王立祝，嵇 斗，孫雷強(qiáng)

屏蔽條件下海水穩(wěn)恒電場(chǎng)源邊緣效應(yīng)研究

王立祝，嵇 斗，孫雷強(qiáng)

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

針對(duì)海水中建立穩(wěn)恒電場(chǎng)源時(shí)會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，使得穩(wěn)恒電場(chǎng)源內(nèi)部電場(chǎng)分布不均勻而無(wú)法確定其內(nèi)部準(zhǔn)確的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)探測(cè)電極進(jìn)行校驗(yàn)的問(wèn)題，本文采用有限元法研究了在屏蔽外界干擾情況下海水中兩個(gè)有限尺寸平行極板之間的電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，分析了受電場(chǎng)邊緣效應(yīng)影響下極板間電場(chǎng)分布的規(guī)律，確定了適宜進(jìn)行探測(cè)電極校驗(yàn)的電場(chǎng)區(qū)域。

穩(wěn)恒電場(chǎng)源 邊緣效應(yīng) 探測(cè)電極 有限元法 平行極板

0 引言

由于腐蝕等多種原因艦船會(huì)在水下產(chǎn)生電場(chǎng)[1]。水下電場(chǎng)信號(hào)已經(jīng)成為探測(cè)艦船的重要手段[2-4]，研究艦船水下電場(chǎng)具有重要意義。在對(duì)艦船水下電場(chǎng)進(jìn)行研究時(shí)擁有精度較高的電場(chǎng)探測(cè)電極[5-6]至關(guān)重要。建立一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度及其分布已知的穩(wěn)恒電場(chǎng)源，能夠更好地研究電場(chǎng)探測(cè)電極的測(cè)量精度，確定其測(cè)量誤差。

為了減少環(huán)境電場(chǎng)對(duì)穩(wěn)恒電場(chǎng)源的影響，本文采用了一個(gè)能夠屏蔽外界電場(chǎng)干擾的長(zhǎng)方體金屬殼屏蔽裝置[7-8]，并將金屬殼接地，在屏蔽金屬殼內(nèi)部用長(zhǎng)方體塑料盒盛裝海水，使得海水與金屬屏蔽殼隔離。在塑料盒內(nèi)海水的兩端放置一對(duì)平行的電極板，兩個(gè)極板在外加電壓的情況下，在海水中會(huì)形成電場(chǎng)。在屏蔽殼內(nèi)部海水中建立穩(wěn)恒電場(chǎng)時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)會(huì)發(fā)生邊緣效應(yīng)，進(jìn)而影響了平行極板間的電場(chǎng)分布。電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)在平行板電容中研究較多，雷建華[9]利用ANSYS有限元軟件對(duì)平行板電容傳感器的電場(chǎng)分布進(jìn)行二維仿真，研究了空氣中極板間距對(duì)平行板電容邊緣效應(yīng)的影響。本文要研究的是海水中電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，海水外存在空氣介質(zhì)，同時(shí)周圍還環(huán)繞著接地的金屬屏蔽層，海水中電場(chǎng)邊緣效應(yīng)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[10]研究了水下電場(chǎng)測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)問(wèn)題，但未對(duì)電場(chǎng)的屏蔽及電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)進(jìn)行分析。本文對(duì)屏蔽條件下的海水中穩(wěn)恒電場(chǎng)源的電場(chǎng)邊緣效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 海水中兩個(gè)極板間電場(chǎng)分布

2 考慮邊緣效應(yīng)的穩(wěn)恒電場(chǎng)有限元模型

2.1 二維極板間電場(chǎng)邊緣效應(yīng)建模

圖2 二維穩(wěn)恒電場(chǎng)源裝置模型及網(wǎng)格剖分

2.2 屏蔽條件下二維電場(chǎng)分布

仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到兩個(gè)極板間的各點(diǎn)電場(chǎng)方向并非都是平行的，這是因?yàn)閮蓚€(gè)極板間電場(chǎng)發(fā)生了邊緣效應(yīng)，屏蔽金屬殼內(nèi)的電場(chǎng)分布如圖箭頭所示，箭頭只代表電場(chǎng)方向，不代表大小。

