序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了七篇電磁波的實(shí)際應(yīng)用范文，愿它們成為您寫作過(guò)程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

“導(dǎo)學(xué)案”的精髓貴在一個(gè)“導(dǎo)”字，是通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生自主進(jìn)行學(xué)習(xí)探究，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效課堂培養(yǎng)能力的目的。所以在設(shè)計(jì)這一節(jié)課時(shí)，我更注重引導(dǎo)學(xué)生，讓他們能從我所給出的指引中動(dòng)腦動(dòng)手，獲得知識(shí)。為此，我設(shè)計(jì)了三活動(dòng)，一個(gè)測(cè)試，依次從電磁波是什么、電磁波的應(yīng)用以及改變世界的信息技術(shù)三個(gè)方面來(lái)構(gòu)成核心，讓學(xué)生在活動(dòng)的輕松愉快的氛圍中“動(dòng)有所得”，最后的小測(cè)試來(lái)加深理解、鞏固知識(shí)。

一、學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.知道光是一種電磁波。了解電磁波在信息傳播中的作用。

2.記住電磁波在真空中的傳播速度。知道波長(zhǎng)、頻率和波速的關(guān)系并會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。

3.電磁波的應(yīng)用。

4.初步了解現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)。

二、重點(diǎn)難點(diǎn)分析

1.波長(zhǎng)、頻率和波速的關(guān)系。

2.電磁波的應(yīng)用。

三、課堂設(shè)計(jì)

活動(dòng)（一）神奇的電磁波

做一做　事先準(zhǔn)備好了五套實(shí)驗(yàn)用具，將全班學(xué)生分成五組，指導(dǎo)他們做了如下實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)收音機(jī)的開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)選臺(tái)的旋鈕，調(diào)到一個(gè)沒(méi)有電臺(tái)的位置，并開(kāi)大音量。將一節(jié)干電池的正極與一把鋼銼良好接觸，負(fù)極連一根導(dǎo)線，用手拿著導(dǎo)線的另一頭，使它在銼面上滑動(dòng)，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象并分組討論產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。

讀一讀　在活動(dòng)之后，指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，并明確如下兩個(gè)內(nèi)容。

1.當(dāng)導(dǎo)體中的電流迅速發(fā)生變化或通一高頻率的交變電流時(shí)，導(dǎo)體就會(huì)向四周空間發(fā)射電磁波。只有頻率很高的電流產(chǎn)生的電磁波才能傳得很遠(yuǎn)。電磁波的國(guó)際單位是赫茲（Hz），簡(jiǎn)稱赫，常用頻率單位還有千赫（kHz）和兆赫（MHz）。其換算關(guān)系：1kHz=103Hz；1MHz=106Hz。

2.電磁波可以在真空中傳播，光也是一種電磁波。真空中電磁波的波速為c，在空氣中與真空中電磁波的波速非常接近，c=3×108m/s。相鄰兩個(gè)波峰（或波谷）的距離，叫做波長(zhǎng)。電磁波的波速c等于波長(zhǎng)和頻率f的乘積：c=λf。在空氣或真空中，各種頻率的電磁波的波速是相同的，所以，頻率越高的電磁波，它的波長(zhǎng)就越短。

議一議　在獲得了如上知識(shí)后，再結(jié)合“做一做”的內(nèi)容探討論如下的物理現(xiàn)象：手機(jī)放在電視機(jī)旁邊，當(dāng)有電話來(lái)時(shí)，電視機(jī)的畫面會(huì)出現(xiàn)一些“雪花”，這是為什么？并且長(zhǎng)時(shí)間用手機(jī)連續(xù)通話，會(huì)出現(xiàn)頭暈的情況，這是為什么？

活動(dòng)（二）電磁波的應(yīng)用

由于電磁波比較抽象，我特意做了課件，主要涉及軍事應(yīng)用，如探測(cè)飛機(jī)、導(dǎo)彈用的雷達(dá)；民航應(yīng)用，如GPS導(dǎo)航；天文應(yīng)用，如探測(cè)遙遠(yuǎn)星球；氣象應(yīng)用，如探測(cè)臺(tái)風(fēng)、雷雨等。通過(guò)課件中設(shè)計(jì)的一些小問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)摸不到看不見(jiàn)的電磁波有一定的形象認(rèn)識(shí)。此活動(dòng)的另一個(gè)主要目的就是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

活動(dòng)（三）改變世界的信息技術(shù)

引導(dǎo)學(xué)生閱讀如下內(nèi)容，更深入了解電磁波的應(yīng)用對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的巨大影響。

1.衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，進(jìn)行通信的。通信衛(wèi)星大多是相對(duì)地球“靜止”的同步衛(wèi)星。一般只要有三顆互成120°的同步衛(wèi)星，就覆蓋了幾乎全部地球表面，可以實(shí)現(xiàn)全球通信。衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域大、靈活、可靠、不受地理環(huán)境條件限制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）就是衛(wèi)星通信的實(shí)際應(yīng)用。

2.光纜通信是應(yīng)用光的傳播特性，把光能限制在光纖內(nèi)部，用光信號(hào)取代傳統(tǒng)通信方式中的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。光纖具有傳輸容量大、傳輸距離長(zhǎng)、高抗干擾等特性。

3.移動(dòng)通信由電磁波傳遞信息，可以在信號(hào)覆蓋的任何地方使用。當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的為“蜂窩系統(tǒng)”。

四、隨堂測(cè)試

1.電磁波在真空中的傳播速度是__________；電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)其頻率就越______________；電磁波___________（填“能”或“不能”）在空氣中傳播。

2.2012年7月28日03時(shí)12分（北京時(shí)間），倫敦奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕，媒體通過(guò)通訊衛(wèi)星用______波把奧運(yùn)會(huì)的信息及時(shí)傳到世界各地。若中央電視臺(tái)第一套節(jié)目的頻率為52.5MHz（1MHz=106Hz），則中央電視臺(tái)第一套節(jié)目的波長(zhǎng)為_(kāi)_______m。

3.以下與電磁波應(yīng)用無(wú)關(guān)的是（）

A．手機(jī)通信 B．微波爐加熱食物

C．雷達(dá)偵查 D．聽(tīng)診器了解病情

4.關(guān)于電磁波和現(xiàn)代通信，下列說(shuō)法正確的是（）

A.光纖通信傳輸?shù)男畔⒘亢艽螅饕糜跓o(wú)線電廣播

B.移動(dòng)電話靠電磁波傳遞信息

C.電磁波的波長(zhǎng)越大，頻率越高

D.電磁波的應(yīng)用對(duì)人類有利無(wú)害

5.關(guān)于電磁波和現(xiàn)代通信，下列敘述不正確的是（）

A．光是一種電磁波，電磁波可以在真空中傳播

B．電磁波的頻率越高，在空氣中傳播的速度就越大

C．同步通信衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期跟地球自轉(zhuǎn)的周期相同

篇(2)

關(guān)鍵詞：仿真軟件；優(yōu)化；可視化

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0792-03

電磁場(chǎng)與電磁波課程是電子信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程理論性強(qiáng)，相關(guān)定理模型抽象。由于電磁場(chǎng)、電磁波看不見(jiàn)、摸不著，傳統(tǒng)教學(xué)基本依據(jù)公式推導(dǎo)出其傳播特性、存在狀態(tài)等特性，抽象的定律、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推證令學(xué)生望而生畏。整個(gè)教學(xué)過(guò)程既難教又難學(xué)，而近幾年該課程在教學(xué)內(nèi)容不變的情況下課時(shí)卻不斷被壓縮。因此，如何在教學(xué)過(guò)程中把握重點(diǎn)、弱化數(shù)學(xué)比例、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)成為課程改革重點(diǎn)。

結(jié)合長(zhǎng)期積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，修改教學(xué)文件，將仿真軟件引入電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中，把課程中抽象概念定理以三維模型的形式直觀的展示給學(xué)生；利用軟件模擬各種電磁波分布形式、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和自由空間電磁波的特性等，并能動(dòng)態(tài)模擬電磁波的傳播和輻射特性；利用軟件簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算，減少公式推導(dǎo)過(guò)程；還可以設(shè)計(jì)電磁仿真實(shí)驗(yàn)，把理論教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，收到了較好的教學(xué)效果。

1 仿真軟件在教學(xué)中應(yīng)用

1）基本概念、定理定律的仿真演示。本課程涉及較多的定理，庫(kù)侖定律、安培力定律、高斯通量定理、安培環(huán)路定律等定理是研究電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)，電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)麥克斯韋方程組也是由這些定理上推導(dǎo)總結(jié)出。以往在講解過(guò)程中，公式繁雜， 推導(dǎo)多， 學(xué)生用大量的時(shí)間理解定律模型、復(fù)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)，浪費(fèi)大量學(xué)時(shí)，反而忽略了對(duì)概念本身的理解。利用仿真軟件將這些定理動(dòng)態(tài)演示，將復(fù)雜的電磁場(chǎng)理論通過(guò)演示的方式表示出來(lái)，結(jié)果清晰、直觀的表現(xiàn)出了各種電磁場(chǎng)模型的特性，形象、直觀、便于理解，它不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且加快學(xué)生理解速度提高了教學(xué)質(zhì)量。

