电磁学在生活中的应用

电磁学在生活中的应用

主要内容：

一、电磁炉(ElectromagneticOven)

二、微波炉(MicrowaveOven)

三、蓝牙技术(BluetoothTechnology)

四、磁悬浮列车(MaglevTrain)

一、电磁炉

1、电磁炉的结构

电磁炉是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底

产生，因此热效率得到了极大的提高。它是一种高效节能橱具，完全区别于传统

所有的有火或无火传导加热厨具。电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹

饪器具。使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生•交变磁场，交变

磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的

热。在加热过程中没有明火，因此安全、卫生。电磁炉的功率一般在700-1800W之间,

它的结构主要由外壳、高级耐热晶化陶瓷板、PAN电磁线盘、加热电路板、控制电

路板、显示电路板、风扇组件及电源等组成。

2、电磁炉的工作原理

2.1整体电路图

电磁炉的整体电路方框图如下图1-1：各部分关系据图如下图1-2：

->主回路

同步

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图1-1电磁炉整体电路方框图

2

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图1-2电磁炉各部分关系框图

2.2加热原理

在电磁炉内部，由整流电路将50Hz的交流电压变成直流电压，再经过控制电

路将直流电压转换成频率为15〜40kHz的高频电压，高速变化的电流流过扁平空

心螺旋状的感应加热线圈（励磁线圈），线圈会产生高频交变磁场。其磁感线穿透

灶台的陶瓷台板而作用于不锈钢锅（导磁乂导电材料）底部，在烹饪锅体内因电

磁感应就有强大的涡流产生。涡流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换，

锅底迅速释放出大量的热量，就是烹调的热源。

2.3涡流和涡流的产生

在柱形铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，每个铁芯片就处在交变的

磁场中。如图1-3所示：铁芯可看成是由一系列半径逐渐变化的柱状薄壳组成，每

层薄壳构成一个闭合P1路。在交变的磁场中，通过这些薄壳的磁通量都在不断地

变化，所以沿着一层层的壳壁产生感应电流。从铁芯的上端俯视，电流的流线呈

闭合的旋涡状，因而这种感应电流叫做涡电流，简称涡流。由于大块铁芯的电阻

很小，因此涡流可非常大。强大的涡流在铁芯内流动时，电能转化为内能，从而

释放出大量的焦耳热，而使铁芯的温度升高。

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图1-3涡流的产生

涡流与磁感强度成正比，与交流电频率的平方成正比，因此，电磁炉要达到

一定的热交换功率，必须有能产生高磁感强度的交变磁场线圈，还必须提高交流

电的频率以提高涡流功率。图1-4是电磁炉的主耍电路之一，主要是利用了LC并

联谐振的原理进行工作。具体的工作过程如下：220V工频交流电经大功率全桥整

流为脉动直流电，脉动直流电通过扼流圈L1和C1的平滑滤波，将相对平稳的直

流电供向卜级PAN电磁线盘L2,PAN线盘与C2振荡电容组成LC振荡电路，从

而在线盘上产生交变磁场。IGBT是绝缘栅双极晶体管（lusulaledGateBipolar

Transistor）的简称，是•种集BJT的大电流密度和MOSFET等电压激励场控型器

件优点于一体的高压、高速大功率器件。IGBT有三个电极，分别称为栅极G（也叫

控制极或门极）、集电极C（亦称漏极）及发射极E（也称源极）。PAN电磁线盘的后

级为高压保护二极管VD,作用为保护IGBT,防止反向高压击穿IGBT,当IGBT的C

极电压为0V时，IGBT导通，此时的电感（励磁线圈）进行储能，当IGBT由导通

到截止时,此时由于电感（线圈的作用），电流还会沿着先前的方向流动，由于IGBT

关断，电感只能对电容C2充电，从而引起C极电压升高，随充电电流变小直至

为零时，C极电压最高。此值是选择IGBT耐压指标的直接数据，从这个时候开始,

电容C2开始经线圈放电，此时C极电压变低，当达到0V时，控制电路检测到这

个值，再次打开IBGT。又一循环开始，所以电感（线圈）与振荡电容不停的进行

充电放电，从而形成振荡。

4

Li

1.

