物理电磁学范文第1篇
一、电磁现象、电磁场的重点名词概述
在本部分的学习过程中, 同学们需要对电磁部分的四个重点名词有充分的理解。
1、磁力线
磁力线类似于光线、声波等虚构物理量, 人们提出磁力线的概念是为了更方便地进行诸如磁通量、磁感应强度等量的分析, 它指的是磁场中画出的一些各处曲线方向与该处磁场方向一致且本身有方向的闭合曲线。在进行分析时, 一般我们需要明确两个问题:首先, 磁力线不会相交;其次, 磁力线与闭合电路互相套和, 并且都是闭合曲线, 其方向用箭头或者“点、叉”进行标示。
2、磁通量及磁感应强度
磁通量 (用Φ进行表示) 借助于磁力线进行表示, 可以想象成磁力线穿越平面的条数;磁感应强度 (用B表示) 是矢量, 其数值大小与方向分别表示磁场强度的大小, 而方向则代表着该处磁场的方向, 根据其定义也称之为磁通量密度。二者在题目中一般考察对应关系的计算, 一方面磁感应强度可以用公式来进行计算, 其中F指的是安培力的大小, I、l指的是导线电流的强度及磁场中的长度;另一方面, 磁感应强度是状态量, 其大小是决定于磁场本身的性质, 可以通过定义公式来进行计算。
3、安培力与洛伦兹力
安培力和洛伦兹力在本质上其实一致, 二者分别针对的是电流和电荷作用力的分析。安培力可以理解成磁场中通电导线受到的磁场作用力, 其计算需要注意对问题条件进行分析, 观察是否通电导线所在磁场为匀强磁场;对公式应用时也应该注意式中的l并不应用题目中所给的导线全长来计算。此外, 洛伦兹力计算公式可以由安培力公式得出。
4、电磁感应
对于电磁感应的学习应该注重考虑感应电流为何产生、怎样产生的问题, 要确定磁通量如果保持恒定那么闭合回路中肯定不会产生感应电流这一条件。在对电磁感应现象进行分析是则应该抓住“闭合电路”和“磁通量变化”这两个重要内容, 对具体的感应电流产生原因进行分析。总的来说, 感应电流产生的原因主要为磁通量发生变化, 即诸如导线包围面积的变化、磁感应强度大小的变化等方面。同时, 同学们需要在处理具体题目时对于多部分导体所做的切割磁场线过程保持敏感, 注意比较“一部分导体”和“多部分导体”的区别。
二、电磁现象、电磁场部分的重点定律阐述
1、法拉第电磁感应定律
该定律建立了感应电动势与磁通量之间的联系, 也即。磁通量的变化通过公式可以总结成磁感应强度的变化或者面积的变化, 因而公式可以根绝具体的变量关系进行变形, 同时对于两物理量的正比关系也需要有较为清楚的认识, 可以类比一些运动学问题如速度与功率来加深记忆。对于法拉第电磁感应定律, 需要明确导体中的电子会在运动过程中自动根据电性差异自动分布到导体的两端, 并随着电荷移动形成逐渐增大的电场;在电子所受到的洛伦兹力同电荷间作用力平衡时, 导体两端的电势差即等于感应电动势。
2、楞次定律
对于楞次定律的理解要了解到感应电流所产生的磁场总会起到反方向作用, 也即阻碍其磁通变化, 并藉此充分明确“来拒去留”的含义。如对于闭合导体所包含磁感线面积逐渐增大的情况, 闭合导线会产生感应电流产生磁场阻碍导体继续进入磁场, 而导体所包含磁感线面积逐渐减少的过程中感应电流的磁场又会产生“引力”, 从而对导体离开磁场产生反作用。
3、“三大定则”——判断力的左手、右手定则与判断方向的右手螺旋定则
在认识过程中要采用对比记忆的方式来记忆左手和右手定律。在使用时, 要明确磁感应强度的方向应穿过手掌, 同时电流的方向与剩下四个手指保持一致方向, 大拇指指向力或者导线的运动方向。左手定则和右手定则都能够用于电磁学和运动学的综合分析问题中, 其中左手可以判断安培力的方向, 从而综合力学分析进行考察;而右手定则多用于电磁感应。对于右手螺旋定则, 主要用它来判断电流和磁场之间的方向, 在绘制磁感线、判断电流方向等问题时需要进行仔细思考。
三、总结
对于电磁现象和电磁场的学习, 需要以高中物理的电磁学基本架构为基础, 对诸如磁力线、磁感应强度以及电磁感应等名词进行深入了解, 并且对一些常用著名电磁学定律进行归类总结, 了解不同定律的适用问题以及所需条件, 从而逐渐形成自己在解决相关问题时的思考脉络, 并强化自己解决问题的能力。
摘要：电磁现象和电磁场作为高中物理学习过程中相对重要的环节, 在同学们整体知识框架构建方面起到关键性作用。文章针对一些电磁现象和电磁场的重点知识内容做出了分析, 并且总结了一些在解决电磁现象和电磁场问题方面的技巧。
关键词：电磁现象,电磁场,高中物理
参考文献
[1] 柯珊, 马云鹏.基于学科核心内容的教学探索——以高中物理电磁学为例[J].教育科学研究, 2016, 05:47-52.
