声磁系统

声磁系统的原理: 检测系统的发射器以1/75秒间断的发射58kHz的低频磁波，在周围形成检测区。当由两片特殊的非晶体金属片组成的标签进入检测区域时，由于对电磁场形成干扰或其他形式的感应，即共振信号，此信号会被配套的接收器收到，从而引起系统报警。

1. 声磁系统组成 声磁防盗系统由三部分组成: 一是检测器。包括发射器和接收器两部分。基本原理是利用发射天线将一交变磁场发射出去，在发射天线和接收天线之间形成一个感应区，利用电磁波的共振原理来搜寻特定范围内，有否有效标签存在（即未经过解码器解码的标签存在），当出现有效标签即触发报警。二是声磁标签。是由无序排列的非晶体金属准确地切割成58kHz的尺寸，通过进入检测区与偏磁片产生共振并反射到接收支座。三是解码器，它是软标签解码失效的非接触式装置。当收银员收银时，电子标签无须接触消磁区域即可解码; 或将解码器和激光条码扫描仪合成一体的设备，一次性完成商品收款和解码。

2. 声磁识别原理 声磁防盗系统属于单比特射频识别系统，采用的调制方式是振幅键控（ASK）的数字调制法。天线发射的交变磁场，其中调制信号为二进制编码信号，由0和1两个状态的单比特序列组成，脉冲维持时间为，脉冲关断时间为，脉冲周期为20ms，需要的脉冲振幅较大; 载波信号为58kHz（或60kHz、68kHz）低频正弦信号; 已调信号就是调幅系数为100%的ASK信号。 当声磁标签进入ASK激励的交变磁场（检测区），且标签谐振频率与载波频率一致时，因为磁致伸缩效应，标签内会产生共振现象。当关断激励的交变磁场时，根据标签的压磁效应，共振信号会维持一段时间，出现阻尼振荡; 另外，由于机械能与磁场能是交替转换的，因此共振信号是一种声磁复合信号，正是声磁系统的含义所在。共振信号不仅作为激励磁场的空间延伸，而且具有超声波的特性。因此，接收器中的感应线圈很容易检测到共振信号，从而驱动系统的报警装置。 声磁标签的交变磁场 声磁识别原理: 一是信号的中心频率为58kHz，带宽为57.8kHz至58.2kHz (0.4kHz) ，是目 前所有电子防窃系统中最窄的，所以极不可能受到干扰而造成误报。二是系统判定标签信号的过程。当发射信号关断后，接收器连续收到6次（可调）共振信号，如每次共振信号的功率及频率都相同，则认定为标签信号; 如为外界干扰信号不可能一秒内产生6次完全相同信号; 反复以上识别过程，可精确判定标签信号，实现几乎零误报的操作。

所谓声磁系统，是指利用音叉原理产生的共振现象，实现几乎零误报的操作。当发射信号（交变磁场）频率与声磁标签振荡频率一致时，声磁标签类似于音叉会引起共振，产生共振信号（交变磁场） ; 当接收器检测到连续4-8次（可调）的共振信号（每1/50秒一次）后，接收系统就会发出报警。 声磁系统的特性是防盗检测率高、几乎零误报、不受金属锡箔纸屏蔽、抗干扰性好、保护的出口宽(单套系统最宽可保护4米)。

