（机械电子工程专业论文）焊接现场电磁场测量以及操作人员电磁安全评估.pdf

摘要 焊接工人在实施焊接过程中，直接暴露于焊接设备所产生的电磁场中，其 人身安全和健康将受到现场电磁环境的不利影响。目前，焊接现场的电磁场对 操作人员健康的影响己得到曰益广泛的关注，相关部门正在进行焊接电磁环境 防护标准及安全评估工作。 本文重点针对弧焊和电阻点焊设备的电磁环境进行了实际测量，并且结合 国际非电离辐射防护委员会( i c n i r p ) 规定的安全限值进行了电磁安全性评估。 根据实测结果和评估分析，得出了一些结论： i ) 由于焊接设备输出为低电压、大电流，所以现场以大电流产生的磁场为 主，根据实测分析，现场的电场强度很弱不足以对人体造成不利影响。 2 ) 经测量，弧焊电源、输出线缆、点焊电极等众多辐射源中，有外壳屏蔽 的弧焊电源附近的场强较小，但是输出线缆和电极周围的磁场很强。 3 ) 从频域角度进行安全评估时，由电流谐波产生的高频磁场不容忽视，某 些场合叠加高频磁场后会造成超标。 4 ) 安全评估结果表明，在较多的焊接作业场合电磁辐射量超过了i c n i r p 安全标准。 5 ) 依照测量结果，结合相关的安全标准进行评估，并提出了一些防护措施 和建议。 通过本文对多种弧焊和点焊设备工作状态下的电磁辐射情况进行分析和测 量的研究，让人们对焊接现场电磁环境有了一个明确的认识。同时，增加了作 业人员对焊接设备电磁辐射的防护意识并且为建立符合我国国情的、便于实际 工业环境或生产现场测量的焊接电磁环境安全标准及评估工作起到了积极的促 进作用，具有现实意义。 关键词焊接；电磁场( 酞仃) ；低频磁场；安全评估；i c n i r p a b s t r a c t d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s w e l d e r sa r ee x p o s u r e dd i r e c t l yt oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s g e n e r a t e db yw e l d i n ge q u i p m e n t t h es a f e t ya n dh e a l t h yo fw e l d e r sw i l lb et h r e a t e n e db yt h i s e l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o n n o w a d a y s ，t h ea d v e r s ei n f l u e n c eh a sh a db r o a da t t e n t i o nr e g a r d i n g t h ee x p o s u r eo f w e l d e r st ot h er i s k sa r i s i n gf r o me l e c t r o m a g n e t i cf i e l df r o mw e l d i n gp r o c e s s t h e r e l a t e dd e p a r t m e n ti s e s t a b l i s h i n gt h e s t a n d a r df o rw e l d e re x p o s u r et oe m fa n ds a f e t y e v a l u a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e de m fm e a s u r e m e n tf r o ma r ca n dr e s i s t a n c ew e l d i n gf a c i l i t i e s ， a n a l y z e dt h eb i o l o g i c a le f f e c t sm e c h a n i s ma n dw o r k e do u ts a f e t ya s s e s s m e n to f e m fa c c o r d i n g t ot h er e f e r e n c el e v e l sf r o mt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m i s s i o n n o n i o n i z i n gr a d i a t i o np r o t e c t i o n ( i c n i r p ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h er e s u l t s w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to f w e l d i n gi sm a g n e t i cf i e l dc h i e f i ya st h eo u t p u t so f w e l d i n gf a c i l i t i e s a