图1-4电磁炉工作电路示意图

3、使用电磁炉的注意事项

3.1电源线要符合要求

电磁炉由于功率大，在配置电源线时应选能承受15A大电流的铜芯线,，配置

专用独立的、安全性高的电源插座、插头、开关等。如果可能，最好在电源线插

座处安装一只保险盒，以确保安全。

3.2锅具要符合要求

应选用铁磁性材料制作的锅具，如铁锅、不锈钢锅、搪瓷锅等。使用时要放

置在电磁炉中央，并且锅底保证有一定的平面与电磁炉充分接触。电磁炉不能使

用诸如玻璃、铝、铜质的容器加热食品，这些非铁磁性物质是不能形成涡流的。

3.3放置要平整

放置电磁炉的桌面要平整，特别是使用火锅时更应注意。如果桌面不平，使

电磁炉的某一脚悬空，使用时锅具的重力将会迫使炉体强行变形甚至损坏。另外，

如桌面有倾斜度，当电磁炉对锅具加温时，锅具中的涡流磁场和炉内励磁线盘中

的磁场相互作用而使锅具和炉体发生受迫振动，这种振动容易使锅具滑出而发生

危险。

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34防潮通风

电磁炉工作在大电流、大功率状态，内部电路遇水汽和湿气时会结露，而使

电路锈蚀甚至短路。炉内有风扇，故应在空气流通处使用。电磁炉正常使用的温度

为10〜40C,温度过高或过低，可能有些功能会受到一定的影响。

3.5防止漏磁干扰

电磁炉不可避免存在电磁辐射，会对家用电器及人体产生影响，故在距离电

磁炉2〜3m的范围内，最好不要放置电视机、手机等容易受到磁场影响的家用电

器，以免影响其正常工作。

3.6操作要得当

电磁炉的各按钮属轻触型，使用时手指用力不要过重，要轻触轻按。当所按

动的按钮启动后，手指就应离开，不要按住不放，以免损伤簧片和导电接触片；

在电磁炉加热至高温时，瞬间功率会忽大忽小，容易损坏功率管IGBT和电磁炉机

板。使用完毕，要把功率按钮先调到最小位置，然后关闭电源，再取下铁锅。

3.7清洁要得法

电磁炉同其他电器一样，在使用中要注意防水防潮，并避免接触有害液体。

不能用汽油等清洗炉面或炉体。另外，也不要用金属刷、纱布等较硬的工具来擦

拭炉面上的油迹污垢。正在使用或刚使用结束的炉面不要马上用冷水擦，应待其

完全冷却后，方可使用少许中性洗涤剂擦拭。

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二、微波炉

1、微波炉的结构

微波炉(microwaveoven),顾名思义，就是用微波来煮饭烧菜的。用微波炉

煮食物很方便。将冷的或生的食物放入微波炉里，关好沪门，一按开关，食物在

微波炉里转上一会儿，就烧热煮熟了。微波炉里没有火，是靠微波，即高频电磁

波，作为微波炉的热源。微波炉的基本结构一般由炉腔、炉门、电气电路、定时

器、功率分配器、联锁微动开关和热断路器等七部分组成。微波炉内部结构如图

2-1所示。

图2-1微波炉内部结构图

1.1炉腔

炉腔是一个微波谐振腔，是把微波能变为热能对食品进行加热的空间。

为了使炉腔内的食物均匀加热，微波炉炉腔内设有专门的装置。最初生产的

微波炉是在炉腔顶部装有金属扇页，即微波搅拌器，以干扰微波在炉腔中的

传播，从而使食物加热更加均匀。目前:则是在微波炉的炉腔底部装一只山

微型电机带动的玻璃转盘，把被加热食品放在转盘上与转盘一起绕电机轴旋

转，使其与炉内的高频电磁场作相对运动，来达到炉内食品均匀加热的FI的。

国内独创的自动升降型转盘，使得加热更均匀，烹饪效果更理想。平板式炉

腔通过腔内壁对微波反射达到均匀加热的目的。

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1.2炉门

炉门是食品的进出口，也是微波炉炉腔的重要组成部分。对它要求很高，

绝对•不能让微波泄漏出来。炉门由金属框架和玻璃观察窗组成。观察窗的玻

璃夹层中有一层金属微孔网，既可透过它看到食品，又可防止微波泄漏。由

于玻璃夹层中的金属网的网孔大小是经过精密计算的，所以完全可以阻挡微

波的穿透。钛膜也多作为微波炉炉门的材料。

为了防止微波的泄漏，微波炉的开关系统由多重安全联锁微动开关装置

组成。炉门没有关好，就不能使微波炉工作，微波炉不工作，也就谈不上有

微波泄漏的问题了。

为了防止在微波炉炉门关上后微波从炉门与腔体之间的缝隙中泄漏出

来，在微波炉的炉门四周安有抗流槽结构，或装有能吸收微波的材料，如由

硅橡胶做的门封条，能将可能泄漏的少量微波吸收掉。抗流槽是在门内设置

的•条异型槽结构，它具有引导微波反转相位的作用。在抗流槽入口处，微

波会被它逆向的反射波抵销，这样微波就不会泄漏了。

由于门封条容易破损或老化而造成防泄作用降低，因此现在大多数微波

炉均采用抗流槽结构来防止微波泄漏，很少采用硅橡胶门封条。抗流槽结构

是从微波辐射的原理上得到的防止微波泄漏的稳定可靠的方法。

1.3电气电路

电气电路分高压电路、控制电路和低压电路三部分。

(a)高压电路：高压变压器次级绕组之后的电路为高压电路，主要包括

磁控管、高压电容器、高压变压器、高压二极管。

(b)磁控管：磁控管是微波炉的心脏，微波能就是由它产生并发射出来

的。磁控管工作时需要很高的脉动直流阳极电压和约3〜4V的阴极电压。由

高压变压器及高压电容器、高压二极管构成的倍压整流电路为磁控管提供了