1.磁致伸缩效应 磁致伸缩效应: 在外磁场作用下，铁磁性物质尺寸变化 ; 在去掉外磁场后，其又恢复原来的长度。由于在磁场作用下，磁致伸缩材料长度线性变化，发生位移 ; 或在交变磁场作用发生反复变化，从而产生振动或声波 ; 这种材料可将电磁能转换成机械能或声能，相反也可以将机械能转换成电磁能; 前者称为磁致伸缩效应，后者称为压磁效应。 在一定磁场强度作用下，铁氧体磁性金属产生长度变化，可以理解是由于磁化而导致原子间距的微小改变。在一个交变磁场中，可以看到磁致伸缩的金属条按照交变磁场的频率在振动。若交变磁场的频率与金属条谐振频率一致的话，其振幅最大，即产生共振，这一效应对坡莫合金（或称铁镍合金）尤其明显。 另一方面，这种磁致伸缩效应又具有可逆性，即压磁效应。因此，当交变磁场频率与声磁标签中的金属条谐振频率一致时，其中坡莫合金条开始振动。当关断交变磁场时，声磁标签就会像音叉一样维持一定时间的阻尼振动，并产生共振信号，作为交变磁场的空间延伸，可通过接收器检测到这种共振信号。 用磁致伸缩系数λ来描述磁致伸缩效应，λ=（LH-L0）/L0，L0为物质原有长度，LH为在外磁场作用下物质变化后的长度。由于坡莫合金具有高磁致伸缩系数，如: Ni50坡莫合金λ=25×10-6，Ni80坡莫合金λ=（0.1"0.5）×10-6，所以，坡莫合金的磁致伸缩系数均较大，标签产生的共振信号也较大。

2.磁机械耦合系数k 当坡莫合金薄带在偏磁场下受到交变磁场的激励时，由于磁致伸缩效应与压磁效应，薄带内产生磁能与机械能之间的交替转换，这种能量的转换称为磁机械耦合，用磁机械耦合系数k来衡量其大小，并用下述方法确定k值。声磁标签内核心元件是坡莫合金薄带。 根据唯象理论，磁机械耦合系数k表示为: 上式中fr为共振频率，fa为反共振频率。 在根据声磁标签测试绘制的谐振曲线中，当激励信号频率为57.9kHz时，谐振曲线达到最大值，即fr=57.9kHz ; 当激励信号频率为59.7kHz时，谐振曲线达到最小值，即fa=59.7kHz。因此，计算磁机械耦合系数k=0.251。 显然，声磁标签存在共振点和反共振点，在很小的激励磁场的作用下，它能产生较大的共振信号，而且两点间电压差较大，说明标签有较大的磁机械耦合系数。尖锐谐振曲线表明标签有较高的Q值和较窄的带宽以及较强的选择性。因此，若设置适当偏置磁场，使其工作在特性较好的区域，可以获得较高的共振信号和较强的频率稳定性。

3.音叉效应 声磁标签是由小塑料盒组成，长约为40mm，宽为8"14mm，厚为1mm（现有更薄的）。在小盒中，由两种金属条构成类似于音叉的结构，一种是固定在塑料盒上的硬磁金属条，另一种是能自由振动的软磁坡莫合金条。根据标签的特殊材料和结构，导致其具有一定的谐振频率; 当外加交变磁场频率与标签谐振频率一致时，就会产生共振。由于存在磁致伸缩效应与压磁效应，当外加交变磁场消失后，标签仍会产生阻尼振荡，形成磁场能与机械能交替转换模式，产生衰减型共振信号，这是一种声磁复合信号。典型声磁标签的工作频率为58kHz，音叉共振信号类似于超声波，因此，抗干扰能力和穿透力极 强，这是区别于其他标签的最大优点。 在利用音叉效应识别过程中，实际上是电磁能与机械能相互转换的过程，但是，由于磁敏器件的换能效率低，需要强大的发射功率，如最小激活磁场强度的典型值大于16A/m，所以，声磁系统的天线检测器较为庞大。

当出口公司获得欧美订单时，一般都要用防盗标签; 特别是欧美连锁超市100强，大部分都用美国先讯美资的58kHz声磁防盗系统。只有在商品上贴DR防盗标签，才能进入欧美超市。 声磁系统有软硬两种防盗标签。先讯美资的声磁软标签有DR和EL标签两个系列，前者由二片振动片和一片基片组成，后者由一片振动片和一片基片组成，适用于服装、鞋帽、箱包和带包装的日用品/食品等。 标准型声磁系统具有较高的检测率，接近零误报的卓 越性能; 数字技术、软件驱动的智能技术; 系统与支座集成一体，1.4 米的保护出口; 具备声光报警。消磁设备可分为接触式和非接触式两大类型。接触式要求声磁标签与消磁器表面接触，而非接触式可在距声磁标签12-20cm处为标签消磁。 2100433B