r el o wv o l t a g ea n dh i g hc u r r e n t a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t r e s u l t s ，t h ee l e c t r i c f i e l di st o ol o wt od i s a d v a n t a g eh u m a n ( 2 ) t h es o u r o fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni si n c l u d e di na w e l d i n gp o w e r , c a b l e ， e l e c t r o d eo f s p o tw e l d i n g t h ea i cw e l d i n gp o w e rh a sl o w e re l e c t r i c - f i e l dr o u n dt h ep o w e rs o b r e z d u et ot h es h i e l d i n ge f f e c to ft h ew e l d i n gp o w e rs h c l l h o w e v e rt h em a g n e t i c - f i e l da r o u n dt h e c a b l ea n de l e c t r o d ei sv e r y h i g h ( 3 ) d u r i n gt h es a f e t ye v a l u a t i o ni nf r e q u e n c y - d o m a i n , w ef i n dt h a ti n $ o t l l ec 嬲i tw i l l o v e r s t e pt h es t a n d a r di fw es u p e r i m p o s i n gh i g hf r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d , s ow ec a nn o ti g n o r e t h eh i g hf r e q u e n c yg e n e r a t e db yh a r m o u l cc o m p o n e n to f c u r r e n l ( 4 ) t h es a f e t ye v a l u a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h em o u n to fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n e x c e e d st h es a f e t ys t a n d a r de s t a b l i s h e db yi c n i r pi nm a n yc a s w et e s te n da n a l y s i st h e e l e c a o m a g n e t i cr a d i a t i o ni nm a n yk i n d so f a r ee n ds p o tw e l d i n gf a c i l i t i e sw h e nt h e ya r ew o r k i n g w ep u tf o r w a r ds o n i cs u g g e s t i o n sa n dp r o t e c t i v em e t h o d sa c c o r d i n gt ot h et e s t i n gr e s u l t se n d l i m i t e dv a l u ei nt e l a t e x l t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i sp a p e r , h u m a nh a sad e e p e ru n d e r s t a n d i n gf o rs t u d ya n d e v a l u a t i o no f e m fi nw e l d i n gl o c a t i o n a tt h e $ a l n et i m e ，t h i sp r o m o t e st oe s t a b l i s ht h ec h i n c s c o w l ls t a n d a r da n dh a sr e a l i z a b l em e a n i n g k e yw o r d s ：w e l d i n g ：e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ( e m f ) ：l o wf r e q u e n c ym a g n e t i c ：s a f e t y e v a l u a t i o n ：i c n 心： - i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墅垫吼 关于论文使用授权的说明 a 叫，0 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲粤兰l 新躲篁缬吼塑：爿 第1 审绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及其意义 随着科学技术的不断进步，电子产业也在突飞猛进的发展，越来越多的电气 电子设备相继问世从而推动了社会的前进。