屏蔽条件下海水稳恒电场源边缘效应研究

2019-10-08王立祝孙雷强

船电技术 2019年9期

王立祝，嵇斗，孙雷强

屏蔽条件下海水稳恒电场源边缘效应研究

王立祝，嵇斗，孙雷强

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

针对海水中建立稳恒电场源时会出现电场边缘效应，使得稳恒电场源内部电场分布不均匀而无法确定其内部准确的电场强度，进而无法准确地对探测电极进行校验的问题，本文采用有限元法研究了在屏蔽外界干扰情况下海水中两个有限尺寸平行极板之间的电场边缘效应，分析了受电场边缘效应影响下极板间电场分布的规律，确定了适宜进行探测电极校验的电场区域。

稳恒电场源边缘效应探测电极有限元法平行极板

0 引言

由于腐蚀等多种原因舰船会在水下产生电场[1]。水下电场信号已经成为探测舰船的重要手段[2-4]，研究舰船水下电场具有重要意义。在对舰船水下电场进行研究时拥有精度较高的电场探测电极[5-6]至关重要。建立一个电场强度及其分布已知的稳恒电场源，能够更好地研究电场探测电极的测量精度，确定其测量误差。

为了减少环境电场对稳恒电场源的影响，本文采用了一个能够屏蔽外界电场干扰的长方体金属壳屏蔽装置[7-8]，并将金属壳接地，在屏蔽金属壳内部用长方体塑料盒盛装海水，使得海水与金属屏蔽壳隔离。在塑料盒内海水的两端放置一对平行的电极板，两个极板在外加电压的情况下，在海水中会形成电场。在屏蔽壳内部海水中建立稳恒电场时，内部电场会发生边缘效应，进而影响了平行极板间的电场分布。电场的边缘效应在平行板电容中研究较多，雷建华[9]利用ANSYS有限元软件对平行板电容传感器的电场分布进行二维仿真，研究了空气中极板间距对平行板电容边缘效应的影响。本文要研究的是海水中电场的边缘效应，海水外存在空气介质，同时周围还环绕着接地的金属屏蔽层，海水中电场边缘效应较为复杂。文献[10]研究了水下电场测量设备的校准问题，但未对电场的屏蔽及电场的边缘效应进行分析。本文对屏蔽条件下的海水中稳恒电场源的电场边缘效应进行研究。

1 海水中两个极板间电场分布

2 考虑边缘效应的稳恒电场有限元模型

2.1 二维极板间电场边缘效应建模

图2 二维稳恒电场源装置模型及网格剖分

2.2 屏蔽条件下二维电场分布

仿真结果如图3所示，可以看到两个极板间的各点电场方向并非都是平行的，这是因为两个极板间电场发生了边缘效应，屏蔽金属壳内的电场分布如图箭头所示，箭头只代表电场方向，不代表大小。

图3 二维稳恒电场源电场方向

在不考虑电场边缘效应的情况下，两个极板间将产生匀强电场，根据匀强电场计算公式：

选取海水区域内电场的x分量接近匀强电场值26.6-26.75 mV/m，得到图4（b）所示的两片区域，这样就确立了电场强度已知，适于进行探测电极校验的稳恒电场区域。

2.3 三维极板间电场边缘效应建模

图5 三维稳恒电场源装置模型及网格剖分

2.4 屏蔽条件下三维电场分布

在整个海水区域内电场x分量较接近匀强电场的理论值，然而由于电场边缘效应的影响，x分量电场强度最接近匀强电场值的区域为图7中两部分区域所示，由三维仿真主视图x-z平面的图8中可以看出，三维立体仿真结果与二维仿真结果图形区域基本一致。

图6 采样数据线上电场x分量值

图7 电场x分量最优区域

图8 电场x分量最优区域主视图

因此，我们可以得出对于一个长方体而言，主视图如图9所示长方形，用线段1，2，3将该长方形四等分，则1，3线段附近区域电场x分量为我们所计算出的最接近匀强电场值区域。

图9 长方体区域简化示意图

3 结论

在使用金属壳屏蔽外界电场干扰的情况下，在金属壳内部建立稳恒电场时，内部电场x分量虽然接近匀强电场，但是由于电场的边缘效应，极板之间的电场分布具有以下特点：

1）极板的边缘由于电场的畸变，使得电场显著增强。

2）靠近极板区域即线段0，4附近区域的电场x分量要比计算的匀强电场值偏强。

3）两个极板的中间区域即线段2附近区域电场x分量要比计算的匀强电场值偏弱。

4）线段1，3附近区域电场x分量与计算的匀强电场值最为接近。

已知两个极板间电压和两个极板间距，则不考虑电场边缘效应的情况下，按匀强电场计算简便快捷，然而实际情况是两个极板之间的电场发生了边缘效应。经过仿真我们确定了最接近匀强电场区域即线段1，3附近区域，因此在利用已知极板间距和极板间电压要进行探测电极校验时，重点考虑线段1，3区域进行探测电极校验，这样就能使得电场探测电极校验更加准确。

[1] 龚沈光, 卢新城. 舰船电场特性初步分析[J]. 海军工程大学学报, 2008, 20(2): 1-4.

[2] 朱武兵, 嵇斗, 王向军等. 浅海中影响运动舰船轴频电磁场的因素[J]. 船电技术, 2013, 33(11): 41-44.

[3] 嵇斗, 王向军, 柳懿等. 地磁场中潜艇运动感应静电场建模[J]. 四川兵工学报, 2014, 35(7): 4-8.

[4] Ji Dou, Wang Xiangjun. An Efficient Evolutionary Programming[C]. ISISE IEEE2008: 401-404.

[5] 申振, 宋玉苏, 王烨煊等. Ag/AgCl 和碳纤维海洋电场电极的探测特性研究[J]. 仪器仪表学报, 2018, 39(2): 211-217.

[6] 辛永磊, 许立坤, 尹鹏飞等. 全固态Ag/AgCl参比电极电位稳定性的影响因素[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2013, 33(3): 231-234.

[7] 吴刚, 张新刚, 刘波. 有孔矩形金属腔体屏蔽效能的估算[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(3): 743-748.

[8] 吴逸汀, 盛卫星, 韩玉兵. 金属材料低频磁场屏蔽效能研究[J]. 电波科学学报, 2015, 30(4): 673-678.

[9] 雷建华. 极板间距对平行板电容边缘效应的影响研究[J]. 学术探讨, 2013, 7(2): 57-58.

[10] 张树. 水下电场测量设备校准研究[D]. 武汉: 海军工程大学, 2011.

[11] 王惠玲, 李宝生. 基于边缘效应的圆环式电容传感器电场仿真分析[J]. 传感器与微系统, 2014, 33(4): 31-33.

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