物理电磁学范文第2篇
无功功率：在具有电感(或电容)的电路里，电感(或电容)在半周期的时间里把电源的能量变成磁场(或电场)的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场(或电场)能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的振幅值叫做无功功率，以字母Q表示，单位干乏(kvar)。
视在功率：在具有电阻和电抗的电路内，电压与电流的乘积叫视在功率，以字母S或符号
Ps表示，单位为千伏安(kVA)。
泵效率=流量*扬程(102*3.6)/轴功率
流量单位：M3/H 扬程单位：M
电机效率=轴功率/视在功率 视在功率包含有功功率与无功功率
视在功率=实际电压*实际电流*功率因数*根号3(根号3=1.732) 功率因数=额定功率/额定电流*额定电压*根号3 电机效率一般是估算：20KW-60KW 电机效率为 1/1.15=0.87 60KW以上 电机效率为 0.9左右 由此可算出轴功率 水泵效率=水功率/轴功率
水泵效率=(实际流量*实际扬程*9.81*介质比重/3600)/轴功率
功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S
水泵轴功率计算公式
2009-12-07 10:13:58| 分类： 污水处理|字号 订阅
1)离心泵 流量×扬程×9.81×介质比重÷3600÷泵效率
流量单位：立方/小时， 扬程单位：米 P=2.73HQ/Η, 其中H为扬程,单位M,Q为流量,单位为M3/H,Η为泵的效率.P为轴功率,单位KW. 也就是泵的轴功率P=ΡGQH/1000Η(KW),其中的Ρ=1000KG/M3,G=9.8 比重的单位为KG/M3,流量的单位为M3/H,扬程的单位为M,1KG=9.8牛顿 则P=比重*流量*扬程*9.8牛顿/KG
=KG/M3*M3/H*M*9.8牛顿/KG
=9.8牛顿*M/3600秒
=牛顿*M/367秒
=瓦/367 上面推导是单位的由来,上式是水功率的计算,轴功率再除以效率就得到了. 设轴功率为NE，电机功率为P，K为系数(效率倒数) 电机功率P=NE*K
(K在NE不同时有不同取值，见下表) NE≤22
K=1.25 22
K=1.15 55
K=1.00 (2)渣浆泵轴功率计算公式 流量Q M3/H 扬程H 米H2O 效率N % 渣浆密度A KG/M3 轴功率N KW N=H*Q*A*G/(N*3600) 电机功率还要考虑传动效率和安全系数。一般直联取1，皮带取0.96，安全系数1.2 (3)泵的效率及其计算公式 指泵的有效功率和轴功率之比。Η=PE/P 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用P表
物理电磁学范文第3篇
摘 要：针对现有馈能悬架无法很好地兼顾隔振性与馈能性的问题，提出一种混合励磁直线电机与液压减振器集成的车辆悬架减振器，实现输出可调阻尼力与回收振动能量同时进行。基于集总磁路法对混合励磁直线电机进行解析分析，并在Ansoft软件中建立有限元模型，以电磁阻尼力调节范围为目标，优化气隙长度、永磁体高度，确定负载阻值。Matlab仿真结果表明，与传统被动悬架相比，在随机路面激励下，混合励磁悬架不仅提升了隔振性，还能回收部分振动能量，验证了所提出结构的可行性。
关键词：悬架；混合励磁；减振器；能量回收；有限元分析
半主动悬架多包含阻尼可调减振器，功耗小、结构简单，可以获得接近主动悬架的性能，具有重要的研究意义。与此同时，将被动阻尼与可调阻尼集成的混合阻尼器日益得到重视，早在1999年，MARTINS等[1]就提出将传统被动阻尼减振器与主动电磁减振器集成，并在汽车悬架中加以应用。滑铁卢大学的EBRAHIM等[2]将液压减振器与电磁作动器组合，通过对电磁作动器部分进行主动控制，为悬架提供不同作动力。ASADI等[3]提出一种集成液压减振器与直线电机的混合阻尼器，并通过有限元法对其进行了结构优化。另一方面，传统悬架在汽车行驶过程中，振动能量转化为热能耗散掉，不利于燃油经济性。因此，提出在优化悬架性能的同时，回收振动能量，以提高燃油经济性。施德华等[4]提出一种半主动馈能悬架，借由永磁直线电机回收振动能量，通过步进电机调节节流阀面积以改变阻尼系数，但直线电机仅用作回收能量，利用效率不高。陈士安等[5]将液压蓄能器和油缸结合，通过压力阀进行能量存储和释放控制，达到减振和回收能量的作用。SUDA等[6]设计了能量自供给的两级式馈能悬架，一级馈能，一级进行车身姿态控制。
圆筒直线电机结构简单，绕组利用率高。无横向端部效应，不存在单边磁拉力，应用在车辆悬架中既可提供电磁阻尼力，也可以有效回收悬架振动能量。NAKANO等[7-8]通过改变馈能回路电阻调节在发电机模式下工作的直线电机电磁阻尼力，实现半主动控制，优化了悬架隔振性。陈龙等[9]提出通过控制馈能回路中DC-DC变换器，实时调节绕组感应电流，使电机电磁阻尼力在一定范围内连续可调。