圖3 二維穩(wěn)恒電場(chǎng)源電場(chǎng)方向

在不考慮電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的情況下，兩個(gè)極板間將產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)，根據(jù)勻強(qiáng)電場(chǎng)計(jì)算公式：

選取海水區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)的x分量接近勻強(qiáng)電場(chǎng)值26.6-26.75 mV/m，得到圖4（b）所示的兩片區(qū)域，這樣就確立了電場(chǎng)強(qiáng)度已知，適于進(jìn)行探測(cè)電極校驗(yàn)的穩(wěn)恒電場(chǎng)區(qū)域。

2.3 三維極板間電場(chǎng)邊緣效應(yīng)建模

圖5 三維穩(wěn)恒電場(chǎng)源裝置模型及網(wǎng)格剖分

2.4 屏蔽條件下三維電場(chǎng)分布

在整個(gè)海水區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)x分量較接近勻強(qiáng)電場(chǎng)的理論值，然而由于電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響，x分量電場(chǎng)強(qiáng)度最接近勻強(qiáng)電場(chǎng)值的區(qū)域?yàn)閳D7中兩部分區(qū)域所示，由三維仿真主視圖x-z平面的圖8中可以看出，三維立體仿真結(jié)果與二維仿真結(jié)果圖形區(qū)域基本一致。

圖6 采樣數(shù)據(jù)線上電場(chǎng)x分量值

圖7 電場(chǎng)x分量最優(yōu)區(qū)域

圖8 電場(chǎng)x分量最優(yōu)區(qū)域主視圖

因此，我們可以得出對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)方體而言，主視圖如圖9所示長(zhǎng)方形，用線段1，2，3將該長(zhǎng)方形四等分，則1，3線段附近區(qū)域電場(chǎng)x分量為我們所計(jì)算出的最接近勻強(qiáng)電場(chǎng)值區(qū)域。

圖9 長(zhǎng)方體區(qū)域簡(jiǎn)化示意圖

3 結(jié)論

在使用金屬殼屏蔽外界電場(chǎng)干擾的情況下，在金屬殼內(nèi)部建立穩(wěn)恒電場(chǎng)時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)x分量雖然接近勻強(qiáng)電場(chǎng)，但是由于電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，極板之間的電場(chǎng)分布具有以下特點(diǎn)：

1）極板的邊緣由于電場(chǎng)的畸變，使得電場(chǎng)顯著增強(qiáng)。

2）靠近極板區(qū)域即線段0，4附近區(qū)域的電場(chǎng)x分量要比計(jì)算的勻強(qiáng)電場(chǎng)值偏強(qiáng)。

3）兩個(gè)極板的中間區(qū)域即線段2附近區(qū)域電場(chǎng)x分量要比計(jì)算的勻強(qiáng)電場(chǎng)值偏弱。

4）線段1，3附近區(qū)域電場(chǎng)x分量與計(jì)算的勻強(qiáng)電場(chǎng)值最為接近。

已知兩個(gè)極板間電壓和兩個(gè)極板間距，則不考慮電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的情況下，按勻強(qiáng)電場(chǎng)計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，然而實(shí)際情況是兩個(gè)極板之間的電場(chǎng)發(fā)生了邊緣效應(yīng)。經(jīng)過(guò)仿真我們確定了最接近勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域即線段1，3附近區(qū)域，因此在利用已知極板間距和極板間電壓要進(jìn)行探測(cè)電極校驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)考慮線段1，3區(qū)域進(jìn)行探測(cè)電極校驗(yàn)，這樣就能使得電場(chǎng)探測(cè)電極校驗(yàn)更加準(zhǔn)確。

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Study on Edge Effect of Seawater Steady Electric Field Source Under Shielding Conditions

Wang Lizhu, Ji Dou, Sun Leiqiang

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM937

A

1003-4862（2019）09-0057-04

2019-01-23

王立祝（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)。E-mail: 2543777145@qq.com