满足上述要求的工作电压。

(c)低压电路：高压变压器初级绕组之前至微波炉电源入口之间的电路

为低压电路，也包括了控制电路。主要包括保险管、热断路器保护开关、联

锁微动开关、照明灯、定时器及功率分配器开关、转盘电机、风扇电机等。

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1.4定时器

微波炉•般有两种定时方式，即机械式定时和计算机定时。基本功能是

选择设定工作时间，设定时间过后，定时器自动切断微波炉主电路。

1.5功率分配器

功率分配器用来调节磁控管的平均工作时间（即磁控管断续工作时，工

作、停止时间的比例），从而达到调节微波炉平均输出功率的目的。机械控

制式一般有3〜6个刻度文件位，而计算机控制式微波炉可有10个调整档位。

1.6联锁微动开关

联锁微动开关是微波炉的一组重要安全装置。它有多重联锁作用，均通

过炉门的开门按键或炉门把手上的开门按键加以控制。当炉门未关闭好或炉

门打开时，断开电路，使微波炉停止工作。

1.7热断路器

热断路器是用来监控磁控管或炉腔工作温度的组件。当工作温度超过某

一限值时，热断路器会立即切断电源，使微波炉停止工年。

2、微波炉的工作原理

微波是频率为300兆赫到30万兆赫的电磁波。微波炉实际上就是一台微波发

生器，它产生的微波频率是2450兆赫。这种微波有一个非常有趣的习性，遇到像

肉类、禽蛋、蔬菜这些饱含水分的食物，微波会“留驻”下来，并且“拖住”食

物中的水分子和它一起以相同的频率振荡，引起分子与分子之间互相摩擦，摩擦

能够产生热量。振荡频率越高，振幅越大，分子间摩擦越剧烈，产生的热量自然

越多。

2450兆赫的微波，即就是每秒钟振荡24.5亿次。这就意味着食物中的水分子

也随着微波每秒钟振荡24.5亿次。这种振荡儿乎是在食物里里外外各个部分同时

发生的，因此被加热的食品能够在很短的时间里.，里外各个部分统统热起来，温度

上升足以把食物由生变熟直至枯焦的程度。下面用线路图（图2-2）来进一步说明

微波炉的工作原理。

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图2-2微波炉工作原理线路图

当炉门一闭合，第一联开关就合上，监控开关断开，电路处于准备工作状态。

按所需烹调时间，将定时器置于相应位置，再按起动开关，220V交流电经过保险

丝、第一联控开关、热切断器和第二联控开关、定时器开关、烹调解冻开关加到变

压器初级，在变压器次级感应出3.5V和1840V的交流电压。其中3.5V加到磁控

管灯丝，1840V经过电容和二极管组成的半波倍压整流电路，产生-3680V高压，加

到阴极上。由于磁控管的阳极接地，阳极电压则比阴极电压高3680V,磁控管正常工作。

在磁控管工作的同时，220V交流电压也加到转盘电机、定时器电机、解冻控

制器电机、冷却风扇电机和炉灯上。冷却风扇对磁控管进行冷风散热，同时风扇

的余风通过炉灯附近处的一组小孔进入腔体，又从腔体后上方的一组小孔出来，

并通过微波炉的背部上方排出。冷却风扇产生的风既能对磁控管散热，又能对炉

腔内的空气起对流作用，将微波炉加热时产生的水蒸气及时地排到炉外。

为了保证微波加热的均匀性，微波炉内装有玻璃盘，玻璃盘由电机带动，转

速为6round/minuteo微波炉采用两项安全措施，以有效地防止微波池漏。安全措

施之一是炉门采用双门钩结构。当炉门打开时，双门钩同时退出，此时第一联控

开关断开，监控开关接通。220V交流电源未进入变压器，磁控管不可能工作。万

一第一联控开关失灵（即处于接通状态），在220V交流电源接通的瞬间，因监控

开关接通，使220V短路，6.3A保险丝熔断，磁控管无法工作。由于监控开关和第

一联控开关都位于炉壁内，只能由门钩才能控制开关，从而保证了磁控管工作处于

严格控制之下。安全措施之二是采用热切断器。这是一种热敏保护元件，它与第一

联控开关串接，安装在磁控管附近，通过一块金属板与磁控管的外壳相连。一旦冷

却风扇出现故障，排气通道阻塞或磁控管及炉腔温度过高时，热切断器自动断开，

起到了保护磁控管的作用。

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同时还要注意，用微波加热食物，不能让它盛入金属容器。原因很简单：微

波遇到金属立即全部反射回去。如果将食物盛入金属容器中用微波炉加热，微波

被金属全部反射回去，食物得不到热源加热，不会变热、变熟。当然，实际上是

不允许这样做的，因为不笔你看到结果，微波炉已经烧毁了。因为高频率微波没

有一点损耗而全部反射去，在电子技术上叫高频短路，后果是使发射微波的电子

管阳极产牛.高温，直至烧红损坏。

了解了微波的特性，可以用陶瓷、耐热玻璃等材料制成的容器盛装食物。如

果加热时间不需要很长，可以使用塑料容器，甚至纸质容器。搪凭容器看起来好

像是瓷器，其实内心是铁皮，当然也不能使用。

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三、蓝牙技术

随着通信网络的发达，各种通信电缆五花八门，不但办公室中电缆无处不在，

家用设备的发展也使居室成了电缆的世界。人们在觉得它们必不可少的同时，又