本研究将基于混合励磁的圆筒直线电机与液压减振器集成，提出一种应用于车辆半主动悬架的馈能减振器。采用此新型馈能减振器的半主动悬架依据路况进行阻尼力调节，隔振性能良好，在车辆行驶过程中可以将振动能量转化为电能储存，降低整车能耗，并可满足故障-安全（Fail-Safe）特性。首先，介绍了混合励磁悬架减振器的结构与工作原理，基于集总磁路对混合励磁直线电机磁场进行解析，并借由Ansoft有限元分析软件进行结构优化，确定负载电阻大小。最后，通过仿真验证其隔振性与馈能性。
1 结构与工作原理
新型馈能减振器将传统液压减振器与混合励磁圆筒直线电机集成。混合励磁是由电励磁与永磁励磁共同作用的新型励磁方式，因此，混合励磁直线电机存在两种类型的励磁源，一种是永磁励磁源，它在气隙中产生一个基本不变的磁通；另一种是直流励磁绕组，工作时，通过调节励磁绕组上的电流大小和方向，使气隙中的磁通发生变化，两种励磁源磁场在气隙中共同作用产生电机内主磁场。与永磁电机比较，混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗[10]。
混合励磁悬架减振器结构如图1所示。由图可知，混合励磁圆筒直线电机由初级与次级两部分组成，初级部分是与防尘罩焊接的导体管，其内部设有三相绕组。次级部分与初级部分之间有固定尺寸的气隙。次级部分设有开口矩形槽，焊接于减振器缸筒外壁，由永磁体、铁芯、直流励磁绕组组成。永磁体贴附于次级部分表面，次级部分的矩形槽内绕有直流励磁绕组。
气隙中的励磁磁场由永磁体与励磁绕组共同产生，永磁体提供直线电机运行时主要的气隙磁场，直流励磁电流作为磁场调节器起到调节气隙磁场的作用。当车辆行驶时，车身与车轮的相对运动使减振器工作，此时，与上吊耳、防尘罩相连的电机初级部分与次级部分产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，在三相绕组中产生感应电流，得以将振动能量转化为电能储存，实现馈能。同时，根据楞次定律，在产生感应电流的同时伴随着电磁阻尼力的产生。通过改变直流励磁绕组的励磁电流大小，可以使电磁阻尼力与感应电流大小改变，实现阻尼值可调。此外，如果混合励磁电机失效，液压减振器部分仍能继续工作，实现“Fail-Safe”。
2 电机解析与优化
2.1 磁感应强度推导
在电机设计分析中，根据需要，倾向于采用解析法寻找电磁设计规律，采用等效磁路法进行初步电磁和结构参数计算，使用有限元计算分析得到准确的磁场分布、电磁推力和反电动势[11]。为了分析此新型馈能减振器的工作特性，并推导出混合阻尼力和感应电动势表达式，基于集总磁路法进行混合励磁直线电机磁场分析。
混合励磁电机一对磁极结构如图2所示，其中，回路C为其等效磁回路。
对图2中各变量具体含义的描述见表1。
（1）永磁体为径向充磁，气隙中磁场完全为径向，且磁极中各部分磁感线方向都与回路C相平行。
（2）忽略结构中各部分漏磁。
（3）材料中无磁饱和。
（4）液压减振器与混合励磁电机连接部分为非导磁材料。
由式（8）、（11）可知，悬架簧上质量与簧下质量间相对速度越大，即车身振动越剧烈，由振动机械能转化成的电能也越多，即回收能量越多。同时，为了获得良好的平顺性与操纵稳定性，需要提供的电磁阻尼力越大。
2.2 磁感应强度优化
由式（8）、（11）可知，混合励磁直线电机输出的电磁阻尼力与回收能量大小都与磁感应强度Bm有关，且由式（4）可知，Bm的大小主要由电机结构尺寸与直流励磁电流决定。由于电机一旦设计完成，结构尺寸不可调，所以通过有限元法进行关键结构尺寸优化。
假设圆筒混合励磁直线电机部分初定结构尺寸，见表2。这部分在初定尺寸的基础上，以电磁阻尼力和回收能量为目标利用有限元法进行尺寸优化，从而提高悬架隔振性与馈能性。在Ansoft 12.0中建立圆筒混合励磁直线电机模型，并在Maxwell/circuit模块设置馈能电路，进行联合仿真，分别以气隙长度、永磁体宽度为可变参数，进行优化设计。初级部分与次级部分的相对运动速度设定为0.26 m/s，馈能电路电阻设为10 Ω，为了避免直流励磁部分磁饱和对仿真结果的影响，励磁电流变化区间设置为0～2.5 A。
2.2.1 气隙长度
假设其它结构尺寸不变，气隙从0.5 mm变化到2.5 mm，励磁电流从0 A变化到2.5 A，电磁阻尼力与回收能量的变化如图3和图4所示。由所推导公式可知，随着气隙长度增大，电磁阻尼力与回收能量都将减少，符合有限元分析结果，同时可以看出，随着气隙的增大，不同励磁电流下阻尼力与回收能量的变化逐渐减小。由此得出结论，较大气隙会使阻尼调节的范围降低，气隙过小会使阻尼调节系统灵敏度过高，且电机初级部分与次级部分易发生碰撞。综上所述，取气隙为1 mm。
2.2.2 永磁体高度
永磁体高度的选取将很大程度影响减振器工作性能，高度增加则永磁体提供磁场强度增加，但同时会导致磁路饱和程度增加，削弱电励磁场的影响。因此，需要选取一个最佳值，既能使电励磁场最大程度起到调节磁场作用，又可充分利用永磁体。假设其它结构尺寸不变，永磁体高度从4 mm变化至6.5 mm，励磁电流从0 A变化至2.5 A，电磁阻尼力的变化如图5所示。随着永磁体高度增大，电磁阻尼力增大，但直流励磁的作用不断减弱。综上所述，为了提高输出的电磁阻尼力，并尽可能发挥励磁磁场的作用，选取永磁体高度5 mm作为最终结果。
2.3 优化结果
综合以上结论，考虑到边界条件，得到优化后的混合励磁电机尺寸，见表3。利用有限元软件分析尺寸优化前后电磁阻尼力与回收能量大小的变化，结果如图6和图7所示。尺寸经过优化后，在相同工况下，所能提供的电磁阻尼力与回收能量均得到了提升。