2）電磁場(chǎng)和電磁波的存在形式、特性分布等內(nèi)容的圖示化。課程中涉及較多的求解場(chǎng)量分布、特性等內(nèi)容，以往教學(xué)中推導(dǎo)出結(jié)果都是數(shù)學(xué)公式，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)薄弱和空間思維差的學(xué)生而言整個(gè)教學(xué)過(guò)程就像解數(shù)學(xué)題、而與場(chǎng)無(wú)關(guān)。我們利用軟件將常見(jiàn)的場(chǎng)量分布形式圖形化，根據(jù)源的不同分布求出不同場(chǎng)圖，繪制矢量線（電力線、磁力線）、等值線（等位線）、箭頭圖等，以幫助學(xué)生更好地理解場(chǎng)。例如電偶極子的電場(chǎng)分布、同軸電纜電場(chǎng)分布、均勻平面電磁波傳播、球面電磁波傳播、矩形波導(dǎo)傳播時(shí)電磁場(chǎng)特性等。

3）計(jì)算方式的簡(jiǎn)化。課程在求解問(wèn)題時(shí)，經(jīng)常會(huì)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，利用軟件強(qiáng)大的仿真功能，將計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化，運(yùn)用符號(hào)運(yùn)算功能進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，根據(jù)數(shù)值計(jì)算功能進(jìn)行習(xí)題求解等，節(jié)約授課時(shí)間，提高教學(xué)效率。如電磁場(chǎng)中梯度、散度、旋度問(wèn)題、求靜態(tài)邊值時(shí)有限差分法、有限元法、鏡像法等。

2 具體應(yīng)用實(shí)例

隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，近幾年出現(xiàn)了大量的電磁場(chǎng)和微波電路仿真軟件，如美國(guó)ANSOFT公司的HFSS（高頻電磁場(chǎng)仿真）、MATLAB、ANSYS等軟件。這些軟件功能強(qiáng)大、界面友好，編程簡(jiǎn)潔、效率高，特別適合于教學(xué)演示和學(xué)生實(shí)踐，用戶可以在短時(shí)間內(nèi)掌握其主要內(nèi)容和基本操作。下面我們簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例：

1）鏡像法

鏡像法是一種求解邊值問(wèn)題的間接方法，其基本原理是：用放置在所求場(chǎng)域之外的假想電荷（即像電荷）等效的替代導(dǎo)體表面（或介質(zhì)分界面）上的感應(yīng)電荷（或極化電荷）對(duì)場(chǎng)分布的影響，從而將求解實(shí)際的邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解無(wú)界空間的問(wèn)題。利用軟件仿真孤立電荷產(chǎn)生的場(chǎng)和像電荷產(chǎn)生場(chǎng)以及疊加后的場(chǎng)，電荷電量、導(dǎo)體半徑等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況輸入。下圖為半徑為2電荷為4時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)圖。

2）矩形波導(dǎo)傳播

課程在講解矩形波導(dǎo)傳播時(shí)，電磁場(chǎng)分量公式表示如公式所示。

讓學(xué)生根據(jù)公式理解其傳輸特性比較困難。通過(guò)Matlab 計(jì)算并繪出任意時(shí)刻金屬矩形波導(dǎo)的主模 TE10 模的電磁場(chǎng)分布圖，直觀的展示了波的傳輸特性。

3）有限差分法求電磁場(chǎng)靜態(tài)邊值

有限差分法是求電磁場(chǎng)靜態(tài)邊值問(wèn)題的一種數(shù)字計(jì)算法，把連續(xù)空間離散化，空間離散化越細(xì)，解的誤差越小，其計(jì)算量就越大，就使課程中大量時(shí)間用在處理數(shù)據(jù)上。而利用matlab編寫程序，根據(jù)已知條件自動(dòng)生成矩陣數(shù)據(jù)，繪制電場(chǎng)和電力線圖形，使講解過(guò)程清晰明了。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)電磁場(chǎng)與電磁波少學(xué)時(shí)、概念抽象等特點(diǎn)，將仿真軟件強(qiáng)大的計(jì)算與圖像功能運(yùn)用于電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中，使電磁場(chǎng)與電磁波分析研究問(wèn)題簡(jiǎn)單方便，幫助學(xué)生直觀的分析和理解課程內(nèi)容，不但能大大加深學(xué)生對(duì)抽象電磁場(chǎng)問(wèn)題的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且也提高了學(xué)生對(duì)工程軟件的實(shí)際應(yīng)用能力，取得了很好的教學(xué)效果。對(duì)提高教學(xué)效果具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳其昌.MATLAB在射頻電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 梁振光. MATLAB在電磁場(chǎng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2004，26（3）：73-75.

篇(3)

［摘要］針對(duì)應(yīng)用型二本高校的特點(diǎn)對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程進(jìn)行教學(xué)研究。從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行分層次教學(xué)，突出重點(diǎn)、弱化難點(diǎn)；在教學(xué)方式上采用形象化、系統(tǒng)化教學(xué)，并利用實(shí)踐教學(xué)的方式，通過(guò)HFSS軟件仿真激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］電磁場(chǎng)與電磁波；教學(xué)研究；HFSS；實(shí)踐教學(xué)

“電磁場(chǎng)與電磁波”主要研究電磁場(chǎng)和電磁波的基本概念、基本理論與應(yīng)用。該課程主要從矢量分析入手，介紹電磁場(chǎng)中的靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)和電磁波的基本理論與特點(diǎn)，為“微波技術(shù)基礎(chǔ)”、“天線與電波傳播”、“射頻電路”等后繼課程的學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)。但是由于該課程數(shù)學(xué)要求高、公式多、物理概念抽象、理論難以掌握，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中力不從心，往往有畏難情緒在里面。特別是對(duì)合肥師范學(xué)院這種應(yīng)用型二本高校來(lái)說(shuō)，學(xué)生的基礎(chǔ)相對(duì)重點(diǎn)院校的學(xué)生而言要差點(diǎn)，而且學(xué)習(xí)的自主性也欠缺，因此學(xué)習(xí)效果不是很理想，可能會(huì)有個(gè)別學(xué)生到學(xué)期結(jié)束都達(dá)不到這門課程學(xué)習(xí)的基本要求。如何做好應(yīng)用型高校電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)工作是比較緊迫的問(wèn)題，需要花更多的心思和精力來(lái)探討研究。筆者結(jié)合多年電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性的對(duì)課程進(jìn)行改革，通過(guò)課堂上學(xué)生實(shí)時(shí)反饋情況對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合應(yīng)用型高校的實(shí)際情況探索該課程的教學(xué)。

1教學(xué)內(nèi)容研究

本課程包括電磁場(chǎng)和電磁波兩大部分。電磁場(chǎng)部分是在高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用矢量分析的方法，描述靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的基本物理概念、研究靜態(tài)場(chǎng)的解題方法、以及在總結(jié)基本實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上給出時(shí)變電磁場(chǎng)的基本規(guī)律。電磁波部分主要是介紹平面電磁波傳輸特性、電磁波在導(dǎo)行系統(tǒng)的傳播規(guī)律及天線的基本理論。由于本校電磁場(chǎng)與電磁波課程只有48學(xué)時(shí)，需要針對(duì)應(yīng)用型高校學(xué)生的特點(diǎn)分層次講解課程內(nèi)容，對(duì)理論性、邏輯性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)做選修處理，既滿足大部分學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)掌握的要求，又滿足部分學(xué)生向重點(diǎn)高?？佳械男枨蟆⒄n程的必修知識(shí)點(diǎn)按照掌握、理解、了解三個(gè)層次具體劃分為：掌握矢量運(yùn)算，梯度、散度和旋度，高斯公式和斯托克斯公式，時(shí)變電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組、電磁波的波動(dòng)方程等；理解電磁場(chǎng)的矢量位勢(shì)和標(biāo)量位、泊松方程、時(shí)諧平面電磁波、截止頻率和諧振頻率等概念；了解分離變量法、庫(kù)侖規(guī)范、洛侖茲規(guī)范、滯后位等。而對(duì)鏡像法、有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等作為選修內(nèi)容。做出以上的安排主要考慮下面兩個(gè)因素：

一、有限的課時(shí)要優(yōu)先考慮重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)電磁場(chǎng)和電磁波涉及的核心知識(shí)點(diǎn)必須要詳細(xì)講解，比如散度、旋度、梯度、麥克斯韋方程組、波動(dòng)方程、平面電磁波等，至少要花三分之一的課時(shí)結(jié)合多種教學(xué)手段讓學(xué)生在理解物理概念的基礎(chǔ)上掌握基本公式及應(yīng)用。而對(duì)一些比較復(fù)雜的問(wèn)題，如分離變量法、鏡像法等知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)弱化在總學(xué)時(shí)的比例或用選修的方式做簡(jiǎn)化處理；