伤透了脑筋，如电缆使用不便，连线频出故障，各种电缆之间无法通用。电缆成

为现代通信中的美中不足。为了取消连线，以较低成本实现各设备间的无线通信，

诞生了蓝牙（Bluetooth）技术。蓝牙是一种支挣设备短距离通信（一般10m内）

的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众

多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终

端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而

数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

1、蓝牙系统

蓝牙系统一般由以下4个功能单元组成：天线单元、链路控制（固件）单元、

链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议）单元。它们的连接关系如图3-1所示:

图3-1蓝牙系统结构图

1.1天线单元

蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。

蓝牙空中接口是建立在天线电平为OdBm的基础上的。空中接口遵循Federal

CommunicationsCommission（简称FCC,即美国联邦通信委员会）有关电平为OdBm

的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以t,可以使用扩展频谱功能来增

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加一些补充业务.频谱扩展功能是通过起始频率为2.402GHz,终止频率为

2.480GHz,间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，

日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1660跳/秒。理想的连接

范围为100mm〜10m,但是通过增大发送电平可以将距离延长至lOOnu

蓝牙工作在全球通用的2.4GHzTSM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数

据速率为IMb/SoISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某

个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、

微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保

链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hepchannel）,在一次连接

中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做“伪随机码"就

是“假”的邮I码）“跳”至阴一个1髓只存I媛双方是按这物律曲J画言

的，硒曲JT扰^可能炯册助做桁T-扰跚解瞬椭碉艮窄的，何姗扩展膜姊

使6例成留就扩颗宽嘛，使理诃能出那影被彳脓小。时分双JXTinEDivision

Duplex,简称TDD）方案被用来实现全双工传输。

与其它工作在相同频段的系统相比，篮牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙

比其它系统都更稳定。FEC（ForwardErrorCorrection,前向纠错）的使用抑制

了长距离链路的随机噪音，应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抑

制干扰和防止衰落。

1.2链路控制（固件）单元

在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC分别作为联接控制器、基带处理器以

及射频传输/接收器，此外还使用了30〜50个单独调谐元件。

基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。基带控制器有3

种纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码；2/3比例前向纠错码；数据的自动请求

重发方案。

采用FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输

负载。但是，要实现数据的无差错传输，FEC就必然要生成一些不必要的开销比特

而降低数据的传送效率。这是因为数据包对于是否使用FEC是弹性定义的。报头

总有占1/3比例的FEC码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。

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在无编号的ARQ方案中,在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收