与此同时电磁干扰( e m i ) 问题越来 越突出，电磁辐射造成的环境污染的日益增多，如同三废、噪声等污染一样越发 引起关注。一方面电磁辐射不仅对周围的电子设备仪器造成电磁干扰，使其工作 状态紊乱产生错误动作，而且还会泄露信息，使系统无信息安全保障；另一方面 电磁环境是生态环境的一部分并且与人们健康密切相关，而电磁辐射已证明会对 身体健康不利。但由于电磁场看不见、摸不着，人们往往忽视了电磁环境恶化对 生命体可能带来的危害。 现在人们对暴露在电磁场中可能危害健康状况的问题极为关心，很多国家已 经规定了有关方面的电磁辐射安全卫生标准以便规范人类活动达到既能充分利 用电磁场和电磁波为人类发展服务又能将其危害影响减到最小。我国也不例外， 如3 c 认证及其改进、国军标、民标等一系列电磁辐射标准。在已实施有关标准 的国家中，凡电磁干扰控制不达标的电气电子设备均不允许出厂和进口。这些受 电磁安全标准控制的产品包括电子玩具、各种大小型电气电子设备。我国在电磁 辐射标准制订方面已经取得了一定成效，但存在起步较晚、覆盖范围窄等诸多问 题。 焊接是制造业的传统基础工艺，在经济建设的各个领域扮演着重要作用，已 经成为重工业、轻工业等行业中材料连接的主要手段。它不仅可以解决各种钢材 的连接，而且可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等各种特种金属材料的连接， 因此被广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天工业、 电力及建筑等部门i l 】【z 】。 大量的焊接工人服务于这个行业，而在焊工实施焊接作业的过程中，大电流、 高功率的焊接设备所产生的电磁辐射直接作用于人体，从而使工人遭受电磁暴 露。通常焊工是处于一种无电磁防护的状态下实施焊接作业的，其人身安全和健 康情况必然会受到作业现场电磁辐射的不利影响，与传统的焊接设备相比，采用 现代电子元器件的新型焊接设备所产生的电磁场功率越来越大，其频率、波形和 调制方法也出现多样化，这势必使得作业人员遭受更严重和更复杂的电磁暴露。 所以随着电子技术的发展尤其是高功率和高频率电子元器件在焊接设备中的大 量使用，焊接环境电磁安全问题将变得更加突出。 北京工业大学硕：p 学位论文 l e 日| ! ! 目| | | ! ! | t 自! 目e ! ，e ! ! 目一 目前，我国对焊接环境电磁安全问题的讨论仍处于起步阶段，相关研究尚未 形成共识，与之配套的电磁环境测量仪器、监测设备以及测量方法未被广泛使用， 也没有包括在焊接设备电磁兼容标准的范围之内。所以，对焊接环境中的电磁场 进行测试和分析，并且参考国内外相关行业标准研究制订符合我国国情的、便于 实际工业环境或生产现场检测与风险评估的实施方法、标准或规范的焊接行业电 磁安全防护标准是适应时代发展潮流的，并且将会具有重大的经济与社会效益。 本课题正是基于以上提出，研究内容和结果将为正在开展的有关标准起草工作提 供重要理论依据和实践指导。 1 2 电磁污染及其危害 电磁环境是存在于给定场所的电磁现象的总和，包括电磁辐射源、传播途径 以及被辐射到的生命体和非生命体等。对人类造成危害的电磁辐射按其产生的原 因可分为天然产生和人为产生两大类。天然的电磁辐射污染是由自然现象所引起 的，如太阳风暴、雷电、火山等。人为产生的辐射源包括了人类制造的各种电气 和电子设备，如广播通讯发射设备、电力设备、高压输电线、医疗设备以及工业 设备等。主要的人为辐射源有州6 】： a ) 电力系统：由于经济的发展，公众对各种用电设备需求加大，用电量也 不断随之增加。所以必然要求增加高压输电线路和高压变电站，这些是电力系统 的主要电磁辐射源，其产生的电磁辐射主要有三种：工频电磁场辐射、电气噪声 和电晕辐射。 b ) 广播、通讯发射系统：广播发射系统主要指中波广播、短波广播、调频 广播、分米波与米波，其发射设备主要分布在城市中被居民区所包围，在局部生 活区将形成强场区。通讯系统主要是通信基站的收发信台站，随着移动通信行业 的迅猛发展，此类电磁辐射水平不断增加。 c ) 工业、医疗、交通设备：这些设备通常具有大电流、高电压特征或需要 利用电磁能量，在工作状态下会出现较宽频率的电磁波辐射。工业高频设备对环 境的影响主要是电磁噪声，医疗高频设备主要有理疗仪、高频手术刀等，交通设 备主要有电气化铁路、地铁、发动机点火系统等电磁源。此类设备所辐射的电磁 波不但增加了周围环境的电磁总量，同时也对周围环境的人体和电子仪器产生了 干扰。 近年来，越来越多的研究表明电磁场会对生命体产生负面作用，而人类周围 的电磁环境变化势必对生物特别是人体这个电磁兼容系统产生影响。