2.4 负载电阻确定
除了改变磁感应强度Bm大小，调节负载电路的电阻也可以使输出的电磁阻尼力与回收能量发生改变。为了得到负载电路电阻对工作性能的具体影响[13]，进行相同工况下，不同电阻值对电磁阻尼力大小与回收能量的影响仿真分析，从而确定出最佳电阻值。由图8可知，当负载电路电阻为0时，输出的电磁阻尼力达到最大，当负载电路电阻等于电机内阻时（内阻约为5.3 Ω），回收能量达到最大值。综上所述，为了使悬架时刻工作在最佳馈能状态，并能输出合适大小的电磁阻尼力，取5.3 Ω为负载电路阻值。
3 混合励磁悬架动力学分析与仿真
混合励磁的四分之一悬架等效模型如图9所示。
采用通过滤波器的一阶白噪声来模拟路面输入。假设汽车以20 m/s驶过 B 级路面，其它仿真参数为：簧载质量ms160 kg，非簧载质量mt20 kg，悬架刚度ks10 kN/m，轮胎刚度 kt100 kN/m，假设传统液压减振器的阻尼系数cs被设定为1 100 Ns/m，电机绕组经过整流器串接阻值为 5.3 Ω 的负载，仿真时间10 s。
通过仿真得到带有混合励磁悬架和传统被动悬架汽车的车身加速度对比曲线图与车轮动载荷对比曲线图，如图10和图11所示。
由图可知，带有混合励磁悬架的车辆车身加速度得到了明显优化，相比于传统被动悬架，车身加速度均方根值减少了30.13%，车身峰值加速度减少了17.16%，此外，轮胎动载荷幅值增加了2.67%，均方根值增加了4.21%，但对车辆操纵稳定性的影响不大。总体而言，混合励磁悬架的减振效果明显优于传统被动悬架。
在路面激励下，仿真得到的混合励磁悬架感应电动势如图12所示。图中电压的有效值为11.35 V，证明了混合励磁悬架在车辆行驶过程中除了有较好的减振效果外，还可回收部分振动能量。
由于液力阻尼系数cs为定值，在给定车辆参数下，cs值的选取将很大程度上影响悬架性能。通过仿真研究液力阻尼系数的选取对隔振性的影响，结果如图13所示。当液力阻尼系数取550 Ns /m时，隔振性最优。
4 结论与展望
（1）提出一种混合励磁直线电机与液压减振器集成的车辆悬架减振器，实现阻尼可调与振动能量回收，详细介绍其结构与工作原理，并利用集总磁路模型推导出混合励磁直线电机输出的电磁阻尼力与其感应电动势公式。
（2）建立混合励磁直线电机部分有限元模型，并对其进行有限元分析，分别优化了气隙长度与永磁体宽度。综合考虑输出电磁阻尼力大小以及对阻尼力的调节能力，取气隙长度为1 mm，永磁体高度为5 mm，对优化前后的混合励磁直线电机进行有限元分析，发现优化后输出电磁阻尼力能力较优且阻尼调节能力较佳。同时分析不同外电路电阻值对悬架性能的影响，确定负载电路阻值为5.3 Ω。仿真结果表明，混合励磁悬架在车辆行驶过程中除了有较好的减振效果，还能回收振动能量。
（3）在考虑悬架隔振性的前提下，进行液力阻尼与电磁阻尼的最优匹配分析，发现在给定悬架参数下，液力阻尼系数取550 Ns/m时，隔振性最优。而综合考虑馈能性与隔振性，进行阻尼匹配，值得进一步研究。
（4）当混合励磁直线电机中通入的励磁电流一定时，电机的力特性曲线近似线性，与减振器集成后，并不会影响减振器外特性。而在实际工作过程中，由于通入的励磁电流根据不同工况实时改变，导致在宏观角度直线电机的力特性产生变化，有可能在集成液力阻尼后，产生外特性的畸变，需要进行进一步的仿真与试验研究。
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物理电磁学范文第4篇
摘要:本系统以AVR单片机MEGAl6为核心器件，实现对驱动电路的控制，使电动小车自动行驶。利用电磁原理，在车模前上方水平方向固定两个相距为L的电感，通过比较两个电感中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。用PWM技术控制小车的直流电动机转动，完成小车位置、速度、时间等的控制。利用干簧管来检测跑道的起始和终点位置从而完成小车的起步及停车。
系统总体设计：
AVR单片机MEGAl6(该芯片能够不需要外围晶振和复位电路而独立工作，非常适合智能寻迹车模的要求。)为核心，由单片机模块、路径识别模块、直流电机驱动模块、舵机驱动模块等组成，如下图所示。 基于电磁感应的智能寻迹车模系统以
直流电动机为车辆的驱动装置，转向电动机用于控制车辆行驶方向。智能寻迹车模利用电磁感应在跑道上自主寻迹前进，转向。
单片机模块(控制模块)：
寻迹车模采用AVR内核的ATMEGAl6。该芯片能够不需要外围晶振和复位电路而独立工作，非常适合智能寻迹车模的要求。
路径识别模块：
本方案就是在车模前上方水平方向固定两个相距为L的电感。左边的线圈的坐标为(x,h,z)，右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。 计算感应电动势：
图 1 线圈中感应电动势与它距导线水平位置x 的函数
如果只使用一个线圈，感应电动势E 是位置x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值x 的大小，无法分辨左右。为此，我们可以使用相距长度为L 的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值：
