某探測系統(tǒng)的電磁兼容性探討

1    引言

    電磁兼容是指電氣設備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對電氣設備工作性能有害的電磁變化現(xiàn)象。電磁干擾不僅影響電氣設備的正常工作，甚至造成電氣設備中的元器件損壞。因此，對電氣設備的電磁兼容技術要給予充分的重視。既要使電氣設備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要使電氣設備本身不對周圍其他設備產(chǎn)生電磁干擾，影響其他設備正常運行。

    某探測系統(tǒng)由前端探測電路，信號處理電路和輔助機電部件組成。其中，前端探測電路主要由傳感器和放大器組成，屬于敏感器件，易受電磁干擾。而輔助機電部件主要由驅(qū)動電源和負載組成，是產(chǎn)生電磁干擾的主要輻射源。驅(qū)動電源大多采用脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源或直流斬波式方波交流電源，負載一般為感性電磁線圈。

    試驗中發(fā)現(xiàn)：當探測元件無輸入信號時，放大器就有較強的輸出信號，導致整個探測系統(tǒng)無法正常工作。對此，我們的工作思路是，先對探測系統(tǒng)的電磁干擾信號進行測量，再對測量結(jié)果進行分析，找到產(chǎn)生電磁干擾的原因，以便采取有針對性的電磁兼容性措施，保證該探測系統(tǒng)的正常工作。

2    電磁干擾檢測

2.1    檢測的目的和方法

    檢測的目的在于分析產(chǎn)生電磁干擾的原因，以便采取有針對性的電磁兼容性措施，保證整個系統(tǒng)正常工作。

    檢測的方法是：啟動探測系統(tǒng)，在探測元件無輸入信號時，采用數(shù)字實時示波器對探測系統(tǒng)的輸出信號進行檢測。

    驅(qū)動電源分別采用脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源和直流斬波式方波交流電源。

2.2    檢測內(nèi)容

2.2.1    采用脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源的檢測

    采用脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源驅(qū)動輔助部分工作，在探測元件無輸入信號時，測量放大器的輸出信號。圖1為放大器的輸出信號示波圖，圖2為展開示波圖。

圖1    脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源驅(qū)動時放大器的輸出信號示波圖

圖2    脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源驅(qū)動時放大器的輸出信號展開示波圖

2.2.2    采用直流斬波式方波交流電源的檢測

    采用直流斬波式方波交流電源驅(qū)動輔助部分工作，在探測元件無輸入信號時，測量放大器的輸出信號。圖3為放大器的輸出信號示波圖，圖4為展開示波圖。

圖3    直流斬波式方波交流電源驅(qū)動時放大器的輸出信號示波圖

圖4    直流斬波式方波交流電源驅(qū)動時放大器的輸出信號展開示波圖

2.2.3    空間的電磁場輻射耦合檢測

    在探測元件無輸入信號時，測量空間的電磁場輻射耦合到放大器的輸出信號。圖5為放大器的輸出信號示波圖。

圖5    空間電磁場輻射耦合到放大器的輸出信號示波圖

2.3    檢測結(jié)果

2.3.1    采用脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源驅(qū)動輔助部分工作

    在探測元件無輸入信號時，放大器的輸出信號中干擾的特點為：

    1）噪聲電壓具有隨機性質(zhì)，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干擾電壓峰—峰值為8.4mV；

    3）干擾電壓出現(xiàn)間隔不等，為ms級；

    4）每次干擾電壓為幾個振蕩波形，振蕩周期為40ns。

2.3.2    采用直流斬波式方波交流電源驅(qū)動輔助部分工作

    在探測元件無輸入信號時，放大器的輸出信號中干擾的特點為：

    1）噪聲電壓具有隨機性質(zhì)，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干擾電壓峰峰值為29.6mV；

    3）干擾電壓具有一定規(guī)律，出現(xiàn)的間隔為10ms；

    4）每次干擾電壓為幾個振蕩波形，振蕩周期為10μs。

2.3.3    空間的電磁場輻射

    在探測元件無輸入信號時，空間的電磁場輻射耦合到放大器的輸出信號中干擾的特點為：

    1）噪聲電壓具有隨機性質(zhì)，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干擾電壓峰—峰值為7.2mV。