人们对此已 经进行了一系列重要的研究，并逐渐形成了一门新的边缘学科生物电磁学。 它是研究从直流到远红外电场、磁场和电磁场与生物系统相互作用的科学，包括 第1 章绪论 生物体内源电磁场及生物组织电磁性质的测定和电磁场在生物医学中的应用，电 磁场与人体的相互作用的生物效应等等。目前很多基于流行病学和志愿者研究的 证据表明电磁场将对人体造成不利影响【7 h 9 ： 1 9 9 8 年，日本对喜欢玩电子游戏的学生进行调查，发现当中有3 0 患有游 戏症或在玩完游戏之后感到头痛及眼睛疲劳等现象。( 便秘7 2 2 名、注意力障碍 4 3 5 名、眩晕2 9 2 名、眼睛疲劳2 8 7 名、头痛6 4 名、呕吐3 4 名、错乱1 5 名、 晕倒6 名) 1 9 9 7 年，瑞典卡卡罗林斯卡研究院的斯坦仁博士和佛罗达罗斯博士的研究 组发表：从事于电磁波照射率较高的职业的男性患上睾丸癌的几率高出3 0 。 1 9 9 6 年，加拿大利佛德的论文叙述，由怀孕的时候在电磁波环境中工作过 的母亲所生下的孩子患上白血病的几率高达一般情况的5 7 8 倍。 1 9 9 5 年，韩国历时1 年以全国的电台交换员为对象进行调查结果显示：2 9 3 7 名交换员中有2 5 6 名被判定曾得过由于长期被笼罩子有害电磁波而引起的v d t ( 视频显示器) 症。 1 9 9 2 年，美国林德本报告，曾经是v d t 症患者，且经常使用v d t 的女性 的流产率增加了3 4 倍。 世界卫生组织( w h o ) 认为【1 0 】，在众多的污染中，当前的电磁污染的威胁 最大，因为它无处不在，像家用电器、广播、手机、电子设备等等，它们所产生 的电磁辐射污染，随时都可以对公众产生有害的影响，该组织的专家进一步指出： 电磁辐射存在潜在的危险已经成为当今世界影响广大群众健康的严重问题。 随着我国工业的发展以及人们对电磁辐射认识的加深，强制实施了对电气电 子产品认证制度以及电磁环境测试相关的法规和措施，以保护人们赖以生存的环 境变得至关重要。国家标准主要来源有： a ) 国际无线电干扰标准化特别委员会( c i s p r ) 出版物。 b ) i e c t c 7 7 制订的i e c 6 1 0 0 0 系列标准。 c ) 美国军用标准。 d ) 根据我国自主科研成果制订的标准。 目前，我国对于电力系统、广播电视发射系统、移动通信系统、交通运输系 统的电磁环境研究相对较多。相比之下，工业现场高低频设备的作业人员更直接 得遭受电磁辐射，他们所承受的电磁辐射要远远大于普通公众，面临比普通民众 更大的危险。而这方面的研究相对较少，在这种情况下，本课题提出了研究焊接 环境中的电磁场检测以及焊接设备工作状态下电磁辐射对焊工的危害等问题。 1 3 国内外电磁安全研究现状 世界卫生组织( w h o ) 一直密切关注由于暴露于电磁场下而导致的健康效 应，并且开展了环境健康标准项目，整个项目由联合国环境项目( u n e p ) 资助， 用于评估频率范围在o - 3 0 0 g h z 之间的静态以及时变电磁场暴露对健康和环境的 影响。该项目的研究结果由国际非电离辐射防护委员会( i c n i r p ) 负责评估， 对非电离辐射的健康防护提供建议和指导，并于1 9 9 4 年和1 9 9 8 年分别颁布了静 态电磁场和时变电磁场的暴露限值导则。除此之外，该项目还包括以下几个部分： 物理特征、测量方法和仪器、应用软件、现阶段生物效应文献的调研。以上研究 成果为电磁暴露限值的提出提供了科学的依据。 国际菲电离辐射防护委员会( i c n i r p ) 向世界各国推荐的电磁辐射限值导 则，已经被许多国际组织如世界卫生组织( w h o ) 、国际劳工组织( i l o ) 认可。 欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 以该导则为蓝本规定了焊接环境的电磁安 全防护标准己被部分欧盟国家采纳，并计划与2 0 0 8 年在整个欧盟国家推行。德 国是由国家立法采用i c n i r p 限值的第一个国家，英国国家辐射防护委员会 ( n r p b ) 2 0 0 4 年建议将i c n i r p 限值作为英国电磁防护的国家标准，澳大利亚 队工频磁场的限值规定也与i c n i r p 导则相同 1 1 1 椰”。 美国电气及电子工程师学会( i e e e ) 于2 0 0 2 年i e e es t a n d a r df o rs a f e t y l e v e l sw i t hr e s p e e tt oh u m a ne x p o s u r et oh e , c t r o m a g n c t i cf i e l d s ，o - - 3 k h z 针对受 控环境和公众环境分别规定了人的头部和躯体最大磁场允许暴露值。这些限值的 规定是为了避免短时磁场暴露对人体的有害影响1 1 6 】。 2 0 0 4 年欧盟提出了工人暴露于电磁场的最低安全与健康标准1 1 l ee u d i r e c t i v e 2 0 0 4 4 0 e c ) ) 【17 】 加1 ，该标准明确要求电气设备的生产制造商出示相关的 技术参数指标，并且要求雇主对工作场所的电磁场情况进行评估，其结果要遵从 欧洲低压电气指令 l o wv o l t a g ed i r e c t i v e7 3 2 3 e e c ) ) 。