由于当今大多采用氧化锌非线性电阻灭磁，所以以下的讨论都是基于氧化锌非线性电阻。采用碳化硅灭磁时与氧化锌非线性电阻灭磁设计的原则类似。而对于线性电阻的灭磁，所要考虑的仅仅是灭磁电阻以及电阻功率的选取，标准中有确切规定。

灭磁系统设计考虑工况

灭磁系统设计所需考虑的工况，在国内有些争议。一是建议按照额定负载下，发电机机端三相短路的工况考核灭磁系统电流、能容以及需要建立的弧压。二是认为在空载发电机励磁失控误强励的工况来考核。

通常认为最危险的工况是空载励磁失控误强励。此时开关面临应对整流输出直流电压和灭磁残压的叠加，并且电流也上升到失控强励的电流（此电流值不会比三相短路电流小），而且可以证明此时发电机储存的能量比三相短路的能量要大。因而采用此工况是合适的。

灭磁设计需要考虑的几个问题

ZnO（这里以及文中其他地方所提到的ZnO均是指低场强高能量的非线性ZnO电阻）与SiC相比有较强的非线性特性，在灭磁过程中磁场电压几乎不变，灭磁速度快，可以使发电机的灭磁更接近于理想灭磁，因此在我国得到了广泛的应用。本文主要针对ZnO灭磁设计中值得注意的问题展开讨论。

在灭磁主回路确定的前提下，ZnO灭磁的设计中主要考虑的问题包括：灭磁能容的估算、灭磁阀片最大允许通流能力、灭磁装置最大允许电流、灭磁电阻的残压、灭磁电阻正反向荷电率、并联支路灭磁电阻的均流和均能等。

灭磁容量的计算

事 实上根据ZnO阀片的试验结果，ZnO阀片的最大能容远远大于其标称容量。ZnO非线性电阻的能容量不是设计中最重要的因素，因为ZnO容量基本能够满足灭磁支路最大允许电流时的能容，而非线性灭磁电阻的损坏主要是由短时过电流以及长期老化引起。以火电135MW自并激机组为例，根据能容的计算，一般都在2MJ以下，而发电机的额定励磁电流一般在1300A以上。IEC37.18标准规定，发电机最大可能产生的励磁电流为额定励磁电流的3倍，即3900A以上。一般非线性灭磁电阻的并联支路数在32路以上，甚至不少于40支路，当采用两个阀片串联时，则阀片数量不少于80片。而阀片的实际能容都在30KJ以上，大多数阀片的最大能容在50-60KJ以上。也就是说，当ZnO并联支路数满足要求时，一般阀片的总能容都远远在灭磁能容的计算值之上。

这里有两点值得大家注意：第一，在我们在考虑最危险灭磁工况时，灭磁阀片的能容不应该简单地考虑阀片的标称能容，而应该考虑阀片的最大能容，在此基础上考虑均能、均流因素以及一定的裕量。也就是说，在考虑发电机最危险灭磁工况时，阀片的每片能容按30KJ计算是可行的。第二，理论上同样配比的材料烧制出的阀片的能容与阀片的体积成正比，所以同样截面的ZnO阀片，残压较高的阀片应该具有较大的能容。2100433B

用非均匀系输运理论首次导出不等于零的M张量的分量Mxx的理论公式，由此算出的低维半导体系的声拖磁热功率振荡与实验符合的情况远优于前人的结果。提出对耦合双柱形量子阱的库仑牵引电阻率的计算可以统一地导出耦合二维——二维系和耦合二维——一维系的库仓库牵引电阻率，有关研究对低维集成器件的开发设计有一定的价值。在计及由电荷转移而造成的内电功和电子空穴间互作用的条件下计算了双量子阱、双量子线及双量子点之间电子空穴对的隧穿。以此为基础在综合讨论上载流子的声助驰豫率，电子 空穴对隧穿入氧化层并被发光中心吸收以及纳米粒子内外辐射的无辐射复合率的相对大小后，确证了可解释纳米品耗发光大部份实验的“量子限制发光中心模型”的要行性。 2100433B