对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶，即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相同、且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。
对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的就是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小车拐弯。
另外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。
由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。
驱动模块：
简易智能小车有两个电动机。其中一个小电动机控制前轮转向，给电动机加正反向电压，实现前轮的左右转向;另一电动机控制后轮驱动力。控制转向电动机需要较小的驱动力，经过实验，选L293作为驱动芯片;由于后轮驱动功率较大，所以选用L298N，经过实验发现小车行使过程中负载较大，导致L298N发热较大，故给芯片添加散热片以保护芯片正常工作。为了优化控制性能，采用PWM脉宽调速，并利用数模转换芯片产生 模拟电压，控制555生成占空比可调的脉冲从而控制L293B与L298N进行脉宽调速。
具体设计方案：
本设计使用一普通玩具小车作为车模， 采用P W M 信号驱动， 当PWM信号脉宽处于(1ms,1.5ms)区间时舵机控制小车向左行驶，脉宽处于 (1.5ms,2ms)时小车向右行驶，脉宽约为1.5ms时小车沿直线行驶。本方案使用两个10mH的电感置于车模头部作为确定小车位置的传感器。然后，设计了一个模拟电路，采集、调理、放大由电感得到的电动势信号。具体电路如图2所示。
该电路采用电压并联负反馈电路，电感信号从PL进入。考虑到单独电感感应出的电动势很小，本设计使用电感和电容谐振放大感应电动势。由于使用的是10mH的电感，导线中电流频率为20kHz，因此使用6.3nF的电容。这样在电容上得到的电压将会比较大，便于三极管进行放大。整个电路的具体放大倍数需要根据实际负载进行计算。本设计的小车控制电路如图3所示。
首先，把由两个电感得到的感应电动势经调理、放大后得到的电压输出u1和u2送入由运放组成的减法器中进行减法运算，然后再经由运放组成的电压跟随器送给下一级电路。经过分析，这一级电路的输出大致可由下式进行计算：
后一级电路由两个555定时器组成，其中下方的555构成一个占空比非常接近于1的脉冲发生器，作为上方555的触发脉冲。因为此触发脉冲的低电平信号非常窄，所以能很好的保证上方555构成的单稳态电路正常运行。该脉冲信号频率为：
上方的555定时器构成一个单稳型压控振荡器，它的脉宽受输入V1的控制，输出即PWM信号。当V1较大时，即两个电感线圈中的感应电动势相差较大时，亦即小车偏离导线向左行驶时，则脉宽较大，舵机将控制小车向右行驶;当V1适中时，接近，即小车沿导线行驶时，则脉宽接近1.5ms，小车按直线行驶;当V1较小时，即小车偏离导线向右行驶时，则脉宽较小，舵机将控制小车向左行驶。从而，控制小车大致循着导线行驶。另外，改变构成减法器的电阻的值，可以调整小车反应的灵敏度，进而防止出现小车以导线为中轴线左右摇摆的现象。
补充说明：跑道上的起始位置及终点位置用干簧管来检测。
物理电磁学范文第5篇
摘 要：本文简要介绍电磁兼容相关的各项技术，通过对接地、屏蔽、滤波等技术的分析，说明产品如何实现良好的电磁兼容性，如何将电磁兼容技术融入产品研发流程。对实例分析，结合电磁兼容理论，说明实际测试中的处理方法，从干扰源、耦合路径、敏感源方面逐步分析验证，提高产品可靠性。
关键词：电磁兼容 接地 屏蔽 滤波
目前，电磁兼容技术已经发展成为专门的针对电子产品抗电磁干扰和电磁辐射的技术，成为考察电子产品的安全可靠性的一个重要指标，覆盖所有电子产品。
各个电子设备在同一空间工作时，会在其周围产生一定强度的电磁场，这些电磁场通过一定的途径(辐射、传导)耦合给其他的电子设备，影响其他设备的正常工作，可能使通讯出错或者系统死机等，设备间相互干扰相互影响，这种影响不仅仅存在设备间，同时也存在元件与元件之间，系统与系统之间。甚至存在与集成芯片内部。
电磁兼容技术主要包括接地、滤波、屏蔽技术等，在特定场合需要注意的是不一样的，A、在结构方面，需要注意屏蔽和接地，B、在线缆方面注意接地和滤波，C、在PCB设计方面，需要注意信号布局布线、滤波等。
一、电磁兼容技术
首先从构成电磁干扰的三要素入手，即干扰源、敏感源、耦合路径，★干扰源是产生电磁干扰的设备，通过电缆、空间辐射等耦合路径影响干扰敏感源设备。高频电压/电流是产生干扰的根源，电磁能量在设备之间传播有两种方式：传导发射和辐射发射，传导发射是