这些标准通过限定电气 设备所产生的电磁辐射容许范围来保障工人的健康和安全。同时，焊接行业的主 要设备如弧焊、点焊等将受到以上标准的制约，并且相应配套子标准正在起草实 施中，见p r e n 5 0 4 4 4 ，由弧焊设备导致的人体电磁暴露安全评估标准；p r e n 5 0 4 4 5 ， 弧焊、电阻焊设备符合人体电磁暴露基本限值的相关产品标准；p r e n 5 0 x x x ， 由电阻焊设备导致的人体电磁暴露安全评估标准等。 英国焊接研究所t i ( t h ew e l d i n gi n s t i t u t e ) 于2 0 0 5 年为世界卫生组织做 了一份关于焊接过程电磁场检测与分析的报告【2 ”，研究人员针对焊接环境的场 源、频率特征、强度范围等特点自行研制了一套电磁场测量系统，包括电磁场传 感器、调制电路、评估软件。同时，结合不同的焊接设备和工艺也进行了测量方 第l 荦绪论 法和评估方法的研究。t i 的研究人员针对焊接现场的电磁环境开展的测量和 安全评估研究，为c e n e l e c 制订焊接环境电磁安全防护标准提供了理论根据和 试验基础并且有效地推动了相关标准的实施。 n a r d a 公司是最先进的电磁辐射检测设备生产商，其设备广泛应用于：电 信、军事、交通、医疗、e m c e m i 实验室以及工业领域，特别是热加工、焊接、 食品加工等领域。并且参与制订德国电磁安全标准b g vb 1 1 及行业标准的制订， 其测量设备内置多种标准比对模式。现己成为各国开展电磁安全研究的有力工 具，通常被用于实际测量、数据比对和认证测试。除此之外，安捷伦公司、泰克 公司、r s 公司等也生产测量仪器，国内现在尚无这方面的生产能力。 瑞典的研究者基于电阻抗成像技术建立了人体三维几何和物理模型，采用有 限元分析的方法计算体内电流密度，能够获得较高的分辨率和精确度。该方法根 据人体内不同组织具有不同的电导率这一物理原理，有效地实现人体电流密度成 像，使得电磁安全限值的精确评估成为可能【2 2 h 2 5 1 。 与此同时，我国第四军医大学、浙江大学等单位和相关部门的研究人员也在 积极地探索电磁场对人体的生物效应，主要以志愿者研究、细胞和动物研究、职 业研究、实验室研究为主。 我国的电磁环境管理起步较晚。但从1 9 8 8 年以来，先后已发布了电磁辐 射防护规定、环境电磁波卫生标准等2 5 项中华人民共和国国家标准【2 ”，发 布了辐射环境保护导则一电磁辐射环境影响评价方法与标准等3 项中华入民 共和国环境保护行业标准。其中相关标准有：g b l 6 2 0 3 9 6 作业场所工频电场卫 生标准；g b 8 7 0 2 8 8 电磁辐射防护规定；g b 9 7 1 5 - 8 8 环境电磁波卫生标准； g b l 0 4 3 7 8 9 作业场所超高频辐射卫生标准；g b l 8 5 5 5 2 0 0 1 作业场所高频电磁场 职业接触限值；i - l i t 1 0 2 1 9 9 6 辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法 等。 另外，我国对低频电磁场安全标准的研究主要针对电力系统的工频电磁场， 并没有专门的焊接行业电磁环境行业标准。所以建立符合中国国情的、便于实际 工业环境或生产现场检测与风险评估的焊接环境电磁安全防护的标准和规范用 以保护焊接现场工作人员的人身健康变得十分必要。 1 4 本课题研究的主要内容 本项目是由四川成都电气检测所和北京工业大学合作课题，研究了国内外焊 接现场电磁安全现状、相关标准、电磁生物效应、测量设备以及测量方法，同时 开展了对弧焊与点焊作业现场电磁场的测量试验，并在此基础上对试验结果进行 北京工业大学硕十学位论文 了安全性评估。目的是为建立符合我国国情的焊接操作人员电磁防护与安全的行 业标准提供理论基础与数据支持。 研究的主要内容如下： a ) 结合国内外电磁环境安全研究现状，进行了焊接现场电磁环境调研分 析。研究远近场区的测量方法以及不同频率、强度电磁场导致的生物效应，分析 了电磁场与人体的作用机制。 b ) 参考国外电磁环境安全标准及相关行业标准，分析了便于测量和安全评 估的电磁暴露安全建议限值和评估方法。 c ) 对焊接现场电磁环境进行分析，确定了电弧焊和电阻点焊的电磁辐射 源。针对焊接现场环境复杂、电磁场强度和频率范围宽等特点，分析不同焊接设 备的测量方法以及多种输出电流波形的分析方法。 d ) 实际焊接现场电磁环境测量以及对结果进行评估。制定现场测量任务并 进行实地 钡4 试，对弧焊电源、输出线缆周围、点焊电极附近从时域和频域角度进 行磁感应强度测量与分析。同时，按照有关电磁安全标准评价电磁环境。 e ) 针对焊接操作人员电磁安全防护标准的制订进行研究，分析如果减小焊 接电磁场对操作人员的不利影响和电磁屏蔽、防护方法，并提出了合理化建议。 本文第2 章介绍了电磁场测量方法、电磁生物效应、电磁暴露安全标准以及 评估方法；第3 章分析了焊接现场电磁环境，各种焊接工艺输出电流产生的磁场 分布以及现有电磁场测量设备；第4 章不同焊接设备电磁场测量结果以及与 i c n i r p 限值的比较分析。 