3    結(jié)果分析及改進措施

    從檢測結(jié)果可知，在探測元件無輸入信號時，三種情況下放大器的輸出信號中，干擾電壓峰—峰值都遠遠超過該探測系統(tǒng)在放大器輸出端要求的最小探測信號電壓，因此，導致整個系統(tǒng)無法正常工作。

3.1    結(jié)果分析

3.1.1    脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源產(chǎn)生的干擾分析

    1）由于脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源的前級采用整流濾波，只有當輸入的交流電壓高于濾波電容的電壓時，整流器件才可能導通，由此造成工頻電流波形的畸變，而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導發(fā)射。

    2）由于采用20kHz以上的脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源，其運行過程中產(chǎn)生大量的高次諧波在電源線和地線上傳導發(fā)射。

    當開關器件關斷時，由于集電極的高電位通過集電極與地之間的分布電容，地，電源進線，整流管返回集電極而產(chǎn)生共模干擾電流傳導發(fā)射。

    當開關器件開通時，通過等效負載形成的高頻脈沖串電流包含豐富的高次諧波在電源線上產(chǎn)生差模干擾電流傳導發(fā)射。

3.1.2    直流斬波式方波交流電源產(chǎn)生的干擾分析

    1）由于直流斬波式方波交流電源的前級采用整流濾波，只有當輸入的交流電壓高于濾波電容的電壓時，整流器件才可能導通，由此造成工頻電流波形的畸變，而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導發(fā)射。

    2）該探測系統(tǒng)的輔助部分由驅(qū)動電源和負載組成，驅(qū)動電源采用直流斬波式方波交流電源，驅(qū)動負載為感性的電磁線圈。

    對感性的電磁線圈采用直流斬波式方波交流電源供電，在斬波時將產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。因為，感性的電磁線圈中的電流變化必然產(chǎn)生感應電動勢，電流變化越快，產(chǎn)生的感應電動勢越大。這種感應電動勢將會通過各種路徑傳導耦合到放大器的輸出級，而成為嚴重的電磁干擾。

    該探測系統(tǒng)輔助部分的驅(qū)動電源采用直流斬波式方波交流電源，其頻率為50Hz，即每隔10ms斬波一次。從圖3放大器的輸出信號示波圖中可以明顯看出：電磁干擾信號正是每隔10ms出現(xiàn)一次。

3.1.3    輻射耦合產(chǎn)生的干擾分析

3.1.3.1    電源的電磁場輻射發(fā)射

    由于該探測系統(tǒng)的輔助部分驅(qū)動電源，采用了脈寬調(diào)制式開關逆變交流電源或直流斬波式方波交流電源。這兩種電源波形的前后沿均含有一定的高次諧波，形成電磁場輻射發(fā)射。

3.1.3.2    空間的電磁場輻射耦合

    各種通信，廣播和電視發(fā)射；高壓電力線路，各種運行的工業(yè)電氣設備和家用電器使空間雜散電磁場日益增多，其頻譜范圍和幅度日益增大。它們通過空間耦合到探測系統(tǒng)中，形成電磁干擾。

3.2    改進措施

3.2.1    對脈寬調(diào)制式開關逆變正弦交流電源的電磁兼容性措施

    1）加裝功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，抑制由于工頻電流波形的畸變而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導發(fā)射。

    2）加裝開關電源濾波器，即在供電進線處裝設抑制傳導干擾的開關電源濾波器。圖6為開關電源濾波器的線路圖。

圖6    開關電源濾波器線路圖

    由于電源線中往往同時存在共模與差模兩種干擾，因此開關電源濾波器由共模濾波電路（L₁，L₂和C_y）和差模濾波電路（L₃，L₄與C_x）綜合構成。其中L₁和L₂為繞在同一磁環(huán)上的兩個匝數(shù)相等，繞向相同的獨立線圈，當工作頻率分量經(jīng)過時，由于磁通抵消，電感很小，易于通過。當共模干擾頻率分量經(jīng)過時，由于磁通相加，電感很大，不易通過而被抑制。

    共模電感L₁和L₂一般在幾mH至幾十mH，共模電容C_y要在漏電流小于幾mA前提下取較大值。差模電感一般在幾十μH至幾百μH,差模電容C_x要選擇耐壓足夠高的陶瓷或聚酯電容器。市場上賣的一般電源濾波器主要是對共模干擾設計的，如果要對差模干擾起作用，應該另外增加兩個獨立的差模抑制電感。共模電感的磁性材料以金屬磁性材料(1J851/0.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果較好。差模電感的磁性材料以金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火的磁性材料(國產(chǎn)ZW-1)效果較好，而不用開口鐵氧體材料。