以导线为媒体，以电流为现象，辐射发射是以空间辐射为媒体，以电磁波为现象。常见干扰源有雷电、无线通讯、脉冲电路、静电、感性负载通断、天线、电缆导线等。任何电路都可能成为敏感源，数字电路抗干扰性较好，但是风险大，大的脉冲尖峰可能是数字电路误动作，音频模拟电路对射频信号敏感。★耦合路径分为空间耦合和传导性耦合，空间耦合包括互感耦合、电容耦合、天线辐射，传导性耦合包括地线和电源线上的传导。
电磁兼容设计主要包括接地设计、屏蔽设计、滤波设计方面的知识。地线分为安全地、交流地、直流地、数字地、模拟地、机壳地、防雷地等，※地线从电压概念说是提供一个等电位体，从电流概念上说是提供一个电流通路。地线阻抗决定了线路的抗干扰性，其中导线阻抗决定了地线的电位差，回路阻抗决定了实际的地线电流，地环路的存在是电路受干扰的主要原因，减小地环路的面积，降低对线路的影响，使用屏蔽线或同轴电缆都可能减小信号回路的面积，从而达到降低干扰的影响。地线电流总是走地线阻抗比较小的路径，高频低频时线路的阻抗是不一样的，可以根据需要设计信号路径。多层板比双层板的抗干扰性要好，因为多层板有专门的地层和电源层，保证每个信号回路都具有最小的信号回路面积，如果是双层板，最好铺地线网格，来保证最小的回路面积。
单端接地是为了降低电场对设备的影响，两端接地是降低磁场对设备的影响，两端接地形成磁场环路，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，Is也会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。
屏蔽技术，主要是应用在系统的结构上的，也有对线路关键电路进行屏蔽的，如时钟电路、CPU等。考察系统的屏蔽效能可以利用静电测试，如果系统屏蔽做的好，静电会沿着屏蔽体进行泄放，不会对内部线路造成影响。良好的电磁屏蔽的关键因素是屏蔽体的导线连续性，如果必须开孔引导线，采用屏蔽电缆，屏蔽层一定要采用360度环接方式进行接地，保证屏蔽的完整性。根据不同屏蔽层传输阻抗的频率特性和信号工作频率，来选择屏蔽电缆。
滤波包括电源线滤波与信号滤波。电缆是一个很好的天线，有时候即使屏蔽做的很好，仍然不能通过辐射发射和辐射敏感度的试验，这是因为电缆产生的辐射远高于线路板本身及机箱屏蔽不完整发生泄漏所产生的辐射。解决这种问题的一个方法是在电缆的端口处安装滤波器，将干扰电流滤除掉。根据干扰的频率选择滤波器的截止频率，才能有效的滤除干扰。一个系统使用了二阶LC低通滤波器，做辐射试验还是过不去，将前级电容去掉，辐射发射就不超标了，说明了需要降低截止频率才能滤除一部分干扰，增加滤波器的级数增加了曲线的陡度，提高了在工作频率内的滤波性能，并不能将更低频率的干扰滤除。滤波电容引线要短，可以采用“V”形接法，减小高频时的回路阻抗，也可以在引线上增加安装磁珠，加大了引线上的电感，增强了滤波效果。薄膜电容的电阻成分大，应采用陶瓷电容来进行滤波，陶瓷电容的阻抗特性好。
电磁兼容技术应贯穿产品研发始终，包括产品的概要设计、详细设计、原理图印制板设计、结构、组装调试等每个环节，都应该考虑电磁兼容设计，概要设计中需要调研产品应用环境，分析现场干扰类型，评估干扰风险，详细设计中需要针对具体的干扰，采取相应的对策，需要全面设计。原理图印制板图设计需要将各项措施体现在原理图中，必要时进行仿真，印制板图设计时需要按照模块化设计，注意布局布线，敏感电路的电磁兼容防护。结构也是电磁兼容设计中主要的一部分，产品的结构对静电、群脉冲、辐射等有很大的关系，结构要求具有良好的屏蔽性和接地。装配调试环节需要注意信号完整性，保证接地的连续性，注意面板接触问题，在测试环节根据遇到的实际情况，采取相应的措施。
二、电磁兼容实例应用分析
学习电磁兼容技术的整体目标是系统地学习电磁兼容方面的知识，通过学习电磁兼容设计理论，使这些方法、规则、措施等融入实际工作中，来保证产品尽可能可靠。
1、接地问题
实例一：某系统设备在做422通讯串口的射频场感应传导测试，采用双绞屏蔽线，开始采用的是单端接地，测试时出现的误码率高，几乎没有正确的数据，后来采用双端可靠接地，
通讯正常。
实例二：某系统设备在做视频鼠标线的射频场感应传导的试验时，在较低频段(3M以下)时显示器有波纹，上下闪动，后来将视频线的显示器侧可靠接地，干扰明显降低，几乎不影响显示。
分析：这两种现象都是在做射频场的感应传导试验时出现的，射频场的感应传导抗扰度试验实质是：设备引线变成被动天线，接受射频场的感应，变成传导干扰入侵设备内部，最终以射频电压电流形成的近场电磁场影响设备工作 ，以低频磁场为主。
双绞线能够有效地抑制磁场干扰，这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。
屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，Is也会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。
2、屏蔽问题
实例三：某系统为机柜、机箱式结构，其中控制部分为机箱结构，子板总线板结构，子板均安装面板。做静电试验时，接触放电+5.5kv时，对主板面板及左右相邻的面板进行静电试验时，控制板重启或死机，后来在控制板附近的面板之间安装指形簧片，系统在接触放电±6.6kv时运行正常。