第2 审电磁暴露及安伞标准 第2 章电磁暴露及安全标准 在电磁安全领域，电磁辐射不仅指电场、磁场、无线电干扰，还包括电磁感 应现象和感应电流等。如果人体所遭受的电磁辐射超过定量，将会对健康造成危 害，主要表现为非热效应、热效应、累积效应等。目前，各个国家普遍比较重视 电磁安全问题，不少组织已经颁布了相应的安全标准以及评估方法。但由于所针 对的行业不同，采用的测量、计算和评估方法不尽一致。 2 1 电磁辐射基本特性 凡是有电流的地方，电磁场必然存在，并将以包含着能量的电磁波形式在空 间传播形成电磁辐射。电磁波是电场和磁场的复合作用而发生得周期性变化，从 而使由于这种变化而产生的振动向周围延伸的波动现象。它是以变化磁场激发涡 旋电场、变化电场激发涡旋磁场的方式使电磁振荡在空间和物质中传播的一种 波，其实质是传递电磁能量的过程，传递过程无需借助其它物质。电磁波是一种 横波也是物质的一种形态，整个电磁波谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外 线、x 射线、y 射线。 电磁波的辐射能力与导线的长短和形状有关，如果导线之间的距离很近，那 么两根导线的电磁场可以抵消，辐射很小。如果导线张开，这时两导线的感应电 动势方向相同，辐射将会增强。如图2 1 所示。 图2 - 1 电磁辐射不惹图 r i g 2 - 1d i a g r a mo f e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n 当电磁波与其他物质相遇时，由于它在物质中的波阻抗与空气介质不同，会 使部分电磁波被反射回来。电磁波具有动量，并且在反射的同时动量密度发生改 变，使得表面附近的自由电子在交变磁场的作用下感应形成涡流，而涡流在物质 中传导会产生熟效应，因而使电磁波被损耗，这种损耗称为涡流损耗。这种感应 涡流随着物质电阻的减小两越大，释放焦耳热也越多。感应电流密度随电磁波进 入深度的增加按指数衰减，通常称电流密度减小到导体表面电流密度的1 c 时的 北京1 = 业大学硕上学位论文 深度为趋肤深度6 。 扫一!(2-1) 0 硌。 式中： 表示频率； 口表示物质相对于真空的磁导率； 盯表示物质的电导率； 磁导率和电导率越大的物质，j 越小趋肤效应越显著，其吸收电磁波的能力 也越强。 2 2 电磁场的测量原理 电磁场就其与波源的关系可以分为两类：一类是束缚在波源附近的束缚电磁 波，电磁能量不向远方辐射，而是在电场和磁场之间来回转换，其电磁场称为感 应场即近场区；另一类是电磁能量完全辐射的自由电磁波，相应的电磁场为辐射 场即远场区。远场区和近场区的测量原理和方法不同，用下式区分： 近场区：d 丢2 万2 万 其中，d 为辐射源到测量点的距离； 为电磁波对应的波长。 2 2 1 近场区测量 在近场区或电磁波频率比较低时，通常以准静态电磁场或驻波的形态存在， 电场强度三和磁场强度日没有确定的比例关系，需要分别测量e 和目的大小。 在近场区，周围环境和物体形状的影响极大，其媒介波阻抗也是变化的，不等于 3 7 7 q 。所以，可能出现在某个区域是纯电场作用而另一个区域是纯磁场作用的 情况。对于电压高电流小的场源，主要测量电场；而对于电压低而电流大的场源， 在近场区主要测量磁场。近场区场强有时很大，但随距离的增加衰减很快，是非 常复杂的非均匀场。因此，测试设备的量程应足够大，探头应尽量小，结果才可 准确地表示测试点的场强。 2 2 2 远场区测量 在远场区( 辐射场区) ，电磁波总是以辐射的形式传播的，可以按球面波的 传播模型估计电磁辐射。可以引入功率密度矢量( 波印亭矢量) ，电场矢量、磁 场矢量、波印亭矢量三者的方向相互垂直，波印亭矢量的方向是电磁波的传播方 第2 章电磁暴露及安全标准 向。 数值上有如下关系：e = 3 7 7 h , s = e h = e 2 3 7 7 其中电场强度e 的单位是( v m ) ， 磁场强度h 的单位是( a m ) ，功率密度s 的单位是( w m 2 ) ，全部是国际单位 制( s 1 ) 。 由上可知，远场区的电场和磁场不是独立的，可以只测电场强度、磁场强度、 功率密度其中一项，另外两项由公式换算得出。根据国际规定，对远近场区的测 量可以简化为：当辐射源的工作频率低于3 0 0 m h z 时，应对工作场所的电场强度 和磁场强度分别测量；当辐射源的工作频率大于3 0 0 m h z 时，可以只测电场强度 或磁场强度。 2 3 电磁生物效应 在0 3 0 0 g i - i z 范围内的时变电磁场与生命体的作用机制主要有三种形式：低 频电场的耦合、低频磁场的耦合、电磁场的能量吸收。 电磁生物效应与电磁频谱特性的关系最为密切，从电磁生物效应的角度可以 将电磁频谱分为4 个主要的区剐2 7 】- 【3 0 】： 1 ) 低频感应区( 3 0 k h z 高压线、家电等) 2 ) 辐射区( 3 0 k 3 0 0 g i - i z 微波设备、无线基站、雷达电台、手机等) 3 ) 光学区( 3 0 0 g - 3 0 0 t h z 紫外线、可见光、红外线等) 4 ) 电离区( 3 0 0 t 以上x 射线等) 2 3 1 低频电磁场的耦合 低频时变电场与人体的耦合作用将导致电荷流动从而产生电流，极性分子在 电场的作用下( 形成电偶极子) 有一定的取向性，并且会产生电偶极子的重定位。 