二、由于我校電子信息工程、通信工程專業(yè)有電磁場(chǎng)與電磁波方面的后繼課程－－－－專業(yè)必修課“微波技術(shù)”、專業(yè)方向課程“天線與電波傳播”和“射頻電路”，這些課程覆蓋了“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的不足，如有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等知識(shí)點(diǎn)完全可以在后繼課程中系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

2教學(xué)方法研究

通過(guò)多年課堂教學(xué)的探索和總結(jié)，針對(duì)二本高校學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)較薄弱的特點(diǎn)，同時(shí)為適應(yīng)應(yīng)用型高校的辦學(xué)需求，為該課程制定一套教學(xué)方法，使抽象的概念形象化，難懂的公式物理化，知識(shí)掌握的系統(tǒng)化，最終將理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用密切聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)素養(yǎng)，啟迪學(xué)生創(chuàng)新思想，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)拓展應(yīng)用能力的提高。

2．1知識(shí)點(diǎn)形象化、系統(tǒng)化

在形象化講解抽象概念的基礎(chǔ)上，將相近或易混淆的內(nèi)容做比較，通過(guò)列表的方式從物理概念、數(shù)學(xué)公式、適用條件等方面將概念進(jìn)行區(qū)分，使分散的問(wèn)題系統(tǒng)化，加深學(xué)生的理解和記憶。下面以三個(gè)度（梯度、散度、旋度）的講解為例，說(shuō)明該過(guò)程的具體實(shí)施。如何將概念形象化？例如在講解梯度時(shí)，以溫度場(chǎng)為例，介紹溫度沿不同方向的變化率。該問(wèn)題針對(duì)某一溫度場(chǎng)中的山峰，甲、乙、丙三人分別從三個(gè)不同的方向由山腳爬到山頂，行程L分別是120km、100km、80km，其中丙是垂直路徑，可以很容易算出三種不同方向的溫度平均變化率ΔTL，其中丙方向的變化率最大。然后引導(dǎo)學(xué)生思考，如果是對(duì)溫度場(chǎng)的某點(diǎn)A來(lái)說(shuō)，平均變化率就變?yōu)闇囟妊厝N方向在A點(diǎn)的變化率，表述為TL沿不同方向，自然引出方向性導(dǎo)數(shù)的概念。進(jìn)一步提示學(xué)生，在所有方向的變化率中，總有一個(gè)方向變化率是最大的，這個(gè)值就是梯度的大小，這個(gè)方向就是梯度的方向，最終將針對(duì)標(biāo)量場(chǎng)的梯度概念給完整引出。在系統(tǒng)講解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式對(duì)問(wèn)題進(jìn)行區(qū)分，找到三者之間的異同。

2．2HFSS軟件實(shí)踐教學(xué)

為改善比較死板的教學(xué)現(xiàn)狀，同時(shí)貼合應(yīng)用型辦學(xué)思想，對(duì)該課程的一些知識(shí)點(diǎn)在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上用軟件仿真的形式將無(wú)形的場(chǎng)結(jié)構(gòu)有形化，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的把握程度。工程上常用的HFSS有限元分析軟件，對(duì)于一些典型的電磁場(chǎng)問(wèn)題，如電場(chǎng)分布、磁場(chǎng)分布、電感、電容等，可以提供直觀的場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯示。下面就以半波偶極子為例，利用HF－SS軟件建模仿真其空間輻射場(chǎng)結(jié)構(gòu)。例：設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的半波偶極子天線，計(jì)算其空間電場(chǎng)分布。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程是首先分析電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布，通過(guò)在球坐標(biāo)系中將電位函數(shù)高階近似的方式推出電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)E＝－"φ＝p4πε0r3（2cosθer＋sinθeθ），其中p為電偶極矩；然后根據(jù)偶極子天線的對(duì)稱性計(jì)算對(duì)稱天線的輻射電場(chǎng)；最后計(jì)算3GHz下天線的輻射場(chǎng)分布和方向性函數(shù)。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程則是依托HFSS軟件，通過(guò)建模仿真的方式直觀的得到半偶極子場(chǎng)結(jié)構(gòu)。設(shè)置掃頻范圍2．5GHz－3．5GHz，S11參數(shù)、方向圖，以及電場(chǎng)分布。相比繁瑣的理論公式的推導(dǎo)計(jì)算，HFSS軟件實(shí)踐教學(xué)方式更容易被學(xué)生接受，在掌握電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了學(xué)習(xí)興趣，為以后的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3總結(jié)

“電磁場(chǎng)與電磁波”做為電子信息類、通信工程類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有十分重要的核心地位。針對(duì)應(yīng)用型高校如何實(shí)施教學(xué)過(guò)程是值得研究和探索的問(wèn)題。本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩個(gè)方面，圍繞教學(xué)做了初步探討。經(jīng)過(guò)實(shí)際教學(xué)檢驗(yàn)，取得了令人滿意的教學(xué)效果。

［參考文獻(xiàn)］

［1］王士彬，張蓮，萬(wàn)沛霖，包明．“電磁場(chǎng)”課程教學(xué)內(nèi)容改革的實(shí)踐［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（5）：8－11．

［2］彭麟．中美高校電磁場(chǎng)教學(xué)比較研究［J］．中國(guó)電力教育，2014，312（17）：73－74．

［3］謝處方．電磁場(chǎng)與電磁波［M］．北京：高等教育出版社，2010．

［4］孫玉發(fā)．電磁場(chǎng)與電磁波［M］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006．

［5］劉德國(guó)．“電磁場(chǎng)”課程中梯度、散度、旋度教學(xué)方法探討［J］．科技信息，2014，15：51－52．

篇(4)

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；考核方式改革；“電磁場(chǎng)與電磁波”

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）17-0115-02

電磁場(chǎng)理論為眾多交叉學(xué)科領(lǐng)域及新技術(shù)的理論基礎(chǔ)和重要的發(fā)源地。“電磁場(chǎng)與電磁波”課程涵蓋的內(nèi)容是信息類專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)于通信工程的學(xué)生尤為重要。“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是通信工程專業(yè)的必修課程，開(kāi)設(shè)此課程讓學(xué)生通曉和掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本規(guī)律、基本特性、分析方法及其應(yīng)用，為后繼專業(yè)課程學(xué)習(xí)及今后的工作奠定必要基礎(chǔ)。

一、教師和學(xué)生明確課程的教學(xué)地位及教學(xué)目的

針對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程難教難學(xué)的現(xiàn)狀，應(yīng)從教師和學(xué)生兩個(gè)方面改進(jìn)教學(xué)。教師要把課程的目標(biāo)定位弄清楚，就是要使學(xué)生能夠掌握電磁場(chǎng)與電磁波的知識(shí)的同時(shí)，也要注重各種能力的培養(yǎng)（如邏輯推理、科學(xué)思維、創(chuàng)新意識(shí)等）。課堂教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，要加強(qiáng)教師本身的能力和素質(zhì)，還要真心地?zé)釔?ài)教學(xué)工作，所以上課要有熱情，掌握節(jié)奏，有張有弛，要讓學(xué)生思考與老師同步。老師要準(zhǔn)備好課堂教學(xué)，上課要突出“講”字，不能背書。課堂講解要留有懸念，講透就是失敗者了。電磁場(chǎng)與電磁波課程強(qiáng)化場(chǎng)與波的基本概念和基本理論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)知識(shí)的重要性，把學(xué)生的主觀能動(dòng)性發(fā)揮出來(lái)。作為教師還應(yīng)該關(guān)注科技動(dòng)態(tài)，不斷充實(shí)自己，做到與時(shí)俱進(jìn)。

學(xué)生方面，學(xué)生需理解電磁場(chǎng)理論，而不是簡(jiǎn)單地了解。要充分認(rèn)識(shí)電磁場(chǎng)與電磁波理論在現(xiàn)代通信中的重要性，努力克服困難來(lái)掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本理論知識(shí)，不斷提高自己的各種能力，才能在未來(lái)的學(xué)習(xí)和工作中具備一定的優(yōu)勢(shì)。一名合格的電子、通信、信息工程類專業(yè)的大學(xué)生，應(yīng)學(xué)好電磁場(chǎng)理論，以處理本專業(yè)中出現(xiàn)的最基本的電磁場(chǎng)問(wèn)題。