串联耗能灭磁

磁最初就是直接利用耗能开关吸收发电机转子中储存的能量。比如俄罗斯生产的耗能开关利用弧间隔燃烧来耗能。但是这种方式存在如下缺点：

a.体积大

b.不易维护

c.灭磁成功与否取决于弧的形成

d.容易引起事故

e.产品根据发电机机组容量需要特殊订制，不易规模化，系列化

由于这些缺点的存在，采用耗能开关的灭磁方式逐渐被并联移能灭磁方式代替。

机械开关并联移能灭磁

机 械开关串联于励磁主回路、灭磁耗能电阻并联在转子两端是这类灭磁的接线方式。

ANSI/IEEEC37.18-1979标准规定，一般机械开关需要有至少一对主触头（MK1）、一对灭磁常闭触头（MK2）。20年来，随着国内ZnO电阻耗能在灭磁系统中的应用，灭磁触头也并非必要了。但值得注意的是，在不采用灭磁触头的灭磁系统中，需认真核算ZnO的灭磁残压与荷电率。

这类灭磁方式在国内是主要的灭磁方式。主回路有明显的开断触头，在励磁系统内部故障时，可以开断励磁主回路，切断故障源，快速地消灭发电机主磁场，将发电机损失控制在最小范围内。使用的机械开关主要有DM2、DM4、DMX、E3H、E4H、UR、PHB、MM74、CEX等。

这类灭磁方式的主要问题是灭磁开关选型比较困难。小机组选大的开关，成本比较高；选小开关满足不了工况要求；大型尤其是巨型水力发电机机组开关选择更为困难。

电子开关并联移能灭磁

前 些年，国内一些厂家将灭磁开关建压任务转移到电力电子器件上来。其原理是利用电容的放电过程，使可控硅的电流降到零，并形成反压使之关断。

这类方式下开关动作时间短，因此开关在开断过程中所需遮断能容就小，并且建压速度快，利于快速灭磁。但其缺点是开关动作的可靠性取决于电子回路工作的可靠性。

与机械开关比较它没有触头磨损，易于维护，成本也低。但在大电流系统中不宜采用。它存在两个问题：发热问题及器件选型问题。然而值得注意的是，随着电力电子器件的快速发展，高电压大电流的全控器件也会在不久投入商业运行。电力电子器件将在灭磁中发挥更大的作用。但是长期通流带来的发热仍是采用这种方法需解决的首要问题。

为克服上述两种灭磁方式的缺点，人们开始在材料科学领域探索，寻找一种既不发热，又可以建压的材料。将PTC电阻或钼棒与开关并联，利用材料在温度升高时电阻急剧增加的特点，建立比较高的电压，打通灭磁电阻回路，实现灭磁。也可以采用超导材料串入回路，在需要灭磁时使超导材料失超。但是若要建立比较高的电压，超导体的长度相应比较长，体积比较大。

由于以上灭磁方式的缺陷，业内人士希望能够将可控硅整流桥直接关断，将机械开关移至励磁变低压侧。这样解决了励磁系统具有明显开路点的问题、又解决了机械并联灭磁方式开关难选择的问题。

交流灭磁

与水轮发电机相比，灭磁对于汽轮发电机要相对容易一些。主要因为转子电感值较小，阻尼绕组作用比较明显，因此交流灭磁在汽轮发电机励磁系统应用较多。交流灭磁是将直流开关难开断、难建压的问题转移到励磁源的交流侧。