这些效应的作用程度依赖于人体的电特性，包括电导率、介电常数。人体组织的 介电常数，电导率不仅在不同组织中各不相同，而且也与场频率有密切关系。同 时，电场还在人体表面产生感应电荷，从而在体内产生感应电流，其分布取决于 人体外形、暴露条件以及人体所处位置等诸多因素。当感应电流到达一定程度时 能刺激人体组织，如神经、肌肉细胞。 对于低频磁场的祸合，时变磁场同人体相互作用将产生感应电场和电流回 路。感应电场和电流密度的大小同回路半径、组织电导率、磁感应强度的变化率 呈比例关系。在磁场频率和幅值一定的情况下，磁感应强度变化率最大时产生的 电场最强。人体内各部分并非电的各向同性介质，其介电常数、电导率、磁导率 不是常数，感应电流大小和路径取决于组织的电导率。 蕾 f 表示造成永久性损伤限值 p 表示感知限值 瑚 l 表示可承受限值 0 f 昏m c y 【嘲 图2 - 2 感应电流的生物效应( i h z - 1 0 0 k h z ) f i g 2 - 2b i o l o g i c a le f f e c t so f i n d u c e dc u r r e n t ( 1 h z t o1 0 0 k h z ) 低频电磁场对人体的影响存在两种机理，即引起两类生物效应：一是外界电 磁场在人体中感生的电流对神经细胞和组织细胞的刺激，即非热效应。所谓非热 效应，是指电磁场通过使生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理生化过程 的效应。二是人体器官组织由于吸收电磁场能量使其温度升高，并由此而引起的 生理和病理变化的作用，称之为热效应。 由直流到大约1 0 0 k h z ( 小于1 0 0 k h z ) 的电磁场对生物体的作用主要以感应 或传导的方式进行的。在这一区域中，感应电流和电场可以直接刺激神经和肌肉 并引起神经和肌肉的痉挛和颤动，但并不发热。神经和肌肉的紧张状态主要是由 磁场引起，磁感应强度变化率和感应电流回路半径决定了体内感应电流密度 该频段电磁场之所以能够产生显著的生物效应，是有其客观的生理和物理基础 的，因为心电、脑电和肌电( 及衍生的磁) 节律都落在此范围内，容易产生相干 的和协同的频率效应。如图2 - 2 所示低频电磁场在人体内的感应电流密度所产生 的生物效应，各条线表示不同生物效应程度的限值。可见电流密度过高会引起电 击刺激并可能造成心脏、大脑的永久性损伤口1 h 3 5 1 。 电磁辐射的生物效应与电磁波的场强、频率、波长、波形、功率密度和作用 时间等因素有关。与高频电磁生物效应不同，低频电磁场与人体作用不会产生明 显的热效应，而主要是非热效应。但目前国际上对低频电磁场与人体的作用机制 的认识还不成熟，对非热效应的认识也未达成一致，仍有待于进一步的研究。 第2 章屯磁暴露及安牟标准 2 3 2 电磁场的能量吸收 通常，人体对低频电磁场的能量吸收比较小，并不能引起强烈的热效应。然 而，随着频率的增加( 大于1 0 0 k h z ) ，电磁波会被人体组织吸收使得全身或者局 部发热。这种暴露于高频电磁场使人体产生不均匀的能量沉积和能量吸收，造成 显著发热的情况称为热效应，必须通过剂量学的测试和计算方法予以评估。 电磁场频率的增加将引起电磁辐射被人体部分吸收，并随着深入人体组织而 强度逐渐减弱。所吸收的电磁波和人体组织作用使得全身或者局部发热，称为电 磁辐射的热效应，用比吸收率( s a r ) 来衡量，单位为w k g 。人体组织对电磁 辐射的吸收是个很复杂的过程，由生物组织介电常数、电导率、电磁场频率、电 磁波功率密度、电磁波进入机体角度( 入射角) 、电流形式等因素决定。一般来 讲，含水量较低的组织( 比如骨骼、脂肪大约5 0 的含水量) 其介电常数低于含 水量高的组织( 比如血液、脑髓高于9 0 ) 。生物组织的介电常数和电导率明显 受组织温度的影响，从而又影响了电磁波在组织内的传播与吸收。因此电磁波在 体内的穿透深度随时间迁移是变化的，其热效应也是变化的【3 7 l 。【柏】。 s a r 值与体内感应电场强度的平方呈正比。平均s a r 值和人体s a r 分布可 以通过实验测量和数值计算得到，s a r 值与以下因素有关： 1 ) 辐射场参数，例如频率、强度、近场区或远场区； 2 ) 暴露体特征参数，例如人体外形、几何尺寸、不同组织的电介质特性等； 3 ) 暴露体周围物体的屏蔽效应和反射效应。 在焊接过程中，电磁场高频分量的幅值很小，目前还没有充分的证据表明焊 接现场电磁辐射将产生过多的热效应。但随着高频电子元器件越来越多的应用在 焊接设备中，焊接环境电磁场的频率范围将越来越宽，所以，将研究重点集中在 低频电磁场的测试和分析的同时，对于高频电磁辐射对现场人员的危害问题也应 该充分重视。 2 4 电磁暴露安全限值 由于对电磁辐射所造成的健康危害的不同理解，不同国家、组织所制定的电 磁辐射标准中所规定的人体安全限值存在差异。但对于时变大多数标准都使用类 似的方法，即从生物学角度和便于实测评估的角度给出两种限值。 