二、電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)體系的變化

為了使學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與電磁波的課程變得容易些，教材前面補(bǔ)充了一些數(shù)學(xué)矢量分析和場(chǎng)論的內(nèi)容，這樣就補(bǔ)充了學(xué)習(xí)場(chǎng)的分析方法、解決電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能更好地建立場(chǎng)的概念。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)宏觀電磁場(chǎng)與電磁波的基本概念和規(guī)律有深入完整的理解。掌握麥克斯韋方程組的含義及其應(yīng)用，了解媒質(zhì)的電磁特性及電磁邊界條件，學(xué)會(huì)定量計(jì)算簡(jiǎn)單電磁場(chǎng)和電磁波問(wèn)題的基本方法，具備對(duì)簡(jiǎn)單工程電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析能力。教學(xué)中會(huì)遇到一些困難，如概念抽象、理解困難、公式多、運(yùn)算難、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、內(nèi)容繁雜、信息量大、基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系的距離遠(yuǎn)等。針對(duì)這些困難在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)整。改變以往電磁場(chǎng)分析和電磁波傳播理論兩大部分組成的內(nèi)容，我們要建立電磁場(chǎng)和電磁波的整體概念，采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的混合教學(xué)模式，來(lái)突出電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，歸納總結(jié)出宏觀電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律即經(jīng)典麥克斯韋方程組，討論靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)以及電磁波的傳播與輻射特性。教學(xué)圍繞基本知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)，從多個(gè)途徑、多個(gè)角度盡可能將科學(xué)內(nèi)涵表述清楚。教師要重視緒論課，也就是第一堂課一定要講得精彩，牢牢抓住同學(xué)們的注意力，激發(fā)電磁場(chǎng)學(xué)習(xí)和探索的興趣和欲望。緒論課介紹電磁場(chǎng)相關(guān)內(nèi)容，如什么是電磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)理論的作用、電磁場(chǎng)理論的用途、發(fā)展、為什么學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)課程、怎樣學(xué)好電磁場(chǎng)課程等。還要推薦參考書和相關(guān)網(wǎng)站，以及讀書時(shí)的注意事項(xiàng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁科學(xué)領(lǐng)域特別是電子與信息科學(xué)領(lǐng)域取得一系列重大成就，課程針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行嘗試，如增加應(yīng)用實(shí)例、科研成果，將能反映近代科學(xué)技術(shù)的成就和一些對(duì)學(xué)生有重要意義的工程內(nèi)容，引入本門課程的課堂教學(xué)之中。

三、教學(xué)方法改革

教師要有先進(jìn)的教學(xué)思想，提高自身的業(yè)務(wù)能力，改進(jìn)教學(xué)方法，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和愛(ài)好。在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)介紹本課程的定位、內(nèi)容、特點(diǎn)、與其他課程的關(guān)系以及學(xué)習(xí)方法等。教師在上課時(shí)要有激情，必須真心地?zé)釔?ài)教學(xué)工作。教學(xué)過(guò)程不僅僅是傳授知識(shí)，更要重視學(xué)生能力的培養(yǎng)，如分析能力、運(yùn)用能力和解決問(wèn)題能力。學(xué)習(xí)要以思考為基礎(chǔ)，而思考是由懷疑和答案組成的。知道的越多懷疑就越多，于是問(wèn)題也就增加了，所以發(fā)問(wèn)會(huì)使人進(jìn)步，問(wèn)題和答案一樣重要。電磁場(chǎng)理論博大精深，傾畢生心血也未必能講好，教師應(yīng)積極開(kāi)展教改、教研活動(dòng)，注意教學(xué)團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)，要經(jīng)常交流教學(xué)情況，討論課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。組織教學(xué)改革和教學(xué)研究等方面的研討，吸收并掌握國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理念，了解課程發(fā)展動(dòng)態(tài)。講課過(guò)程就是自己學(xué)習(xí)的過(guò)程、發(fā)現(xiàn)知識(shí)缺陷的過(guò)程、提高進(jìn)步的過(guò)程、享受人生的過(guò)程。教師要把發(fā)展學(xué)生獨(dú)立思考和判斷能力始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位。鼓勵(lì)學(xué)生追求知識(shí)，培養(yǎng)他們提出問(wèn)題的習(xí)慣。加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程中的互動(dòng)效果和學(xué)生的參與程度，引導(dǎo)學(xué)生多思考，多問(wèn)為什么，任意表達(dá)，敢于標(biāo)新立異，打破陳規(guī)，懷疑一切。建設(shè)“電磁場(chǎng)與電磁波”網(wǎng)絡(luò)課程。網(wǎng)絡(luò)信息量大，可在課堂上實(shí)時(shí)地補(bǔ)充相關(guān)教學(xué)資料，圖文并茂，形象生動(dòng)，學(xué)生不會(huì)疲倦。教師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)和輔導(dǎo)，豐富素材，使網(wǎng)絡(luò)課件內(nèi)容具有前沿性、實(shí)用性、綜合性和系統(tǒng)性，有利于不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量。還要加強(qiáng)電子教材的制作，使電子教材資源的數(shù)量和質(zhì)量得到提高，同時(shí)完善“電磁場(chǎng)與電磁波”試題庫(kù)、在線測(cè)試與答疑等。

四、考試方法的改革

對(duì)該課程概念抽象、理論公式復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)，老師們?cè)谕瓿烧n程教學(xué)時(shí)，要制定合適的教學(xué)大綱，選定合適的教材，采用適合學(xué)生的教學(xué)方法和考試方式等，這樣對(duì)學(xué)生而言，既能學(xué)習(xí)知識(shí)又能培養(yǎng)能力?？荚囶}不出難題、怪題，出些概念題、基本知識(shí)題。對(duì)于學(xué)習(xí)努力的學(xué)生，考試時(shí)得到高分是有利的，可以減少學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的恐懼心理，同時(shí)增加親近感，有付出就有回報(bào)，這樣就可以讓更多的學(xué)生選擇上電磁場(chǎng)課，客觀上普及了電磁場(chǎng)知識(shí)。而且好分?jǐn)?shù)對(duì)就業(yè)有利，今后學(xué)生在工作中遇到電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)不回避，增加解決問(wèn)題的信心。注重平時(shí)基本概念和分析計(jì)算方法的訓(xùn)練及考核。加強(qiáng)平時(shí)環(huán)節(jié)，避免讓學(xué)生出現(xiàn)期末一考定乾坤的現(xiàn)象。需要我們考試采用多樣形式，閉卷筆試是一種常用考試手段，但不唯一。可以加強(qiáng)平時(shí)習(xí)題的訓(xùn)練，來(lái)提高平時(shí)的成績(jī)，再如開(kāi)展小測(cè)驗(yàn)、教與學(xué)的交流、課堂教學(xué)討論等，每學(xué)期再加上期中考試，檢驗(yàn)學(xué)生前半學(xué)期的學(xué)習(xí)效果，減輕學(xué)生期末考試的壓力。這樣平時(shí)作業(yè)占總成績(jī)的10%，平時(shí)表現(xiàn)5%，面試小測(cè)驗(yàn)的成績(jī)占總成績(jī)的10%，期中考試成績(jī)占總成績(jī)的20%，加起來(lái)可達(dá)到45%，學(xué)生對(duì)期末考試的壓力將會(huì)大大減少，對(duì)待學(xué)習(xí)自己也會(huì)倍感輕松的。

五、結(jié)束語(yǔ)

“電磁場(chǎng)與電磁波”在通信工程專業(yè)建設(shè)中有著重要的地位。通過(guò)教學(xué)上的改革，使學(xué)生感到枯燥乏味的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)變得生動(dòng)有趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐和改革，有了滿足培養(yǎng)學(xué)生要求的“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱、考試題庫(kù)等材料。通信工程專業(yè)的“電磁學(xué)與電磁波”是專業(yè)基礎(chǔ)課程，教師進(jìn)行反復(fù)摸索，現(xiàn)已形成具有專業(yè)性、基礎(chǔ)性、前沿性的教學(xué)方法和教學(xué)手段，當(dāng)然，還有不完善的地方，這需在今后的教學(xué)中繼續(xù)完善。對(duì)于學(xué)生而言，掌握好本課程的理論，需要從場(chǎng)與波的角度理解和掌握，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程有很大的幫助，能夠深入分析與解釋物理現(xiàn)象的本質(zhì)，學(xué)生學(xué)好“電磁場(chǎng)與電磁波”會(huì)對(duì)相關(guān)學(xué)科中不斷出現(xiàn)的新內(nèi)容有一定的理解能力，有利于增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷菁，鄭林華，韓方景，丁宏.關(guān)于通信工程專業(yè)教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2001，24（2）：51-53.