实例四：某系统试验，用普通机柜，系统很敏感，对机柜引出线(通讯线)进行群脉冲试验，采用耦合夹耦合方式，干扰一加上去，系统就不正常，在通讯线两端增加磁环，效果不明显，后来没有办法了，更换了屏蔽机柜，进行试验，有明显效果，做几轮后，系统才会出现倒机想象，在通讯线进机柜处增加安装磁环后，系统工作正常，几轮试验后，没有出现倒机现象，系统工作都正常。
分析：现在很多系统都是机箱结构，即控制板、采集板、驱动板等都安装在同一机箱中，进行数据交换与控制。安装完成后各电路板会有一定的缝隙，静电脉冲通过面板缝隙，分布电容向主板耦合，使电源失真或控制发生故障系统重启、死机。在面板之间安装指形簧片，使机箱成为一个良好的屏蔽体，由于电荷的“趋肤效应”，当有静电干扰时，静电会沿着表面泄放至大地，对内部电路的影响减小或者消失。
屏蔽机柜对机柜的缝隙和门都进行了处理，缝隙处安装导电簧片，门与机柜接触位置安装导电布衬垫，提高机柜的屏蔽效能，提高机柜整体的抗干扰性，群脉冲干扰的实质是对线路分布电容能量的积累效应，当能量积累到一定程度时就可能引起线路(乃至设备)工作出错。通常测试设备一旦出错，就会连续不断的出错，即使把脉冲电压稍稍降低，出错情况依然不断的现象加以解释。脉冲成群出现，脉冲重复频率较高，波形上升时间短暂，能量较小，一般不会造成设备故障，使设备产生误动作的情况多见。
3、磁环的作用
实例五：对一个机箱结构系统做群脉冲实验，机箱内含有控制板、采集板、驱动板等，采集线、驱动线出机柜，需要做信号线群脉冲实验，当干扰施加在采集线上时，所有的采集板上指示灯都闪烁，对采集回路进行分析，采集输入有光电隔离器件，采集回线为动态的12V输出，当干扰施加时，可能造成采集回线上的电压失真，造成指示灯闪烁，找了一个闭合磁环，安装在采集回线上，进行实验，在某一极性下指示灯闪烁，说明磁环有作用，然后根据其阻抗特性，绕制2圈，实验效果不明显，后来试验一下绕制3圈，结果，采集指示灯显示正常，多次试验，系统均正常。
分析：磁环对群脉冲干扰有很好的抑制作用，根据实际情况安装在通讯线的两端或一端，磁环有不同的阻抗特性，对干扰信号进行频率分析，设计磁环的截止频率正好落在干扰信号频率附近，使磁环体现较大的阻抗性，来抑制干扰。
磁环的圈数影响磁环的阻抗特性，圈数越多，阻抗特性曲线向低频率方向移动，即较低频率下的阻抗越大，若此频率比较接近干扰频率时，就能起到很好的抑制干扰的作用。
电磁兼容技术融入电子产品开发设计中，可以提高产品的安全可靠性，如果在实际测试中，某一方面存在缺陷，可以从电磁干扰的方式上入手进行一步一步测试，电磁干扰有两种形式：传导发射和辐射发射，从各自的耦合路径进行查找。一个系统指标超标，可以先从辐射发射上解决，设备是否屏蔽良好，机壳上孔用导电布封住，导电布要与机壳良好接触，再进行试验，如果还超标，那就是干扰主要是传导发射引起的，在设备机壳出口处安装信号滤波器和电源滤波器，进行试验，如果还超标，那就是干扰是通过电缆辐射和传导发射出来，通过对屏蔽层的接地，减小地环路等措施必定能查找到原因并解决。
三、结语
物理电磁学范文第6篇
发布者：秘书处 发布时间：2009-7-1 阅读：660次 核电厂辐射监测系统发展趋势 刘 杰
(西安核仪器厂 )
[摘要] 本文概述了核电厂辐射监测系统仪表及其主要单元部件的功能和用途、系统配置、国内外技术发展状况和差距;为适应国家快速发展核电的节奏以及实现核电装备制造国产化要求，提出了以自主研发、自主创新与引进技术、消化吸收再创新相结合的产品研发思路。 1 辐射监测系统简介
核电站与其它种类电站的主要差别是核反应堆运行中伴有核辐射产生，所以辐射监测系统是核电站必不可少的组成部分。系统所获取的辐射变化信息对保护工作人员免受辐照、保护环境及保证核电站安全运行有重要作用，对分析核电厂的故障和事故具有重要价值。
核电厂的辐射测量主要涉及辐射监测、保健物理、实验室分析测量、环境监测等。其中，本文重点阐述的辐射监测系统可分为区域辐射监测、排出流辐射监测及工艺辐射监测，通过测量辐射水平的高低实现对核电站屏蔽完整性、设备工作状态、人员受照剂量的有效监测和控制，从而最终保证核电站的安全运行，防止任何超剂量事故发生。
辐射监测系统通常由若干各自独立的测量道、中央计算机系统及应用软件等构成;各测量道包含相互连接的各种功能部件(探测装置、处理和显示单元等)。 核电厂辐射监测系统通常分为三个层次：即辐射探测、数据测量和显示以及中央 数据采集和管理。
核辐射的探测对象主要包括区域γ放射性监测、气载气溶胶α、β放射性监测、惰性气体β、γ放射性监测、放射性碘γ监测以及液体(水)γ放射性监测等，根据现场的不同监测对象(所关注的射线、核素或介质)、安全级别和辐射水平，所选用的辐射探测器种类、监测道设备安全等级(安全级和非安全级)和量程范围会各不相同，所以，在现场安置的辐射测量道应具有适应现场要求的良好的物理指标和性能，能可靠、准确、及时地反映现场辐射水平的变化。 2 辐射监测仪表技术应用现状及前景
中国核电从上世纪80年代开始起步，到现在建成并投入商业运行的共有11台机组，其中3台机组主要是靠我们的技术力量完成的，其中一台机组是秦山一期30万千瓦的原型堆，该堆型已出口巴基斯坦4台机组(包括已发电的两台机组和正在建设中的C-2核电项目)，另两台机组是秦山二期的2台60万千瓦机组，在这3台机组中，除少部分技术较复杂且价值较高的辐射监测仪表采用国外产品外(如事故及事故后类仪表、PIG监测仪等)，其它大部分的辐射监测系统仪表设备均采用了国产的产品;而另外的8台机组可以说全部或绝大部分采用了国外的辐射监测仪表产品，国产辐射监测仪表和设备屈指可数。