交流灭磁是利用可控硅阳极电源负半周辅助实现的一种灭磁方式。灭磁开关既可以安装在交流侧也可以安装在直流侧，但都必须配合封脉冲的措施(由于交流灭磁开关跳开过程中同步电源缺相而导致的自动封锁脉冲等效于封脉冲)，否则都不能实现交流灭磁。

当灭磁开关装在交流侧时，可以利用在灭磁开关打开的过程中一相无电流而自动分断的特点，并借助可控硅的自然续流将可控硅阳极的交流电压引入到灭磁过程中去。即使在发电机转子电流换流到灭磁电阻支路前，有可控硅的触发脉冲使得某个桥臂的两个可控硅直通，形成转子回路短接灭磁，仍然可以保证交流侧灭磁开关的分断而实现自然续流灭磁。当然这样灭磁时间会比较长，按转子时间常数Td0进行衰减，而且灭磁过程中最多只能利用灭磁开关两个断口的弧压。

当灭磁开关安装在直流侧时，必须配合封脉冲措施，否则不能实现交流灭磁。灭磁开关安装在直流侧的好处是灭磁过程中可以充分利用灭磁开关串联断口的弧压。事实上，封脉冲是一种简便易行的方法，而其作用非常显著，因此在采用交流灭磁的场合，封脉冲措施是必须的。

值得注意的是，交流灭磁需要考虑以下两种情况：

第一，需要考虑机端三相短路。当发电机机端三相短路时，只能够靠灭磁开关的断口弧压灭磁，如果灭磁电阻换流需要的电压大于交流灭磁开关的断口电压，则不能成功灭磁，就会损坏交流开关。考虑到这种情况，一般在转子两端设置电子跨接器或机械跨接器，甚至两者都设置。

第二，需要考虑到可控硅整流桥臂是否存在可控硅损坏，是否有桥臂短路的情况，以及在交流侧短路的异常情况下可否可靠灭磁。

当然，采用封闭母线的发电机组发电机机端短路可以认为基本不存在，一般励磁变到整流桥之间短路几率也比较小。若整流装置交流侧故障，只要整流桥臂熔断器选择合理，是能够降低此类故障几率的，所以这些异常工况也不必考虑。即使机端短路也能够利用短路点比较低的电压进行电流转移，实现灭磁。

由于汽轮发电机转子储能比较小，电感比较小，加之阻尼比较大，参与灭磁过程作用比较大，采用短接转子灭磁，也是能够接受的。所以在配备了跨接器的情况下，可以单独采用交流灭磁。然而通常建议在水轮发电机灭磁中不选择单独的交流灭磁。而是选择机械开关并联移能灭磁或下面介绍的冗余灭磁方案。

冗余灭磁

所谓冗余灭磁，是同时采用两种及两种以上的方法灭磁，如在交流、直流侧分别设置开关，在灭磁过程中同时分断，共同建压，在跳灭磁开关的同时封锁脉冲，利用封脉冲后可控硅续流形成的交流电压辅助灭磁等等，这类灭磁方式的好处是，当一种灭磁不能正常工作时，另外的灭磁方式仍然能够可靠地实现灭磁，当多种灭磁都正常时，可以大大降低对开关的要求。如三峡灭磁设计甚至可以在两重以上故障情况下可靠灭磁。

实现交直流冗余灭磁可以采用多种方法[2]，不同的方法结果可能相差很大，或者需要高性能的交/直流灭磁开关作为必要的保障。

采用以下的灭磁时序可以最大限度地降低对交/直流灭磁开关的要求，实现多种工况下的可靠灭磁，即：正常情况下采用逆变灭磁；故障时首先采用约1-2个调节器控制周期的逆变灭磁，然后采用硬件封脉冲手段闭锁调节器输出脉冲，如果有交流灭磁开关可以同时跳交流灭磁开关（一般情况交流灭磁并非必须设置交流灭磁开关，但对于大型发电机配备交流灭磁开关是有益的），最后延时6到7毫秒（对于50赫兹而言）跳直流灭磁开关.