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摘要：针对电子安全系统高压放电形成的突变电场、磁场通过电-磁藕合方式在电路内部形成电磁脉冲干扰的问题，提出了引信电子安全系统抗电磁干扰隔离距离和金属屏蔽防护计算方法，该方法通过理论计算能够得到最优隔离距离和最优金属屏蔽选择方案，实现了引信电子安全系统电路电气防护。实践表明，隔离和屏蔽防护计算方法方法合理可行。
关键词：电子安全系统；电磁脉冲干扰；隔离距离计算；金属屏蔽防护
The Calculation Method for Electromagnetic Interference Isolation Distance and Metal Shield Protection of the ESAD
ZHENG Song,ZHAN Xuelei
（Xian Institute of Electromechanical Information Technology,Xian Shaanxi 710065）
【Abstract】：Aiming at the problem of electromagnetic pulse interference inside the circuit through the electro-magnetic coupling mode,formed by the abrupt electricfield and magneticfield due to high-voltage discharge of the ESAD.A calculation method has been proposed for the anti-electromagnetic interference isolation distance and metal shielding protection ofthe ESAD.The optimal isolation distance and the optimal metal shielding selection scheme can be obtained through the method of theoretical calculations,and accomplish the electrical protection in ESAD.Practice has proved that the calculation method of isolation and shielding protection is reasonable and feasible.
【Key words】：ESAD;electromagnetic pulse interference;calculation of Isolation distance;metal shielding protection
0引言
引信电子安全系统是第三代引信安全系统，采用冲击片雷管[1]作为初级发火单元。冲击片雷管激励形式为瞬时大电流（上升时间200ns、电流峰值大于2000A[2])，瞬时突变电流会在电子安全系统电子线路内部形成磁场、电场藕合的电磁脉冲干扰[3]，该电磁脉冲干扰会对电子元器件工作可靠性产生影响。金属屏蔽、距离隔离等方法为常规抗电磁干扰手段，但多数情况下由于缺乏理论计算，隔离距离、金属屏蔽材料选择往往不是最优，容易造成过度防护和防护不足的问题。过度防护会带来电子安全系统体积、质量增大，限制了引信电子安全系统的小型化；防护不足同样不能解决电磁脉冲干扰条件下的电子线路工作受影响的问题。国内外针对电子安全系统高压放电过程中电磁脉冲干扰、抗电磁干扰防护计算方面的研究鲜有报道[4]。本文针对电子安全系统高压放电形成的突变电场、磁场通过电-磁藕合方式在电路内部形成电磁脉冲干扰的问题，提出了引信电子安全系统抗电磁干扰距离隔离和金属屏蔽防护计算方法。
1电子安全系统瞬时放电过程电磁干扰形成机理
起爆回路电路RLC简化模型见图1，图中C为高压电容器容值、R1为起爆回路的等效电阻、L为回路电感，R0为冲击片雷管的内阻[4]。
经计算：
根据麦克斯韦电磁场理论考虑电子安全系统为有限空间，边界为S，其内部媒质的特性用ε和μ表示（二者均可能是空间位置的函数）。设V的内部存在电流分布J(r)，于是，V内的电磁场满足麦克斯韦旋度方程