篇(5)

1 前言

太赫茲波的概念雖然早已經(jīng)被人類所提出，但是在上世紀(jì)八十年代，太赫茲波被正式命名，對(duì)其特性的研究和發(fā)現(xiàn)，卻是九十年代之后的事情。在此之前，其一直被簡(jiǎn)單地劃歸遠(yuǎn)紅外線的范疇。由于技術(shù)限制，太赫茲波在通信范疇內(nèi)的應(yīng)用卻一直未能有效實(shí)現(xiàn)。

而隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁波波源和光源更加穩(wěn)定。太赫茲波才能夠得以有效應(yīng)用。太赫茲波具有高抗噪性、高傳輸穩(wěn)定性、瞬態(tài)性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其帶寬高，能耗低，穿透性高。因此，太赫茲波與微波以及光波相比，具有更高的信息傳遞優(yōu)勢(shì)。目前的技術(shù)水平對(duì)于太赫茲波皮秒量級(jí)的脈寬可以有效分辨。對(duì)宇宙微波背景有較強(qiáng)的抗噪性。

2 目前太赫茲波技術(shù)的主要研究成果

2.1 太赫茲波輻射源

目前，廣泛應(yīng)用的太赫茲波輻射源主要有兩種，首先是半導(dǎo)體太赫茲波輻射源。該種輻射源具有體積小、使用方便、能耗低的特點(diǎn)。目前使用較為廣泛的有Impatt、Gun振蕩器，光子產(chǎn)生方面有QCL等。目前較為主流和先進(jìn)的太赫茲信號(hào)源可以達(dá)到200mW的脈沖功率。并且已經(jīng)產(chǎn)生了太赫茲波成像技術(shù)；其次是基于光學(xué)和光子學(xué)的太赫茲波輻射源。以飛秒級(jí)的激光脈沖形成光電流，產(chǎn)生太赫茲輻射脈沖。

2.2 太赫茲波調(diào)制技術(shù)

利用無(wú)線電傳輸信號(hào)，就必須對(duì)無(wú)線電波進(jìn)行調(diào)制。在2003年，科研人員就已經(jīng)通過(guò)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和電控結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波進(jìn)行調(diào)制。但效果不佳，且只能在低于80k的溫度下進(jìn)行工作。由于太赫茲波頻率過(guò)高，傳統(tǒng)的無(wú)線電調(diào)制技術(shù)很難對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。所以一般采用電磁波代替電流信號(hào)的調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制。該方法可以在較高的工作溫度下實(shí)行，而且大幅度地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。在解調(diào)方面，目前也只能通過(guò)間接的方法對(duì)太赫茲波的震蕩進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 太赫茲波脈沖規(guī)律的研究

太赫茲波的的波長(zhǎng)介于微波與光波之間，略長(zhǎng)于紅外線。因此，太赫茲波的傳輸過(guò)程中容易發(fā)生衍射。同時(shí)，太赫茲波在傳播過(guò)程中，也極易受到介質(zhì)的散射作用影響。即散射顆粒越小，介質(zhì)對(duì)于太赫茲波的散射作用越明顯。在空氣中傳播時(shí)，受空氣中極性分子所帶電荷的影響，太赫茲波容易被極性分子所吸收。進(jìn)一步加強(qiáng)了太赫茲波的衰減。目前，較為知名的120GHz無(wú)線電通信技術(shù)，僅僅可以通過(guò)亞太赫茲波實(shí)現(xiàn)10m以內(nèi)的近距離通信和1km左右的遠(yuǎn)距離通信。但是，相較于紅外線傳輸技術(shù)，這已經(jīng)是一項(xiàng)較為重要的進(jìn)步。

3 太赫茲波通信的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及存在問(wèn)題

相對(duì)于目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的微波通信技術(shù)，太赫茲波具有更為穩(wěn)定的特點(diǎn)。其極高的頻率，極小的波長(zhǎng)使得太赫茲波通信技術(shù)擁有了更高的信息容量和傳輸速率，其理論傳輸速率最高可以達(dá)到10Gb/s。太赫茲波的理論頻帶寬度，高出了微波通信頻帶寬度1～4個(gè)數(shù)量級(jí)。而太赫茲波較短的波長(zhǎng)也使其波束較窄，這樣，太赫茲波就具有較強(qiáng)的方向性，可以減小天線尺寸，簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。而相對(duì)于光波通信來(lái)說(shuō)，太赫茲波具有更強(qiáng)的穿透性?？梢詼p小天氣對(duì)于電磁波信號(hào)傳輸效果的影響，同時(shí)能量利用率較高。因此，在解決了輻射源穩(wěn)定性的問(wèn)題之后，太赫茲波傳輸在未來(lái)必將是一種高穿透性、高速率、低能耗的電磁波通信手段。

但是目前在太赫茲波通信的應(yīng)用上，依然存在著很多的技術(shù)瓶頸無(wú)法突破。例如目前很難保證太赫茲波在大氣傳輸過(guò)程中的頻段穩(wěn)定性。即使頻段得到了穩(wěn)定的控制，也很難在當(dāng)前的技術(shù)范圍內(nèi)找到一種合適的調(diào)制技術(shù)對(duì)波段進(jìn)行控制。其次，由于太赫茲波通信信號(hào)源載波功率較低，必須對(duì)太赫茲波進(jìn)行間接調(diào)制才能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸。而實(shí)際應(yīng)用中，在技術(shù)上要求的載波功率通常要高于實(shí)際的太赫茲載波功率。因此，必須通過(guò)完善太赫茲載波信號(hào)放大技術(shù)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。然而，此項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)能有效實(shí)現(xiàn)。其三，雖然在理論上，太赫茲波的傳輸穩(wěn)定性很高，但是還不能夠完全滿足商業(yè)化、普及化應(yīng)用的需求。頻率不足、傳輸性能不足、調(diào)制和探測(cè)技術(shù)不成熟也就成為了太赫茲波通信技術(shù)發(fā)展的重大瓶頸。綜上所述，太赫茲波的最終大規(guī)模應(yīng)用還需要克服調(diào)制的高效性、信號(hào)源的穩(wěn)定性、更為有效的接收技術(shù)和信號(hào)放大技術(shù)才能夠真正得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

篇(6)

關(guān)鍵詞：電磁兼容 變電站 保護(hù)室 EMC EMI 繼電保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）08-0196-03

1 背景分析

由于早期繼電器保護(hù)設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境敏感，且大功率對(duì)講機(jī)存在造成繼電器保護(hù)裝置誤動(dòng)的可能性，因此管理層本著“安全第一、預(yù)防為主”的原則，嚴(yán)格控制（通常的做法是禁止）無(wú)線設(shè)備在變電站保護(hù)室內(nèi)的使用，甚至不允許將手機(jī)帶入主控室。該管理方式對(duì)保護(hù)室內(nèi)諸如設(shè)備調(diào)試等工作帶來(lái)一定程度的不便，尤其隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，變電站數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)不斷增加和物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)應(yīng)用，無(wú)線技術(shù)不斷地向生產(chǎn)領(lǐng)域貼近，甚至偷偷的溜進(jìn)了應(yīng)用領(lǐng)域，生產(chǎn)工作對(duì)其慢慢產(chǎn)生依賴性，但是由于現(xiàn)行管理原則的限制而無(wú)法名正言順的實(shí)行。

需求發(fā)展了技術(shù)，如傳統(tǒng)上對(duì)電磁干擾敏感的醫(yī)院和航空領(lǐng)域，都陸續(xù)放松對(duì)無(wú)線設(shè)備的限制措施，但是電力行業(yè)除用電網(wǎng)迫不得已，輸電網(wǎng)對(duì)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用依然猶抱琵琶半遮面。關(guān)于現(xiàn)行的電磁兼容管理原則是否合理的問(wèn)題，很多人都存有疑問(wèn)，但是綜自和保護(hù)專業(yè)由于技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題無(wú)法對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論，通信專業(yè)由于沒(méi)有這個(gè)領(lǐng)域的話語(yǔ)主導(dǎo)權(quán)并且需求不明顯，也懶得去碰這條線。但是需求之所在，總需要好好琢磨一下。這個(gè)問(wèn)題如果解決了，可以極大的提高各種通信業(yè)務(wù)保障的靈活性，促進(jìn)生產(chǎn)效率的結(jié)合。

很多研究和論文都是研究如何在變電站的電磁干擾環(huán)境中如何保障通信可靠性的問(wèn)題，極少有文章討論無(wú)線信號(hào)對(duì)繼電保護(hù)和綜自設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是是在微機(jī)保護(hù)使用之后，比如你是否會(huì)擔(dān)心你打手機(jī)、用WIFI會(huì)干擾你的電腦正常工作？辦公電腦尚且不會(huì)擔(dān)心，反過(guò)來(lái)?yè)?dān)心工控機(jī)，僅僅是因?yàn)樯a(chǎn)中的重要性不一樣，這個(gè)理由難免有些牽強(qiáng)。

2 電磁干擾的基本概念

如圖1所示，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，反過(guò)來(lái)變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，循環(huán)往復(fù)形成了電磁場(chǎng)并向四周傳播。電磁波的存在遠(yuǎn)超人類的發(fā)展時(shí)間，雷電、太陽(yáng)黑子爆發(fā)都能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波造成對(duì)電子設(shè)備的干擾，此外地球磁場(chǎng)、靜電、星光都是電磁波，只不過(guò)影響小一些。在電磁能廣泛應(yīng)用的今天，大量應(yīng)用著諸如通信、廣播、家用電器、雷達(dá)、電腦等電子器件，在正常運(yùn)行的同時(shí)也向外輻射電磁能，可能會(huì)對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生危害，這就是電磁干擾。我們生活和工作的空間中充滿了電磁波，雖然看不到摸不著，但是確實(shí)是客觀存在，重要做的是提高抗干擾能力，而不是一味的限制某種設(shè)備的使用，畢竟紅頭文件無(wú)法限制太陽(yáng)黑子的爆發(fā)，政策法規(guī)也不能禁止宇宙射線風(fēng)暴進(jìn)入大氣層。

