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Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 215
1 引言
由于干簧继电器具有重量轻、抗振动冲击能力强、寿命长及工作可靠性高等优点被广泛的应用于航天、航空等领域的电子设备中开断电路用。干簧继电器是一种灵敏度很高的电磁开关，其结构特点是干簧管内置于线圈中心，而干簧管是由玻璃管两端封闭的导磁又导电的舌构成，这种开放式磁路容易受周围电磁环境影响，属敏感元件。另外，干簧继电器线圈功率小（最小可达0.1W ）、触点间隙小（最小可达0.05mm ），且在很多场合输出的是低电平信号，因此在实际使用中容易受到设备内
部及外界杂波场信号干扰，损害其工作可靠性。如何抑制这些干扰成为干簧继电器设计必须面对的一个重要课题。
干簧继电器典型结构示意图见图1。
误判率
一般情况下，干簧继电器在电气设备中遇到的干扰主要来自三个方面，即电场、磁场和电磁场，相应的干扰即为静电干扰、磁干扰和电磁干扰。下面分别说明这三个方面干扰产生原因及危害情况：2.1 静电干扰
静电场中的不同导体间由于分布电容的耦合会产生放电干扰，尤其在高压静电场中，输入阻抗大的电路会产生较强的静电干扰。干簧继电器处于这种场合时会受到静电干扰，干扰大小与电场强度成正比。静电场电荷沿着玻璃管和舌分布，两个平行的舌簧触点间产生耦合电容，造成玻璃管的漏电流增大，绝缘能力下降，使玻璃管两端的舌关断的可靠性下降，引起介质击穿和电路失效。2.2 磁干扰
在永磁体周围存在着静磁场，它会对其周围的导磁物质产生磁化作用。由于舌是
干簧继电器的屏蔽设计
文/马海林 王勇 朱志强 柴婷婷
由导磁率很高的铁镍合金材料制成，外界静磁场会对舌产生磁化干扰。干扰的大小与磁场强度、磁力线方向及磁源位置有关，磁场强度越大，磁力线方向越居中，磁源位置越近则干扰越大。磁干扰会引起舌误动作，造成工作事故。2.3 电磁干扰
qiushi
电磁干扰主要是指外界电磁感应（噪声）对设备内部导电导磁零部件的影响，以电磁波的形式存在，遵循麦克斯韦电磁理论。电磁干扰是干簧继电器实际使用中受到的主要干扰。
tcl笔记本电脑电磁干扰主要是以干扰信号的频率范围来分的，即低频干扰（如大功率输电线等）和高频干扰（如射频、微波、超声等）。低频干扰与静电干扰的情形相近。高频干扰则是较强的电磁力穿透外壳进入继电器内部，在线圈及舌上产生感应电势，导致线圈发热损坏及干簧管接触可靠性下降，影响干簧继电器信号输出。
从电磁干扰的来源来分，电磁干扰可分为自然干扰和人为干扰两大部分。自然干扰主要是指来自大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声，天电噪声的能谱小于20MHz，宇宙噪声的能谱在20MHz —500MHz 频率范围之间，对航天设备中的元器件影响很大。人为干扰是由电机或其它人工设备产生的电磁干扰，它包含各种无线电发射机、高压输电线、电力牵引系统、信息技术设备、照明器件以及工业、医用射频设备等，对安装于其中及周围电器设备中的元器件有不同程度的干扰。
抗坏血酸过氧化物酶从电磁干扰属性来分，可分为功能性干扰和非功能性干扰。功能性干扰源指设备在正常工作的同时对其它设备会产生直接干扰；非功能性干扰源是指设备在工作过程中附加产生的干扰。
3 屏蔽的方法及原理
为防止外界的干扰场进入干簧继电器内部，需要对其进行屏蔽。针对三种典型干扰场的屏蔽可相应分为静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三种。这三种屏蔽是依据不同的感应方法和原理来抵御干扰的影响 ，从而为被干扰零部件设立“保护区”，抑制外界的干扰。
以下分别介绍针对三种干扰的屏蔽方法及其原理：3.1 静电屏蔽
在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。
处于静电平衡状态的导体，内部的场强处处为零。用一个铜箔套筒将干簧管外壁包围起来，形成一个两端开放的保护区域，干扰电场在铜套中达到静电平衡状态，就可以抑制外部静电场的影响。如果将屏蔽外壳接地，在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流，其外表面产生的感应电荷将通过接地线流入大地，静电干扰产生的影响也随之而消除或减弱，所以不论那种情况，干簧管都不会有电荷聚集，就可以达到静电屏蔽的目的。
静电屏蔽不仅能够抑制外部静电场对干簧管的干扰，同时也不对外部电场产生影响。
因为铜箔的电导率要比空气的电导率大十几个数量级，静电屏蔽的效果非常好的，而且拥有良好的经济性和工艺性，所以选择铜箔作为屏蔽材料是最佳的。3.2 磁屏蔽
图1：干簧继电器典型结构实例
端子箱
图2：干簧继电器典型屏蔽设计实例
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磁屏蔽的原理是利用磁路的概念，是以高磁导率μ的铁磁材料做成屏蔽罩以保护内磁场，屏蔽外磁场。本节涉及的磁场是指稳恒电流或永久磁体产生的静磁场，不随时间变化。
用铁磁材料做成一个外壳，将干簧继电器机构整体包围在内，则外磁场绝大部份会集中在外壳铁磁回路中。可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析，因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率
要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁力线会产生折射和收缩，其绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，进入外壳空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。