国际上大部分国家趋向于采用国际非电离辐射防护委员会( i c n i r p ) 向世 界各国推荐了电磁辐射限值。i c n i r p 导则规定了两种时变电磁场安全限值：基 本限值( b a s i cr e s t d e t i o n s ) 和参考限值( r e f e r e n c el e v e l s ) 。 表2 - 1i c n i r p 规定的职业人员电磁暴露基本限制 t a b 2 - 1b a s i cr e s t r i c t i o n sf o ro c c u p a t i o n a le m fe x p o s u r ef r o mi c n i r p 电流密度平均比吸收局部比吸收局部比吸收功率密度s d ( m a m 。) 蚴 s a r ( w k g ) s a r ( w k g ) ( w m 2 ) 频带 头躯干部分 ( w k g )头躯干部分四肢部分 至l h z 4 0 l - 4 h z4 0 f 4 1 0 0 0 h z1 0 l k 1 0 0 k h z口1 0 0 l o o k 1 0 m h z 1 0 00 4 1 02 0 1 0 m 一1 0 g h z0 41 0 2 0 1 0 g 一3 0 0 g h z5 0 ，是指频率( h z ) 。 由于身体的电特性不均匀，电流密度应取为垂直于电流方向的l e m 2 横截面的平均值。 对于1 0 0 k h z 及其以下的频率，可通过将均方根乘以2 的平方根得到峰值电流密度值。 基本限值是以确定的健康效应为基础并且暴露于时变电场、磁场、电磁场而 对人体不造成危害的建议值。为了防止对健康造成负面影响，这些基本限值不能 被超过。根据频率的不同，用以下物理参数表示：电流密度 比吸收率s a r 、 功率密度s ( 如表2 1 ) 。如在4 h z 至1 k h z 范围内电流密度达到1 0 0 m a m 2 时中 枢神经系统会发生急剧变化和其他严重反应，此频段内i c n i r p 基本限值是 l ( m 1 a m 2 ，可见基本限值包含了适当的安全因子。 参考限值是通过基本限值用数学模型以及在特定频率下通过实验室研究结 果进行推导出来的，它表示场与暴露个体的最大耦合状态，因此可提供最有效的 防护。该限值用电场强度及磁场强度日、磁感应强度b 、功率密度文通过四 肢电流五、接触电流七等参数表示，对于脉冲电磁场用比吸收能5 h 表示，见表 2 - 2 。由于其各参数更容易测量，通常用于与实际测量值比对并进行安全评佶。 并通过评估结果来决定基本限制超出的可能性。如果实际测量值低于参考限值可 以保证基本限值不超标，当测量值超出参考限值时并不能说明其一定超出基本限 值，还需对基本限值开展进一步的详细评估。 i c n i r p 导则将电场和磁场的参考限值视为是独立的，而不是累加的。这是 因为出于保护目的，电场和磁场产生的感应电流不具有累加性。参考限值分别针 对职业人员与公众规定了两组限值，如图2 - 3 。其中横坐标为频率，纵坐标分别 为磁感应强度，实线和虚线分别代表公众和职业人员的安全参考限值，由图可知 公众标准比职业人员标准更加严格。这是由于在许多情况下，公众没有意识到他 们已经暴露在电磁场中，而且公众不可能采取预防措施减少或避免电磁暴露。在 磁场频率1 8 2 0 h z 范围内，限值与频率不是固定值而是呈函数关系。 8 2 0 h z - q s 5 k l - i z 范围内限值为常数，对于职业人员为3 0 7 l a t 公众人员加上一定的 第2 章电磁暴露及安伞标准 安全裕度为6 2 5 u t 。 表2 - 2i c n i r p 规定的职业人员的参考标准 t a b 2 - 2r e f e r e n c el e v e lf o ro c c u p a t i o n a le m f e x p o s u r ef r o mi c n i r p 电场强度e磁场强度日 磁感应强度b功率密度s 频带 ( v m )( a m )( u t ) ( w m 2 ) 至1 h z1 6 3 1 0 2 x 1 0 1 - 8 h z 2 0 ，0 0 0 1 6 3 x1 0 3 f 2 x1 0 f 8 2 5 h z2 0 0 0 02 x 1 0 4 f2 5 xl o 0 0 2 5 - 0 8 2 k h z 5 0 0 f 2 0 f2 s 恁 0 8 2 - 6 5 k h z6 1 02 4 43 0 7 0 0 6 5 1 m h z6 1 01 6 f2 0 f 1 1 0 m h z6 1 0 f1 6 f2 d f t 1 0 _ 4 0 0 m h z6 1 o 1 6 0 21 0 4 0 0 2 0 0 0 m h z3 f “0 0 0 8 f ! o o i f ” f 4 0 2 - 3 0 0 g h z1 3 7o 3 60 4 5 5 0 低于l h z 的电磁场属于静磁场，安全限值为2 0 0 m t 。 频率在1 0 0 k h z 一1 0 m h z 范围内，场强峰值是通过在1 0 0 k h z 峰值的1 5 倍和1 0 m h z 峰值