到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错才向

发端发回确认消，否则返回一个错误消息。比如蓝牙的话音信道采用Continuous

VariableSlopeDeltaModulation（简称CVSD,即连续可变斜率增量调制技术）

话音编码方案，获得高质量传输的音频编码。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的

语音采样，即使比特错误率达到4%,CVSD编码的语音还是可听的。

而CambridgeConsultants的分公司CambridgeSiliconRadio就提出了他

们的看法。这个公司的入门产品是一个单芯片传输器和联接控制器。公司称之为

BlueCore和BlueStacko这是一个完整的蓝牙，不需要外部的SAW滤波器、陶瓷

电容或感应器，产品集成度非常高，使用了0.18或0.15um技术，能够在几乎不

增加成本的情况下把基带电路加到芯片中。

1.3链路管理（软件）单元

链路管理（LY）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其

它一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LUP（链路管理协议）与之通信。LM

模块提供如下服务：

（1）发送和接收数据。

（2）请求名称。

（3）链路地址杳询。

（4）建立连接。

（5）鉴权。

（6）链路模式协商和建立。

（7）决定帧的类型。

（8）将设备设为sniff模式。master只能有规律地在特定的时隙发送数据。

（9）将设备设为hold模式。工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的

周期内停止接收数据，平均每4s激活一次链路，这由LV定义，LC（链路控制器）

具体操作。

（10）当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。

处于暂停模式的设备周期性地激活并跟踪同步，同时检查page消息。

（11）建立网络连接。在piconet内的连接被建立之前，所有的设备都处于

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standby（待命）状态。在这种模式下,未连接单元每隔L28s周期性地“监听”

信息。每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点。跳频频点

的数目因地理区域的不同而异，32这个数字适用于除日本、法国和西班牙之外的

大多数国家。作为master的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻

呼（page）消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后接page消息的inquiry

（查询）消息建立连接。在最初的寻呼状态，master单元将在分配给被寻呼单元

的16个跳频频点上发送一串16个相同的page消息。如果没有应答，master则按

照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。Slave收到从master发来的消息的最大

延迟时间为激活周期的2倍（2.56s）,平均延迟时间是激活周期的一半（0.6s）。

Inquiry消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、传真机和其它一些地址未知的

类似设备。Inquiry消息和page消息很相像，但是inquiry消息需要一个额外的

数据串周期来收集所有的响应。

如果piconet中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙

还支持节能工作模式。master可以把slave置为hold（保持）模式，在这种模式

下，只有一个内部计数器在工作。slave也可以主动要求被置为hold模式。一旦

处于hold模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。Hold模式一般被用于连

接好几个piconet的情况下或者耗能低的设备，如温度传感器。除hold模式外，蓝

牙还支持另外两种节能工作模式：sniff（呼吸）模式和park（暂停）模式。在

sniff模式下,slave降低了从piconet“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以

依应用要求做适当调整。在park模式下，设备依然与Diconet同步但没有数据传送。

工作在park模式下的设备放弃了MAC地址，偶尔收听master的消息并恢复同步、

检查广播消息。如果我们把这几种工作模式按照节能效率以升序排一下队，那么依

次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。

（12）连接类型和数据包类型。连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别

连接中使用。蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接（Synchronous

ConnectionOriente,简称SCO）类型，主要用于传送话音；异步无连接

（AsynchronousConnectionless,简称ACL）类型，主要用于传送数据包。同一

个piconel中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段内还可以

任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持16种不同类型的数据包，其中包

括4个控制分组，这一点对SCO和ACL来说都是相同的。两种连接类型都使用TDD

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（时分双工传输方案）实现全双工传输。SCO连接为对称连接，利用保留时隙传送