根据国家大力发展核电的战略部署，到2020年我国核电运行装机容量将达到4000万千瓦，占届时全部发电装机容量的4%左右，这意味着为核电装备制造企业带来了巨大的发展机遇。然而因近年来关于中国核电发展的技术路线之争，也对核电产业链下游的装备制造企业带来了无所适从之感，缺乏从核电发展总体方面的宏观引导，在一定程度上无法把握仪控设备的设计及系统构建的技术发展方向，并且对已有的技术模式可能会丧失有效的延续性;加之，国内装备制造企业的技术基础、科研能力、资金支持就相对薄弱，装备制造企业的产品研发活动似乎只能缺乏前瞻性地被动进行。
从国家核电发展的技术路线来看，我国投入商业运行的11个核电机组，除秦山一期的原型堆外，其它机组采用了整体引进国外技术或“仿造”的模式，加上国内特殊的市场环境，这使得国外进口的核装备技术和产品，在相当一段时期内都具备很大的市场空间。由于国内核行业尚未建立和形成以企业为核心的创新发展机制，核电产业链下游的装备制造企业，只能依靠自身能力，在缺乏支持的科研条件下滚动发展，这也就是为什么从实验室分析、在线监测、保健物理以及环 境监测等各类国外核辐射测量产品在国内大行其道，而国内具有一定科研生产能力的核仪器制造企业的市场空间变得越来越小。
近年来，尽管国内辐射监测仪表技术随着核电建设步伐的加快而有较快的发展，各科研院所、企业纷纷研发新产品，填补了不少单机产品空白，但总体来说，辐射监测仪表在产品覆盖面、标准化程度、系统构建等方面还存在较大差距。由于市场的开放，在历年来国内的核电工程项目及各类核设施辐射监测系统设备的招投标过程中，国内企业都遭遇了来自国外供货商的激烈竞争，同时国内也涌现了不少国外产品的代理商和贸易公司，使国内有一定技术基础和技术能力的企业，无论在市场和技术方面都陷入两难的境地，中国核电亟需建立以企业为主体的技术发展与创新体系。 3 辐射监测技术发展趋势
辐射监测技术随着科技的进步也产生了巨大的飞跃，从70年代简单的模拟率表形式，经过几十年的发展，当今的核电站辐射监测技术已步入充分体现“用户化”概念的数字化网络监测系统。 3.1系统主要部件 3.1.1 探测装置
在传统探测方法的基础上(如电离室探测器、闪烁探测器等)，新型的半导体探测器(如PIPS型硅探测器等)将更加广泛地运用到辐射监测仪表的探测装置中;由于采用新工艺和新材料，探测装置的外型尺寸将会大幅缩小，铅屏蔽减小甚至可以去除，便于集成在辐射监测现场的“一体化”机架中;可通过多种方式对探测器工作性能进行检查(包括光测试、电测试、探测器内置源、温度传感器等)，无需外部检查源装置。 3.1.2 就地处理单元 (LPU)
就地处理单元(LPU)是辐射监测系统的核心部件，它与探测器相连，给探测器供电并获取来自探测器输出的模拟测量信号，通过其内置的合适的算法，以所需的单位(Gy/h，Bq/m3等)给出辐射测量值以及输出报警和故障信息、存储历史值和历史事件、谱的产生和存储、对外模拟量/数字量输入输出、RS-485网络连接等功能。
就地处理单元(LPU)在硬件上具有很强的互换性，根据探测器的不同，通过写入不同的特定算法，适用于不同的应用和监测对象。但每种算法都具有一些共性特征，如计数死时间的动态修正、本底的静态或动态补偿、数据平滑功能等。 系统应用软件包含：“数据采集和管理软件”、“维护和设置软件”、“谱分析处理软件”、“仿真软件”等。
由此看出，应用于未来批量投产的百万千瓦级压水堆核电站的辐射监测系统，通过采用高性能核探测装置、智能化的处理和显示部件单元，运用先进的数字化网络技术及功能强大的应用软件，可以以简单、灵活的方式构建系统，体现系统数字化和用户化、部件模块化和标准化、易于安装、维修和维护的特点。 4 核仪器产业发展思路
首先，企业自身应坚持自主创新与引进技术、消化吸收和再创新相结合，加强内部合作。 根据国家核电建设的“以我为主、中外合作、引进技术、推进国产化”的原则，作为核电装备制造企业，应坚持自主创新，而科技创新离不开国际合作，只有这样才能使核电装备制造企业在核电大发展的机遇中步入快车道。
“M-2036数字化就地处理箱”是由西安核仪器厂自主研制和开发的应用于核电站辐射监测系统的一种技术先进、性能可靠的就地处理显示装置，它可与多种探测装置相连接组成各种辐射监测通道，各监测通道通过该设备联网以后，可以方便地组成规模不等的辐射监测系统。
该项目科研自2006年3月正式启动，通过了由上级主管部门及设计院组成的评审组的设计方案评审，之后完成了两台科研样机的加工、调试工作;从2007年初开始，进行了小批量6台样机的加工、组装和调试，并分别与6台不同型号的辐射监测仪探测装置连接，先后进行了环境试验、电气安全性试验、电磁兼容性试验、磨损试验、耐辐照试验、振动试验、热老化试验、地震试验以及由第三方进行的1E级辐射监测仪表软件验证和确认。试验证明，该产品的所有结构设计和电路设计达到了规定的目标和技术要求，目前该产品已投入批量生产。
电磁兼容性设计在以往类似的产品中未能很好地解决，在该产品研制过程中，设计中采取了各种措施来解决该难点问题，包括：机箱采用EMC机箱;对易感受电磁