磁屏蔽的理论与实践
时间：2013-05-11 阅读：917
材料的选择
对于屏蔽体来说，所选择的材料的类型对其性能和成本影响极大。在设计屏蔽体时有一点是重要的，就是要深入了解普通使用的不同屏蔽合金的特性。对这些不同性能的理解就可使你选择合适的材料，去满足目标要求。
磁屏蔽材料要根据各自的特性进行选择，特别是磁导率和磁饱和性能。由于在变更低频磁场方向的效能，所以高磁导率材料（比如含８０％的镍合金Ｍumetal,这是一种高磁导率铁镍合金）是经常使用的屏蔽材料。这些合金可满足ＭＩＬ－Ｎ－１４４１１Ｃ部分１和ＡＳＴＭＡ７５３－９７样式４的要求。其可得到的相对较薄的厚度为０.002到0.125英寸，并极易被有经验的屏蔽加工者加工出来。
在需要于极小空间内降低磁场时，典型上使用这些合金。在需要提供比要求更高屏蔽时，或是磁场强度（在较高场强时更为典型）需要具有更高饱和值材料时，这些材料常被选中。
在屏蔽目标仅需要稍微减少场强时（减少１～１／４），或是当场强足以使高磁导率屏蔽体饱和时，超低碳钢（ＵＬＣＳ）可能是*的选择。这些较低成本材料的碳含量典型小于0.01％；与其它钢相比，其有较高的磁导率和极优的饱和性能。这些材料具有较小的柔韧性，并比硅钢较容易制造，这就允许在大面积屏蔽项目中容易安装和以同样的方式加工出小型组件。ＵＬＣＳ可与高磁导率材料一起使用，以为需要高饱和保护和高衰减等级建立*的屏蔽体。
对于低温用的屏蔽体，Ｃryoperm１０（为德国VaccumschmelzeGmbHg公司的注册商标）为一种*选择。与Ｍumetal一样，Ｃryoperm１０也是一种高磁导率镍铁合金，它是经特殊加工而成的，以提供在降低温度时磁导率增加。标准的屏蔽合金（比如Ｍumetal）在低温时就失去了其大部分磁导率。但是Cryoperm１０可在77.3到４.2°Ｋ时的磁导率却增加１０倍。表１示出了zui常用的屏蔽材料的磁导率饱和值的比较。
饱和磁导率
材料（高斯）μ（zui大）μ（40）
Amumetal（80%镍）8，000400，0060，000
Amunickel（48%镍）15，000150，00012，000
Cryoperm109，000250，00065，000
超低碳钢22，0004，0001，000
由于材料的成本占屏蔽体价格的一半，所以使用较薄的尺寸能满足所要求的屏蔽特性和结构性能是了。厚度为0.002到0.010英寸的箔材是*的选择。这些箔材能以同等的化学组分和性能特性获得，并可作为标准的以镍为基础的和ＵＬＣＳ材料。
设计低成本屏蔽体的zui重要的一步，就是对这些典型屏蔽材料特性及其对屏蔽性能影响的了解。一旦合适的材料被选中，其重点要集中于基本的设计考虑，以使其不但性能*，而且对成本的影响zui小。
设计考虑
大部分屏蔽体用的公式和模型的开发是基于圆形或无限长的圆柱体几何形状的。在实际应用中，所给定屏蔽体的实践形状由器件结构和屏蔽体自身的可利用空间所决定。在设计一屏蔽体时，要了解的重要的结构是，要使磁力线旋转９０°是困难的。但是，圆形屏蔽体，比如要改变圆柱体或是具有圆形角的盒体的磁力线的方向要比具有方形角的屏蔽体容易一些。类似地，对于包容已进入屏蔽材料的磁力线并改变其方向，圆角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路径的屏蔽体形状简单或磁场运动的"zui低磁阻路径"是很重要的。
屏蔽体的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性极大。屏蔽体的有效半径越小，其整体性能就越好。但是，设计屏蔽体的目的是使其包络试图屏蔽的组件和空间，并应该靠得很近。由于材料占屏蔽体设计的大部分成本，因此较小屏蔽体就可以在较低成本下获得较优的性能。