数据包。连接建立后，master和slave可以不被选中就发送SCO数据包。SCO数

据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的

数据。ACL链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。

mastei'负责控制链路带宽，并决定piconet中的每个slave可以占用多少带宽和

连接的对■称性。slave只有被选中时才能传送数据。ACL链路也支持接收master

发给piconeI中所有slave的广播消息。

（13）鉴权和保密。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。

鉴权基于“请求一响应”运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户

为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人

自己的移动电话通信。加密被用来保护连接的个人信息。密钥由程序的高层来管

理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。

1.4软件（协议）单元

Bluetooth基带协议结合电路开关和分组交换机，适用于语音和数据传输。每

个声道支持64kb/s同步链接。而异步信道支持任一方•向上高达721kb/s和回程方

向57.6kb/s的非对称链接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。因此，它可以足

够快地应付蜂窝系统上的非常大的数据比率。一般来说，它的链接范围为100mm〜

10m,如果增加传输功率的话，其链接范围可以扩展到100m。Bluetooth软件构架

规范要求与Bluetooth相顺从的设备支持基本水平的互操作性。这种顺从水平由

不同的应用来决定。蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，

这种要求涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对像交换格式。Bluetooth

1.0标准由两个文件组成。一个叫FoundationCore,它规定的是设计标准。另一

个叫FoundationProfile,它规定的是相互运作性准贝！。但对另外一些设备，比

如耳机，这种要求就简单得多。蓝牙设备必须能够彼此浜别并装载与之相应的软

件以支持设备更高层次的性能。蓝牙对不同级别的设备（如PC、手持机、移动电

话、耳机等）有不同的要求，例如，你无法期望一个蓝牙耳机提供地址簿。但是

移动电话、手持机、笔记本电脑就需要有更多的功能特性。

软件（协议）结构需有如下功能：设置及故障诊断工具；能自动识别其它设

备；取代电缆连接；与外设通信；音频通信与呼叫控制以及商用卡的交易与号簿

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网络协议。

蓝牙的软件(协议)单元是•个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。

适用于几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。

2、蓝牙的技术特点和产品

2.1蓝牙的技术特点

蓝牙技术利用短距离、低成木的无线连接替代了电缆连接,从而为现存的数

据网络和小型的外围设备提供了统一的连接。下面来介绍一些它的主要技术特点。

(1)特性

蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的ISM(工业、科学、医学)频段，

这样用户不必经过申请便可以在2400〜2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收

发器频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz,采用时分双工方式。调制

方式为BT=0.5的GFSK,调制指数为0.28〜0.35。蓝牙的无线发射机采用FM调制方

式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100niW(20dBm),

2.5mW(4dBm),lmW(OdBm),在4〜20dBm范围内要求采用功率控制,因此,蓝牙设

备之间的有效通讯距离大约为10〜100m。

(2)TDMA结构

蓝牙的数据传输率为IMb/s,采用数据包的形式按时隙传送每时隙0.625PSo

蓝牙系统支持实时同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个

异步数据通道，3个并发的同步语音通道或•个同时传送异步数据和同步语音通

道。每一个语音通道支持64KB/S的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB/S,

反向应答速度为57.6KB/S的非对称连接，或者是速率为432.6KB/S的对称连接。

(3)使用跳频技术

跳频是蓝牙使用的关铤技术之一。对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/

秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则先高为3200跳/秒。使用这

样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优

越。

2.2蓝牙产品

自从1999年7月BSIG向全世界发布蓝牙技术标准L0A版本，蓝牙技术的推广和

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应用得到迅猛发展，截至目前，BSIG的成品已经超过了2500家.几乎涵盖了全球

各行各业。包括通信网络、外设、芯片、转件等广商，其至消费类电器厂商和汽

车制造商也加入BSIG组织。

目前国内外蓝牙产品主要有蓝牙芯片、蓝牙适配器、蓝牙记忆棒、蓝牙天线、

蓝牙耳机、蓝牙手机、蓝牙笔记本电脑、蓝牙硬盘、蓝牙打印机、蓝牙鼠标、蓝

牙手表、蓝牙圆珠笔、蓝牙数码相机和蓝牙标签等。引人注目的是，Bluetooth

DevelopersConference会议上推出了使用蓝牙技术控制汽车内部的篮牙样车。

作为一个新兴事物，蓝牙技术的应用还存在许多问题和不足之处，如成本过

高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。但亳无疑问，蓝牙技术已成

为近年应用最快的无线通信技术，其席卷全球之势不可阻挡，它必将在不久的将

来渗透到我们生活的各个方面，我们有理由相信蓝牙的明天会更好。

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四、磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于

