺釘來固定。    d、在不加導電襯墊時，螺釘間距一般應小于最高工作頻率的1，至少不大于1/20波長。    e、用螺釘或鉚接進