每当有可能，屏蔽体应与所有壁靠近，以避免场泄漏。这种结构（即使是矩形）也是zui接近于圆形的，它可以建立一个半闭合的磁路。另外，全部箱体可在所有轴上获得屏蔽特性，这样就可以保证的屏蔽性能。当特殊的性能和进出口需要时，可移动的盖板、罩和门均可组合到屏蔽体设计中去。
利用盖板、罩和门时或使用两块或多块板构建屏蔽体时，在多块板间保持磁连续性和电接触是很重要的。可通过机械式（利用磨擦组件）或焊接保持磁连续性。在拐角或过渡连接，使用焊接可获得*性能。维持表面间的连续性就可以保证磁力线连续沿其低磁阻路径前进，这样可以提高屏蔽效能。在交流场，保持磁连续性就允许较高的感应电流屏蔽，在直流场，对于适当的磁力线分路，连续性也是重要的。
如果你不能靠近屏蔽体的一端或两端，要特别注意开端的长一直径比。屏蔽体的这种长-直径比至少应为４：１，以避免"端接效应"和磁力线穿透屏蔽体范围。经验法则是，屏蔽体需要延伸到器件的外部，这样可以用与开孔半径相等部分进行保护。由于增加了屏蔽体的长度同时保持直径不变，就可以用无限长圆柱体模型进行近似。当圆柱型或矩形屏蔽体需要大的开孔时，垂直于屏蔽体壁的的管可用于由于开孔而引起屏蔽体的磁场强度的减少。管的长度应正比于所屏蔽的开孔的直径。
在设计过程早期就应考虑这些问题，可使这些主要设计参数对屏蔽体的成本影响较小。但是，这些因素要比材料本身对屏蔽体性能的影响要大。这样，在设计屏蔽体时，zui先保证这些基本参数通常是需要的。
生产技术
一种好的屏蔽体设计要涉及到加工过程，其可提供所需要的结构和特性。在过去，大部分磁屏蔽体是用标准的精密片状金属加工技术通过剪切、穿孔、成型和焊接加工出来的。现在，利用*的激光切割系统，个别部件的剪切和计算机化的数字控制冲孔都由一步激光切割技术所代替。主要的屏蔽元件的一步加工技术可使加工时间更快和降低加工成本，而无须高成本的加工方法。特别是对于型材和特殊设备（比如切割和系列化），这种过程可为屏蔽设计者提供更大的灵活性。
利用母材并使用缝隙和连接点的氩弧焊或叠层缝隙的点焊，就可以组装多个屏蔽元件。氩弧焊可使组装的屏蔽体得到*化的磁连续性，它可用于使用高屏蔽性能方面。对于大部分应用，与氩弧焊相比，法兰和叠层连接的点焊可获得更的磁连续性。
为使典型的屏蔽合金（如Mumetal）达到*性能，还要进行特殊的被称为氢退火的热处理循环。一旦所有加工过程完成，就可以进行退火过程。但在退火以后，对屏蔽体进行冲击和振动试验，将降低材料的性能。严格遵守所规定的退火周期，不但能保证获得*磁屏蔽性能，而且还可以将未退火材料的磁导率平均提高４０倍。
结论
对所规定的屏蔽任务的了解有助于的材料、结构和加工艺的选择。这种评价可在*成本下保持的屏蔽性能。
磁屏蔽的解决方案
GMR传感器作为一种灵敏度非常高的磁性传感器，可以预见未来的广泛应用。但用户极其关心的一个问题是抗磁干扰问题。为解决此问题有多种方案，但zui主要的是磁屏蔽，以下是关于磁屏蔽的相关论述。（资料主要来源：TheMuShieldCompany,Inc.仅供参考，不负相关责任。）
如果你要设计自己的磁屏蔽系统，你会发现以下的信息是很有用的。
磁屏蔽目的：通常是保护电子线路免于受到诸如永磁体、变压器、电机、线圈、电缆等产生磁场的干扰，当然屏蔽强的磁干扰源使它免于干扰附近的元器件功能也是一个重要的应用目的。磁屏蔽材料参数及材料划分：磁屏蔽体由磁性材料制成，衡量材料导磁能力的参数是磁导率，通常以数字来表示相对大小。真空磁导率为1，屏蔽材料的磁导率从200到350000；磁屏蔽材料的另一个重要参数是饱和磁化强度。磁屏蔽材料一般分为三类，即高导磁材料、中导磁材料和高饱和材料。
高饱和磁导率材料的磁导率在80000-350000之间，经热处理后其饱和场可达7500Gs；中磁导率材料通常和高导材料一起使用，其磁导率值从12500-150000，饱和场15500Gs；高饱和场的磁导率值为200-50000，饱和场可达18000-21000Gs。
以下是一些常用量的定义：
Gs：磁通密度的单位，相当于每平方厘米面积上有一条磁力线通过。