其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不需接触地面，因此其阻力只有空气的阻

力。磁悬浮列车的最高速度可以达每小时500公里以上，比轮轨高速列乍的300

多公里还要快手。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼・肯佩

尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年中请了磁悬浮列车的专利。1970年代以后,

随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的

需要，德国、R本等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

1、磁悬浮列车的原理

1.1悬浮原理

磁浮有3个基本原理。第一个原理是当靠近金属的磁场改变，金属上的电子

会移动，并且产生电流。第二个原理就是电流的磁效应。当电流在电线或一块金

属中流动时，会产生磁场。通电的线圈就成了一块磁铁。磁浮的第三个原理我们

就再熟悉不过了，磁铁间会彼此作用，同极性相斥，异极性相吸。现在看看磁浮

是如何作用的：磁铁从一块金属的上方经过，金属上的电子因磁场改变而开始移动

（原理一）。电子形成回路，所以接着也产生了本身的磁场（原理二）。图4T以最

简单的方式来表达这个过程，移动中的磁铁使金属中出现一块假想的磁铁。这块

假想磁铁具有方向性，因是同极性相对，因此会对原有的磁铁产生斥力。也就是

说，如果原有的磁铁是北极在下，假想磁铁则是北极在上；反之亦然。因为磁铁

的同极相斥（原理三），让磁铁在一块金属上方移动，结果会对移动中的磁铁产生

一股往上推动的力量。如果磁铁移动得足够快，这个力量会大得足以克服向下的

重力，举起移动中的磁铁。所以当磁铁移动时，会使得刍己浮在金属上方，并靠

着本身电子移动产生的力量保持浮力。这个过程就是所渭的磁浮，这个原理可以

适用在列车上。如图4-2,如果在列车的地板上安装一些磁铁，列车一开动（例如，

可以收起的充气胎），就可产生向上的力量。这个时候，列车就像飞机在跑道上加

速准备起飞。当向上的力量足够时，就可使得列车离开地面，浮在金属导轨之上。

事实上，列车经过特别的设计，使得车厢在离地面10〜150mm处。这样列

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车就可以飞速前进了。从以上的讨论可以发现磁浮列车的第一个优点。因为没有

轮子和铁轨，它就没有轮轨间的摩擦力所造成的能量损失。如此一来，就少了一

个传统列车的主要能量损耗来源。理论上，就只剩下风阻会影响列车的行车速度

了。如果观察一下列车是怎样行进的，就可以发现磁浮列车的第二个优点。虽然同

极性会相斥（用以产生浮力），但异性可以相吸。磁浮列车就是运用这个原理前进

的。当列车下方导轨因电子运动而产生浮力的同时，两侧导轨的线路开始通电，

产生另一组比列车稍前的磁铁。经过特殊安排，导轨上的南极会靠近列车上的磁

北极。由于这股吸力，列车得以往前移动。通过调整导轨两侧的电流，得以让这

股吸引磁力恰好落在列车前方。事实上，列车是陷在所谓的磁波或磁场之中。可

以想象导轨两侧移动的磁铁产生一股波浪，列车就像骑在这浪头的冲浪者一样，

如图4-3所示。

S移动的磁帙

N

斥力

图4-1磁悬浮原理图

图4-2磁悬浮列车示意图

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sNSNSN金属导轨

N金质导眺

破帙

图4-3磁悬浮列车周围的波导

下面具体介绍常导磁吸式（EMS）和超导磁斥式（EDS）列车的具体运行原理。

常导磁吸式（EMS）：利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（悬浮电磁铁）

和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，见图4-4

所示。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠

性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电

流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约lOmm的间隙。

通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要

设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。

超导磁斥式（EDS）此种形式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氮储存槽内）,

在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流,

产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流

产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力

大于车辆重量时，车辆就浮起来。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导

磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动，来产生悬浮力将车体抬起来的。

如图4-5所示。

由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而且磁场强度很大。

在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起。当车辆向卜位移时，超

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导磁体与悬浮线圈的间距减小电流增大.使悬浮力增加，乂使车辆自动恢复到原

来的悬浮位置。这个间隙与速度的大小有关，一般到100km/h时车体才能悬浮。

因此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支特轮及相应的弹簧支承，

以保证列车安全可靠地着地。控制系统应能实现起动和停车的精确控制。

［线电动机

次级绕组

导向就

次级线圈

早向电磁铁

初微线因

图4-4常导吸引式磁悬浮原理图

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1.2导向原理

磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。下面将具体论