2引信电子安全系统电路抗电磁干扰距离隔离和金属屏蔽防护计算方法
引信电子安全系统高压放电瞬间在临近区域产生了磁场、电场电磁脉冲藕合干扰，该干扰影响电子线路的工作可靠性。针对电磁脉冲干扰机理，提出空间隔离和金属材料屏蔽方法。
2.1隔离距离防护计算方法
距离衰减方法根据麦克斯韦电磁场理论，通过加大电子元器件与放电回路之间的距离使得电磁强度幅度减小以达到电磁防护效果。
利用ANSYS进行磁场强度分析，以导线宽5mm，围成约20mm×20mm矩形，导线厚度约为25um，高压放电回路为计算模型。图2展示了在脉冲峰值时刻的空气体外部磁通密度矢量B方向分布。铜箔位于中央坐标轴X-Y平面上。可以看出，磁力线方向按照右手定则分布，在靠近X-Y平面处达到最大，且分布并不均匀。在电流密度最大的铜箔内侧边界附近，磁通密度矢量B达到峰值，峰值由0.56462T逐步升高至2.30251T，随着距离增大，磁通密度大幅下降，8～10mm处衰减变化较大。
ANSYS进行电场强度仿真在开放空间环境下感应电场矢量和随距离的变化曲线，当所取节点与矩形铜导线距离越远时，所产生的瞬态感应电场强度越低，图3仿真5条曲线分别表示在0～150ns时间内每30ns间隔不同时刻的瞬态电场数值，电场强度峰值趋近于2.2×105V/m。仿真结果显示不同时刻电场强度均呈现随距离增大衰减下降趋势。在距离3～4mm处衰减较为明显，6mm～8mm处基本呈现趋于稳定状态。
上述分计算显示，电场6mm～8mm处衰减已趋于平稳，因此空间隔离距离距8mm～10mm为最优隔离距离，在此距离下能够实现能够有效实现电磁干扰强度衰减目的，再增大隔离距离对于电场衰减效果不明显，会造成电子安全系统设计体积过大，限制了小型化。
2.2金属材料屏蔽防护计算方法
金属材料屏蔽方法是在空间区域内增加金属屏蔽层，由于金属具有良好的导磁、导电特性，当电磁波穿过金属媒质时，它的幅度指数呈指数型下降（Hayt,1974），这种衰减的产生是因为屏蔽体中感应的电流产生了欧姆损耗和材料发热。下面为电场场强衰减计算公式：
这里μr和σr分别表示屏蔽材料的相对导磁率和相对电导率。公式显示相对导磁率和相对电导率是场强屏蔽效果起到决定性参数。研究通过查阅金属材料相对导磁率和相对电导率，选择最优屏蔽效果材料。表1为典型金属电导率和磁导率。
表1和公式（1）标明不同材料由于σ、μ不同，因此呈现不同的屏蔽效果，其中σ、μ乘积与屏蔽效果成正比，通过计算σ、μ乘积镍、钢(45#)、不锈钢（型号304），σ、μ乘积分别为20、20和10明显高于其他金属，因此钢(45#)、不锈钢（型号304）是设计屏蔽优选金属。
3试验验证
为了验证防护计算方法的正确性，开展了试验验证工作，由于瞬态磁场、电场测量很难实现，因此考虑到对于电子元器件而言无论是电场还是磁场其藕合形式最终均会体现在电压变化方面，因此测试过程中采用检测电压藕合干扰的方法，间接反应距离隔离和金属屏蔽防护效果。图4为为高压放电过程在距离高压放电过程3cm位置处测量得到的电压波动信号，干扰达到15V，图5为7cm处放电过程电压波动信号干扰幅度2.4V，图4、图5显示3cm、7cm距离变化呈现明显衰减效果，7cm以后距离变化带来的衰减效果趋于平缓，该结果与距离计算方法一致。
图6为在1～3cm中间增加1mm厚45
#钢金属材料隔板，3cm处测量干扰波形，干扰幅度1V。结果表明钢(45#)由于具有更高的σ、μ乘积，因此具有更好的屏蔽效果，该试验结果与金属屏蔽效果分析一致。
4结语
本文提出了引信电子安全系统抗电磁干扰距离隔离和金属屏蔽防护计算方法。该方法通过理论计算能够得到最优隔离距离和最优金属屏蔽选择方案，实现了引信电子安全系统电路电气防护。实践表明，隔离和屏蔽防护计算方法方法合理可行。
参考文献
[1]王凯民,蔡瑞娇,严楠,焦清介.国外传爆序列技术研究与发展分析[J].火工品,2001(1):42-46.
[2]曾庆轩,袁士伟,罗承沐,等.新型电爆炸箔系统电压对爆发电流影响的实验研究[J].火工品,2002(1):41-42.
[3]党瑞荣,杨振英.桥箔爆发电流的计算与测量[J].火工品,2000(2):13-15.
[4]郑松,史占付,康兴国.引信全电子安全系统电磁兼容性改善方法[J].探测与控制学报,2009,31(4):35-38.
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