屏蔽外壳既保护了壳内导磁的舌及线圈磁场不受外界磁场的干扰，也防止了壳内干簧管和线圈工作时的辐射磁场去干扰壳外部元器件。3.3 电磁屏蔽
电磁屏蔽主要是指高频情形。在电磁场中，导体表面的场量最大，愈深入导体内部则场量越小，这种现象被称为趋肤效应。高频电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面值的1/e （约36.8%）处的厚度称为趋肤厚度（又称透入深度）。因趋肤电流是涡电流，故电磁屏蔽又叫涡流屏蔽。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁屏蔽装置。电磁波在导电介质中传播时，其场量的振幅随距离的增加按指数规律衰减，因此干扰源距离与干扰强度大小成反比。从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，导电性越好的介质中场量振幅的减小越快。
我们可以将屏蔽外壳近似看做一个匝数为1匝的线圈，外界电磁干扰会在其中产生电
流，从而保护了继电器内部线圈及干簧管不受干扰。
屏蔽材料的选择与电磁波频率相关。在高频时，由于铁磁材料的磁滞损耗和涡流损失较大，从而造成
谐振电路品质因素Q 值的下降，故一般不采用高磁导率材料的电磁屏蔽，而采用高电导率材料做电磁屏蔽。低频时的情形与静磁屏蔽相似，因为在铁磁材料中电磁场衰减比铜、铝中大得多，所以在低频时应采用铁镍等导磁率高的材料。
电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点，相同点是都应用高电导率的金属材料来制作，不同点是静电屏蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借涡流消除电磁感应场的干扰，但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合，因此即使只进行电磁屏蔽，也还是接地为好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。3.4 设计实例
我们利用前述的屏蔽理论，结合图1的设计实例，对干簧继电器进行屏蔽设计，见图2。
设计说明：
（1）在内置的干簧管外壁增加一个铜箔套，并使之与焊接在外壳上的极化端子连通。此处设计可以起到屏蔽静电干扰和电磁干扰的作用；
（2）将干簧管引出端剪断，使之处于外壳包覆之内，然后和不导磁的铜合金舌簧引出端焊接后引出本体之外，此处设计可以起到减少磁干扰的作用；
（3）外壳材质可根据使用场合确定，若是静磁干扰较强的场合则可用铁镍等导磁性好的材料，若是
电磁干扰较强的场合则可用铜合金材料。
4 屏蔽效能
干簧继电器采取屏蔽措施后，屏蔽的效果如何是我们最为关心的，这就是屏蔽效能的计算。严格来说干扰电磁场都是三维场，然而三维场的计算繁杂且难以获得精确的解析，同时在大多数场合也无此必要。在工程技术实际中，可以将实际问题简化成二维场的问题予以处理，也就是说可以忽略干扰场中某一次要方向的变化，这样使分析计算成为可能，又可以解决大多数实际问题。根据这一观点，以下针对三种干扰的屏蔽情况分别给出二维场的效能估算公式。4.1 静电屏蔽
静电屏蔽效能是指导体屏蔽后的感应电压νs 和屏蔽前的感应电压ν0之比，见如下公式：
（分贝）
Z1：屏蔽外壳单位长度的感应阻抗ΩZ0：屏蔽外壳单位长度的自阻抗Ω4.2 磁屏蔽
磁屏蔽效能K 是指屏蔽外壳（圆筒）腔内磁场强度H1和腔外磁场强度H0值之比，
见如下公式：
（分贝）
式中：
：屏蔽材料的相对导磁率
即屏蔽材料的导磁率μ2与周围介
质（空气）导磁率μ0之比
r 1：外壳屏蔽层内径cm r 2：外壳屏蔽层外径cm 4.3 电磁屏蔽
电磁屏蔽的效能指屏蔽前后某一点的电（磁）场强度之比，常用分贝数表示。
电磁屏蔽的效能主要分两个方面，即吸收的效能和反射的效能，其它方面忽略不计。吸收的效能(衰减量)：A=1.3148（分贝）
反射的效能(衰减量)：磁场（低阻抗场）
（分贝）
电场（高阻抗场）R=361.7+10lg （分
贝）
其中：
玺印δ：外壳屏蔽层厚度cm 。f ：干扰源频率Hz 。
μ：屏蔽层相对铁的导磁系数，见附表1和附表2。
G ：屏蔽层相对铜的导电系数，见附表1。χ：干扰源到外壳的距离cm
5 结束语
本文主要介绍了三种干簧继电器的屏蔽设计方法，工程实际中受到干簧继电器结构及安装方式等因素的影响，屏蔽设计可能不充分，并且对干簧继电器的一些性能参数可能有影响，这就要求我们针对干扰类别及强度进行优化设计，最大限度地抑制外界干扰。另外，随着计算机技术的发展运用，借助仿真软件可以进行电磁屏蔽分析计算，可以大大提高工作效率和质量。
参考文献
[1]荒木庸夫著，赵清，叶宗林译.电子设备
的屏蔽设计[M].国防工业出版社,1975.[2]冯慈璋著.电磁场（电工原理Ⅱ）[M].人
民教育出版社,1980.
作者简介
马海林（1968-），男，陕西省咸阳市人。大学专科学历。工程师。主要研究方向为电磁继电器技术。
作者单位
陕西力电工有限责任公司 陕西省宝鸡市 721300
附表1： G 值和μ值的选取金属G μ（150kHz ）
备注铜 1.001基准导电系数
铝0.611黄铜0.261铁0.171000基准导磁系数不锈钢0.021000铁镍合金
0.06
80000
附表2： 铁的μ值与频率f 的关系序号f
μ备注10～150 kHz 1000低频基准21MHz 700中频33MHz 600高频
410MHz 500515MHz 4006100MHz 10071GHz 50超高频
8 1.5GHz 109
10GH
1
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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