電磁干擾的傳播途徑分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾，傳導(dǎo)騷擾即是基于線纜的有線方式的電磁能傳播，嚴(yán)格來(lái)講不能算是電磁波，比如電焊機(jī)等大功率設(shè)備造成的電壓瞬變可沿著電源線進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，雷電通過(guò)信號(hào)電纜傳導(dǎo)入設(shè)備內(nèi)部等，均會(huì)干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)行；輻射騷擾是電磁波在空間傳播過(guò)程中，設(shè)備的外殼、外部線纜起到天線的作用，耦合了電磁波的能量，產(chǎn)生變化的電信號(hào)——噪聲，傳導(dǎo)入設(shè)備內(nèi)部后干擾了電子器件的工作，是本文所要討論的干擾形式。

輻射騷擾對(duì)電子設(shè)備的干擾強(qiáng)度主要取決于兩個(gè)方面，一是設(shè)備所處環(huán)境中電磁場(chǎng)本身的強(qiáng)度，1000V/M的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)設(shè)備的影響肯定大于10V/M的環(huán)境；二是取決于設(shè)備對(duì)電磁波的感應(yīng)程度，也就是耦合性高低。類似不同形狀的電視天線能接受不同頻段的節(jié)目一樣，接收體形狀、材料等性質(zhì)決定電磁波對(duì)其影響的大小，通過(guò)特定的外形設(shè)計(jì)和外涂層選擇隱形飛機(jī)達(dá)到減小雷達(dá)波反射的目的，電子設(shè)備可以采用同樣的方式電磁波對(duì)其影響，這就涉及到一個(gè)產(chǎn)品電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。

3 變電站內(nèi)電磁環(huán)境分析

如圖2所示，變電站內(nèi)同時(shí)運(yùn)行著多種電壓等級(jí)、多頻率的線纜和設(shè)備，各種類型的電磁波交織在一起，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境，無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述，一般通過(guò)實(shí)地測(cè)量來(lái)進(jìn)行定性的分析。典型的為美國(guó)電力科學(xué)研究院，對(duì)變電站內(nèi)電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30年的持續(xù)研究，其成果表明高壓開(kāi)關(guān)操作干擾、一次系統(tǒng)短路故障干擾、雷電干擾對(duì)電子設(shè)備影響最大。變電站內(nèi)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備在操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列的電磁干擾，這些干擾會(huì)通過(guò)各種耦合進(jìn)入到二次回路；一次系統(tǒng)短路故障時(shí)，在站內(nèi)架空導(dǎo)線和接地網(wǎng)上會(huì)流過(guò)很大的短路電流，并在二次電纜周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的空間磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)二次設(shè)備造成較大的干擾；雷電可以以耦合、傳導(dǎo)、輻射等形式侵入二次設(shè)備。

由于電磁波首先要在設(shè)備外殼和連接線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓或電流，通過(guò)端口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部才能影響電子器件的正常運(yùn)行，在最終的干擾方式上和傳導(dǎo)騷擾是同樣的。因此，由上所述，一次系統(tǒng)的操作，能夠產(chǎn)生千伏/米數(shù)量級(jí)的電場(chǎng)強(qiáng)度的電磁干擾，會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)和輻射的方式直接耦合到設(shè)備內(nèi)部。有研究表明，即使在無(wú)操作的正常環(huán)境中，保護(hù)室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度長(zhǎng)期保持在4V/M以上，特殊時(shí)刻會(huì)瞬間遠(yuǎn)超這個(gè)數(shù)值。此外，電視廣播、無(wú)線廣播、衛(wèi)星通信、手機(jī)基站甚至太陽(yáng)黑子等不可控的電磁信號(hào)產(chǎn)生的干擾，是設(shè)備設(shè)計(jì)階段即可以預(yù)見(jiàn)并加以防治的，其造成的影響相比站內(nèi)干擾源要次之。

4 繼電保護(hù)和綜自系統(tǒng)的電磁兼容性能

變電站內(nèi)保護(hù)室內(nèi)主要的電子設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、綜合自動(dòng)化裝置以及通信設(shè)備，其中通信設(shè)備由于數(shù)字化程度高，器件密度大，處理信號(hào)速率高（G級(jí)別速率），其產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)制造時(shí)即考慮了較高的電磁兼容性能，可以承受較強(qiáng)的電磁干擾而不影響正常運(yùn)行。不考慮各種標(biāo)準(zhǔn)文件，簡(jiǎn)單的想一下即可得知，離手機(jī)天線輻射最近的電子器件恰恰就是手機(jī)自身，雖然手機(jī)電路由于器件密集易受感染。因此常常被看做干擾源的通信設(shè)備自身反而抗擾能力最強(qiáng)，也就不存在對(duì)手機(jī)等無(wú)線設(shè)備的使用限制。除此之外，保護(hù)室內(nèi)嚴(yán)格限制無(wú)線設(shè)備使用的原則，主要是考慮的是繼電保護(hù)和綜自系統(tǒng)，即使多年的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，很多運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備的電磁兼容性能所知甚少，傳統(tǒng)上依然認(rèn)為它們是電磁敏感型設(shè)備。

繼電保護(hù)設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電網(wǎng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行的重要作用毋庸多言，由于其工作電磁環(huán)境惡劣，因此各廠家均將提高產(chǎn)品的電磁兼容性能作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素。國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)TC95技術(shù)委員會(huì)成立了專門的電磁兼容研究工作組，制定了一系列的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，至今所頒布的標(biāo)準(zhǔn)中有一項(xiàng)通用標(biāo)準(zhǔn)、一項(xiàng)電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)和八項(xiàng)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 60255系列標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)相應(yīng)的繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化組織已將相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 14598系列標(biāo)準(zhǔn)；自動(dòng)化電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60870-2-1，對(duì)應(yīng)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 15153.1。規(guī)定了設(shè)備在1MHz脈沖群干擾實(shí)驗(yàn)、靜電放電試驗(yàn)、輻射電磁場(chǎng)騷擾試驗(yàn)、電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌抗擾度試驗(yàn)、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)、工頻抗擾度試驗(yàn)等方面的電磁兼容性能。除此之外，電力行業(yè)還編制了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“DL/Z 713—2000 500kV變電所保護(hù)和控制設(shè)備抗擾度要求”。

以上這些標(biāo)準(zhǔn)都從各個(gè)方面對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)化設(shè)備的抗電磁干擾能力提出了嚴(yán)格的要求，其模擬環(huán)境要嚴(yán)酷于可預(yù)想情況，其產(chǎn)生耦合的線纜和接口要多于設(shè)備正常配置、其規(guī)定的正常工作的限制要高于實(shí)際應(yīng)用情況?？傊?，電磁兼容測(cè)試環(huán)境的要求是要高于設(shè)備正常應(yīng)用環(huán)境的，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在寬頻范圍內(nèi)（80——1000MHz）設(shè)備測(cè)試環(huán)境的嚴(yán)酷等級(jí)為3級(jí)，即電場(chǎng)強(qiáng)度為10V/M。通常將電磁環(huán)境的嚴(yán)酷等級(jí)分為3級(jí)：1級(jí)為低輻射環(huán)境，如離電臺(tái)、電視臺(tái)1km以上，附近只有小功率移動(dòng)電話在使用。2級(jí)為中等輻射環(huán)境，如在不近于1m處使用小功率移動(dòng)電話，為典型的商業(yè)環(huán)境。3級(jí)為較嚴(yán)酷的輻射環(huán)境，如附近有大功率發(fā)射機(jī)在工作，為典型的工業(yè)環(huán)境。而為了在制造符合測(cè)試環(huán)境的電場(chǎng)強(qiáng)度，一般場(chǎng)強(qiáng)、試驗(yàn)距離與功率放大器的關(guān)系見(jiàn)表1，一般來(lái)講EMC測(cè)試中產(chǎn)生10V/M場(chǎng)強(qiáng)至少需要100W以上功率的放大器，這是一個(gè)相對(duì)較大的輻射強(qiáng)度了。