磁通量：由磁场产生的所有磁力线的总和。
饱和磁场：即材料磁感应强度渐趋于一恒定值时对应的磁场。
B：屏蔽体中的磁通密度，单位Gs。
d：屏蔽体直径（注：当屏蔽体为矩形时指zui长边的尺寸）。
Ho：外场强度，单位Oe。
μ：材料磁导率。
A：衰减量（相对值）。
t：屏蔽体厚度。
磁场强度：屏蔽体中磁场强度估算用下面公式：
B=2.5dHo/2t（Gs）
如用厚度为0.060″的材料制成直径为1.5″的屏蔽体，在80Gs的磁场中其内部磁场为2500Gs。
屏蔽体厚度：用以下公式估算：
t=Ad/μ（英寸）
如用磁导率为80000的材料制成直径为1.5″的屏蔽体，当要求实现1000/1的衰减量时，屏蔽体的厚度为
t=1000×1.5/80000=0.019″
厚度设计还应综合考虑性价比的因素，一般屏蔽材料的磁导率应不低于80000，否则就要增加厚度以达到同样的屏蔽效果，则会导致费用的增加。
当场强很强时，厚度的选取应使材料工作于磁导率zui大的场强下。如当材料的磁导率在场强为2300-2500Gs时磁导率zui大，则所需厚度为
t=1.25dHo/B（英寸）
如直径1.5″，长度6″的屏蔽体置于80Gs的磁场中，所需的厚度是0.060″。
磁场衰减率：用下式估算：
A=μt/d
用此式对上面的数据计算可得到，当材料磁导率为350000时，其衰减率为14000。
磁通密度：被屏蔽空间内磁通密度为
B=Ho/A（Gs）
同样利用以上数据，则被屏蔽空间的磁场为0.0057Gs。
更多的设计要点：
*开始设计前要正确估算干扰场的大小和频率，其次，正确评价能承受的干扰场的大小。
*用以屏蔽很强的磁场时，可采用多层屏蔽的结构。如果可能，两层屏蔽体间保留1/2″的间隙。
*在屏蔽如真空泵产生的强磁场时，要采用多层屏蔽结构。其中内层用低磁导率材料，中间层用中磁导率材料，外层用高磁导率材料。
*用单层结构屏蔽如CRTs等及其敏感的设备时，应在离设备5″处形成一个完整的屏蔽体；当型号很大时，只需对关键部分如磁轭等部位进行屏蔽即可。
*对于极低场的要求，通常采用3层屏蔽的方式，其中外层屏蔽用高磁导率材料，在内外屏蔽层间是Cu层。在Cu层上通以强的交流电流可对内屏蔽层消磁，同时Cu层还可以屏蔽静磁场的干扰。
*对于磁屏蔽结构，在材料厚度允许的时候可采用搭接点焊，交接尺寸至少3/8″。在直径发生变化或结构拐角的地方，应采用氦弧焊。
使用片状材料的要点：在屏蔽小元件时，刚性结构加工应用都不方便，这时片状材料是一个很好的选择，但要注意以下事项：
*为减少磁散射发生，结构中应避免出现尖锐的拐角；如果结构上需要开孔或缝，则应力求其边角采用圆弧形式。
*当屏蔽圆柱形物体时，每一层的搭接尺寸不少于3/4″，而且*层的接口位于180°的位置，则下一层的接口位于90°的位置，再下一层又位于180°的位置，如此等等。
*为了提高屏蔽效果，每两层屏蔽间保留3-4倍于薄片厚度的空间。
*因为薄片材料具有*的磁导率，因此使用中应避免连续螺旋状卷绕它，否则将有可能在屏蔽体中产生相当于磁极的结构。
*当在薄片材料上钻孔时，应确保是在正确的加工片状金属的条件下进行，而不是在普通的金属加工条件下操作，因为普通的操作方式会产生螺丝起子效应导致薄片发生弯曲，从而
屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。
（1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。
（2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。
（3）在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
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