5 手機(jī)等無(wú)線設(shè)備的電磁輻射探討

5.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁輻射的要求

如前文所述，電磁輻射能夠?qū)υO(shè)備產(chǎn)生的影響，主要方面是取決于設(shè)備本身對(duì)電磁波的耦合程度，而能夠耦合電磁波的設(shè)備外殼和端口引線起到的是一個(gè)天線的作用。眾所周知，天線對(duì)電磁波是有選擇性的，不同頻率和不同極化方向的電磁波在天線上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是不同的。繼保和自動(dòng)化設(shè)備的電磁兼容測(cè)試選擇的是80M——1000Mhz這個(gè)頻率范圍，這說(shuō)明其它頻率的電磁波干擾要折合到這個(gè)頻率范圍來(lái)計(jì)算，這涉及到對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉展開(kāi)等頻域的換算，具體公式不談，結(jié)果是不是所有能量都會(huì)變換到指定頻域，體現(xiàn)在實(shí)際中就是雖然發(fā)射功率足夠大，但是不一定能夠產(chǎn)生同等的干擾能力。因此，世界各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)無(wú)線設(shè)備電磁輻射規(guī)定都是對(duì)低頻域設(shè)置的。表2是各組織在兩個(gè)手機(jī)常用頻點(diǎn)上的功率密度的限制值，此處需要說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題，雖然通過(guò)功率密度和電場(chǎng)強(qiáng)度的換算關(guān)系式可以得出，約265μW/cm2即可在相應(yīng)位置產(chǎn)生10V/M的電場(chǎng)強(qiáng)度，看起來(lái)門限不高，但是功率密度是輻射功率在單位面積上產(chǎn)生的（cm2）分配，如果半徑為1米的話，球面積為125600cm2，按照26μW/cm2計(jì)算，不考慮路徑中的損耗，則該層功率合計(jì)為33W，因此，實(shí)際測(cè)試環(huán)境考慮到各種損耗和天線等因素，一般選擇250W的功率放大器。（如表3）

5.2 WIFI設(shè)備輻射功率的探討

目前個(gè)人廣泛使用的無(wú)線設(shè)備主要是WIFI路由器和手機(jī)。對(duì)于WIFI設(shè)備其工作頻率在2.4G和5G，也就是2400MHZ和5000MHZ這兩個(gè)波段，其設(shè)計(jì)的初衷是為了覆蓋100米之內(nèi)的范圍，所以輻射功率較小。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的測(cè)試，在2英尺（0.6米）的距離上，WIFI設(shè)備所能產(chǎn)生的輻射，大概是2μW/cm2，即每平方厘米百萬(wàn)分之一瓦特。相比而言，由電視、收音機(jī)這些設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的輻射，大概是1μW/cm2，所以IEEE802.11b設(shè)備的輻射只不過(guò)是這個(gè)數(shù)據(jù)的2倍。我國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)的規(guī)定，無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品的發(fā)射功率，不能大于10mW，所以我們一般從市場(chǎng)上買到的無(wú)線路由器，其配置菜單對(duì)功率的調(diào)節(jié)最大就是10mW。由此看來(lái)，WIFI設(shè)備輻射的電磁場(chǎng)干擾，對(duì)繼保和綜自設(shè)備抗擾性來(lái)說(shuō)是微乎其微的。在當(dāng)前IP業(yè)務(wù)泛濫的情況下，很多新型接入業(yè)務(wù)都依賴于WIFI設(shè)備的部署，這也是在各種安全管控的高壓態(tài)勢(shì)下，卻屢禁不止的一個(gè)原因。為了更好的發(fā)展，我們要以積極的態(tài)度研究WIFI設(shè)備在變電站內(nèi)的應(yīng)用，而不是簡(jiǎn)單的一禁了之。

5.3 手機(jī)輻射功率的探討

除WIFI外，我們最常用的移動(dòng)無(wú)線設(shè)備就是手機(jī)了。當(dāng)前我國(guó)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要分為2G和3G兩種。2G網(wǎng)絡(luò)的代表為GSM制式，3G網(wǎng)絡(luò)都是基于CDMA技術(shù)的。GSM手機(jī)工作在800M和1800M兩個(gè)頻段上，對(duì)于GSM900M發(fā)射功率分為不同的級(jí)別，每個(gè)功率級(jí)別差2dB，手機(jī)最大發(fā)射功率級(jí)別是5（33dBm，2W），最小發(fā)射功率級(jí)別是19（5dBm，3.2mW）；對(duì)于GSM1800M最大發(fā)射功率級(jí)別是0（30dBm，3W），最小發(fā)射功率級(jí)別是15（0dBm，1mW）。CDMA IS-95A規(guī)范對(duì)手機(jī)最大發(fā)射功率要求為0.2W-1W（23dBm-30dBm），實(shí)際上目前網(wǎng)絡(luò)上允許手機(jī)的最大發(fā)射功率為23dBm（0.2W），規(guī)范對(duì)CDMA手機(jī)最小發(fā)射功率沒(méi)有要求。

在實(shí)際通信過(guò)程中，在某個(gè)時(shí)刻某個(gè)地點(diǎn)，手機(jī)的實(shí)際發(fā)射功率取決于環(huán)境，系統(tǒng)對(duì)通信質(zhì)量的要求，語(yǔ)音激活等諸多因素，會(huì)隨著與基站之間的鏈路測(cè)算進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。手機(jī)與系統(tǒng)的通信可分為兩個(gè)階段，一是接入階段，二是話務(wù)通信階段。對(duì)于GSM系統(tǒng)，手機(jī)在隨機(jī)接入階段沒(méi)有進(jìn)入專用模式以前，是沒(méi)有功率控制的，為保證接入成功，手機(jī)通常以最大發(fā)射功率。在專用信道分配后，手機(jī)會(huì)根據(jù)基站的指令調(diào)整發(fā)射功率，通常每60ms調(diào)整一次，幅度是一個(gè)級(jí)別（2db）。對(duì)于CDMA系統(tǒng)，手機(jī)在隨機(jī)接入狀態(tài)下，會(huì)根據(jù)接收到的基站信號(hào)電平估計(jì)一個(gè)較小的值作為初始發(fā)射功率，如果沒(méi)有得到基站的應(yīng)答信息，會(huì)增加發(fā)射功率，直到收到基站的應(yīng)答或者到達(dá)設(shè)定的最多嘗試次數(shù)為止。在通話狀態(tài)下，每1.25ms基站會(huì)向手機(jī)發(fā)送一個(gè)功率控制命令信息，命令手機(jī)增大或減少發(fā)射功率，幅度為1dB（10倍）。

圖3和圖4為某機(jī)構(gòu)對(duì)CDMA和GSM在常見(jiàn)環(huán)境下的發(fā)射功率分布圖，表4為10種典型手機(jī)發(fā)射功率的實(shí)測(cè)值。CDMA手機(jī)的線性平均發(fā)射功率為2.4dBm（1.72mW），以最大功率（23dBm，0.2W）發(fā)射的概率為0.2%；GSM手機(jī)的線性平均發(fā)射功率為28.9dBm（773mW），以最大功率（2W）發(fā)射的概率為21.8%。表4為某機(jī)構(gòu)對(duì)十款常見(jiàn)手機(jī)的輻射功率的測(cè)試結(jié)果。從中可以看出，雖然GSM手機(jī)的發(fā)射功率偏大，但是考慮到4G時(shí)代的來(lái)臨，2G手機(jī)制式已經(jīng)逐步退出歷史舞臺(tái)，現(xiàn)在普遍使用的基于CDMA的3G制式，手機(jī)的輻射功率將小得多，低于我們電磁測(cè)試環(huán)境要求的限值。

6 結(jié)語(yǔ)

本文的編寫不是學(xué)術(shù)型目的，而是基于為相應(yīng)管理者提供參考，因此內(nèi)容盡量通俗，，文章對(duì)公式的應(yīng)用和概念的描述并非十分嚴(yán)格，目的是為了易于非專業(yè)人士理解所要闡述的思想。本文所要說(shuō)明一個(gè)論點(diǎn)就是要深入考慮變電站保護(hù)室內(nèi)對(duì)無(wú)線設(shè)備的禁用原則，將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)到如何在復(fù)雜和惡劣的電磁環(huán)境下保證設(shè)備正常運(yùn)行，以及對(duì)入網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，要讓設(shè)備適合我們的應(yīng)用，而不是我們來(lái)適合設(shè)備。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)線業(yè)務(wù)的應(yīng)用趨勢(shì)勢(shì)不可擋，我們要積極的探索適合變電站內(nèi)系統(tǒng)的無(wú)線模式，以此來(lái)跟上社會(huì)潮流，提高工作效率，反而可以進(jìn)一步提高電網(wǎng)的安全可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒澎.電磁兼容原理、技術(shù)和應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2007.

[2]Theodore Frankel S.Rappaport[美].無(wú)線通信原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2007.

[3]王海青.電磁輻射環(huán)境研究[J].航空電子技術(shù)，2001（01）.

篇(7)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1008-925X(2012)07-0185-01

摘要：

在對(duì)建筑巖土工程錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)中常用的電磁波探測(cè)法和地震波-超聲波探測(cè)法兩類無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析后，結(jié)合建筑巖土工程錨桿錨固失效機(jī)理，介紹了基于應(yīng)力波的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具體工作流程。

關(guān)鍵詞：建筑巖土工程；錨桿錨固；無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

巖土錨固技術(shù)在礦山、水電、橋梁、建筑、公路、以及鐵路等工程中作為主要的巖土永久性支撐體系，得到廣泛推廣使用，不僅技術(shù)較為完善而且使用量相當(dāng)大。隨著建筑工程建設(shè)步伐的不斷加快，預(yù)應(yīng)力錨索(桿)在建筑巖土工程中得到了快速發(fā)展，主要用于工程區(qū)邊坡加固和地下建筑物工程的加固支護(hù)。由于建筑工程是一個(gè)涉及專業(yè)多、施工環(huán)境復(fù)雜的大系統(tǒng)，加上建設(shè)材料、施工技術(shù)、巖土地質(zhì)條件等因素的共同影響，建筑巖土錨固結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在施工和后期運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中，必然會(huì)存在一些安全問(wèn)題，具有一些缺陷。對(duì)于建筑巖土工程的錨桿-圍巖支付加掛結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，從大量文獻(xiàn)資料和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，主要存在的缺陷有：錨桿體自身質(zhì)量缺陷（如：錨桿材質(zhì)不均勻、存在裂縫、孔洞等，錨桿桿體防腐措施不到位出現(xiàn)銹蝕等）、膠結(jié)體自身質(zhì)量缺陷（如：密封膠結(jié)體密實(shí)度不夠、內(nèi)部存在孔洞、裂隙、以及“蜂窩”等）、密封膠結(jié)體與錨桿體、圍巖等物體間的膠結(jié)性能不良；另外還可能存在建筑巖土工程建設(shè)區(qū)地質(zhì)界面、軟弱地層等不利地質(zhì)條件對(duì)錨桿錨固工程質(zhì)量造成影響。上述存在錨固性能缺陷的錨桿-圍巖結(jié)構(gòu)體系，在建筑過(guò)程中通常稱為“缺陷錨桿”，缺陷錨桿不僅會(huì)影響整個(gè)工程的施工綜合質(zhì)量水平，而且還會(huì)為后期高效穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)埋下巨大的安全隱患。隨著這些安全隱患不斷產(chǎn)生和積累，就會(huì)大大降低建筑巖土工程的綜合支付性能水平，甚至使具有永久支護(hù)的巖土工程出現(xiàn)失效等嚴(yán)重事故。因此，對(duì)建筑巖土工程的錨固結(jié)構(gòu)存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行質(zhì)量診斷，并結(jié)合實(shí)時(shí)分析和補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，一直作為建筑巖土工程人員研究的一個(gè)重要課題［1］。

1 建筑巖土工程錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

常規(guī)的靜載荷質(zhì)量檢測(cè)方法在準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性、以及大面積動(dòng)態(tài)檢測(cè)等方面均不能滿足現(xiàn)代建筑巖土工程錨桿錨固質(zhì)量大面積檢測(cè)需求，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要利用一些輔助儀器設(shè)備對(duì)錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，不僅能夠準(zhǔn)確檢測(cè)分析出錨桿錨固質(zhì)量水平，同時(shí)還不會(huì)對(duì)錨桿產(chǎn)生二次破壞，尤其適用于建筑巖土工程大面積探傷檢測(cè)領(lǐng)域。巖土工程中無(wú)損探測(cè)技術(shù)主要利用與錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)相應(yīng)硬件儀器設(shè)備、傳感器、以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)處理器共同組成，從而利用系統(tǒng)的檢測(cè)分析系統(tǒng)對(duì)巖土工程錨桿錨固質(zhì)量水平進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)和綜合安全評(píng)估。用于建筑巖土工程的無(wú)損探測(cè)技術(shù)是在電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，經(jīng)過(guò)巖土安全質(zhì)量檢測(cè)工作人員幾十年的不斷研究和工程應(yīng)用，逐步形成了一整套完善的無(wú)損檢測(cè)體系，并發(fā)展出了多種巖土工程無(wú)損檢測(cè)方法，主要以電磁波探測(cè)法和地震波-超聲波探測(cè)法最具代表性。電磁波無(wú)損檢測(cè)法主要包括地質(zhì)條件雷達(dá)、紅外線溫度場(chǎng)綜合掃描探測(cè)法、射線探傷診斷法、以及光學(xué)成像法等。工程中常用的另一種無(wú)損探測(cè)技術(shù)地震波-超聲波無(wú)損探測(cè)法主要包括高精度地震波法、瑞利波法、TSP法、以及聲波（超聲波）探傷法等。從兩類巖土工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的工作機(jī)理來(lái)看，電磁波無(wú)損探測(cè)技術(shù)主要以電磁振蕩激發(fā)形成對(duì)應(yīng)的電磁波，通過(guò)對(duì)電磁波進(jìn)行綜合分析，獲得相應(yīng)的探測(cè)數(shù)據(jù)信息結(jié)果；地震波-超聲波無(wú)損探測(cè)技術(shù)為機(jī)械震動(dòng)激發(fā)形成地震波、聲波（或超聲波），然后利用相應(yīng)計(jì)算單元對(duì)此類波形進(jìn)行分析，形成對(duì)應(yīng)的探測(cè)結(jié)果。

2建筑巖土工程錨桿錨固失效機(jī)理分析

從大量文獻(xiàn)資料和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，建筑巖土工程錨桿錨固失效機(jī)理主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

2.1桿體鋼筋拉斷。

桿體鋼筋是整個(gè)巖土錨固體系中主要受力體，桿體鋼筋拉斷常出現(xiàn)在錨桿桿體尾部的絲扣部位，由于該處是一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，很容易出現(xiàn)應(yīng)力綜合作用導(dǎo)致出現(xiàn)拉斷問(wèn)題。工程中常采用熱處理，提高鋼筋的韌性，從而防止出現(xiàn)桿體鋼筋拉斷失效現(xiàn)象。

2.2托板失效。

錨桿托板在實(shí)際應(yīng)用中可能受到的最大壓力與錨固錨桿的最大拉拔力相等，為了避免出現(xiàn)托板失效現(xiàn)象，通常采用高強(qiáng)度鋼材、增大錨桿托板厚度等技術(shù)措施，提高托板耐壓能力，提高整個(gè)錨固結(jié)構(gòu)性能水平。

2.3粘結(jié)破壞。

粘結(jié)破壞是影響錨桿錨固質(zhì)量的外部主要原因，在工程中通常表現(xiàn)為三種失效現(xiàn)象：a.錨固錨桿-粘結(jié)劑接觸面間發(fā)生破壞；b.巖土圍巖-粘結(jié)劑接觸面間發(fā)生破壞；c. 軟弱圍巖抗剪強(qiáng)度一般小于7MPa，從早晨破壞面深入到圍巖體內(nèi)，形成粘結(jié)破壞。工程中通常采用樹(shù)脂錨固劑和增加錨桿錨固長(zhǎng)度等措施，防止出現(xiàn)巖土錨固結(jié)構(gòu)出現(xiàn)粘結(jié)破壞現(xiàn)象。

2.4圍巖局部破壞造成錨空失效。

從大量工程實(shí)際應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)表明，錨固錨桿出現(xiàn)由于錨空失效的主要原因是由于巖土圍巖局部發(fā)生破壞引起。當(dāng)采用錨固錨桿或錨噴等技術(shù)進(jìn)行巖土巷道工程支護(hù)時(shí)，由于荷載在圍巖中某些薄弱點(diǎn)面出產(chǎn)生的應(yīng)力不均勻，就會(huì)在某些薄弱環(huán)節(jié)處發(fā)生局部破壞，這樣就會(huì)導(dǎo)致錨固錨桿的切向錨固力迅速減小甚至喪失，相應(yīng)徑向錨固力(托板托錨能力和粘結(jié)粘錨能力)也會(huì)隨著大幅度減小，從而引起錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)性能發(fā)生大面積降低，出現(xiàn)更大范圍的破壞［2］。

3 建筑巖土工程錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

在進(jìn)行建筑巖土錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)分析前，首先在搜集完圍巖地質(zhì)基本資料信息后，準(zhǔn)確標(biāo)定瞬態(tài)外力激振所產(chǎn)生的應(yīng)力波速度大小，然后再利用相應(yīng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置動(dòng)態(tài)獲取反射波的數(shù)據(jù)信息，從而通過(guò)相應(yīng)程序計(jì)算分析獲得巖土錨桿長(zhǎng)度、錨固質(zhì)量水平等數(shù)據(jù)結(jié)果，基于應(yīng)力波檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具體工作流程如圖1所示：

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，如果頻譜分析分析數(shù)據(jù)中應(yīng)力波峰值的頻率間隔量（即通常所說(shuō)的頻差Δf）存在大小不等、變化區(qū)間較大等現(xiàn)象時(shí)，則可以判斷該錨固體內(nèi)部砂漿的強(qiáng)度較高、握裹力較大；反之，當(dāng)頻差大小基本保持一致，且呈現(xiàn)等間距分布狀態(tài)時(shí)，則可以判斷砂漿強(qiáng)度較小、握裹力較小，利用這些基本經(jīng)驗(yàn)結(jié)合動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息就可以動(dòng)態(tài)分析建筑巖土工程錨桿錨固質(zhì)量水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

建筑巖土工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等高新技術(shù)不斷發(fā)展基礎(chǔ)上形成的，在巖土工程錨桿錨固質(zhì)量水平檢測(cè)領(lǐng)域具有非常強(qiáng)大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)