    開關電源濾波器與信號濾波器的不同之處在于阻抗搭配。應用信號濾波器時，為使傳輸?shù)男盘枔p耗小，應盡量使電源阻抗，濾波器阻抗和負載阻抗匹配。相反，應用開關電源濾波器時，為抑制傳輸?shù)母蓴_信號，應盡量使電源阻抗、濾波器阻抗和負載阻抗不匹配。

    設計和選用開關電源濾波器一定要根據(jù)電路的實際情況而定。首先測量傳導干擾的電平，再與電磁兼容的標準或?qū)嶋H應用需要的信號電平進行比較，選擇對超標信號或超過實際應用需要的信號的幅值和頻帶有抑制作用的開關電源濾波器。

3.2.2    對直流斬波式方波交流電源的電磁兼容性措施

    1）加裝功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，抑制由于工頻電流波形的畸變而產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導發(fā)射。

    2）從上述分析可知：該探測系統(tǒng)輔助部分的驅(qū)動電源采用的直流斬波式方波交流電源是導致產(chǎn)生嚴重的電磁干擾的根本原因。為此應當采用電流過零時變化率較小的電源，比如線性純正弦波電源更為合適。這種電源是將純正弦波信號經(jīng)過多級放大后，供電給輔助部分驅(qū)動的。在探測元件無輸入信號時，測量放大器的輸出信號，如圖7所示，此時在放大器輸出端最大信號電壓峰峰值為4.4mV。說明原來的干擾信號已被極大地消除。

圖7    采用線性純正弦波電源驅(qū)動時放大器的輸出信號示波圖

3.2.3    對輻射耦合產(chǎn)生干擾的電磁兼容性措施

    對上述兩種電磁場輻射耦合，應加強該探測系統(tǒng)的電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

    1）屏蔽的設計和選用    電磁屏蔽設計時，一般采用導電率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構強度為主要考慮因素。

    2）注意屏蔽的完整性    如果屏蔽體不完整，將導致電磁場泄漏，特別是電磁場屏蔽，如果屏蔽體不完整，將使產(chǎn)生渦流的效果降低，則屏蔽的效果將大打折扣。為此，要注意下述幾個問題。

    （1）接縫處理    接縫處理不好將使屏蔽體的屏蔽效果降低。對固定的接縫最好采用連續(xù)焊接。焊接前，應將要焊接表面的非導電物質(zhì)清除干凈。要盡可能對全部外殼間斷處進行搭接。對非固定的接縫應采用導電襯墊，并將其壓緊,以提高接縫的電磁密封效果。常用的導電襯墊材料有金屬編織物，含有金屬絲的橡膠等。對活動的接縫，采用彈性指簧以提高接縫的電磁屏蔽效果。

    （2）孔眼屏蔽    對通風和測量需要的孔眼，為提高設備的電磁屏蔽效果，應采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果與電磁波的頻率，孔眼的尺寸和數(shù)量等參數(shù)有關。

    （3）電連接器屏蔽    選擇的屏蔽式電連接器應有足夠的插針供電纜內(nèi)各個屏蔽層在電連接器端頭接。為保證屏蔽的完整性，要沿著電纜一周，將電纜的外屏蔽層和電連接器整個地連接，最好是焊接；電連接器座應與設備的金屬外殼保持良好的電氣連接；電連接器頭也應與電連接器座保持良好的電氣連接。

3.2.4    地線耦合

    接地設計的好壞對探測系統(tǒng)的正常工作是非常重要的。為此，對該探測系統(tǒng)的接地進行了改進設計，設置了三種接地。

    1）安全地    即將金屬機殼接地，當機殼帶電時，保護動作切斷電源，以保護工作人員和設備的安全。同時安全地可以作為各種屏蔽的接地。

    2）功率地    為防止高電壓或大電流的強功率電路（如電源，繼電器，電機）對低電平電路（如高頻電路，數(shù)字電路，模擬電路等）的干擾，而將它們的接地分開。前者為功率地（強電地），后者為信號地（弱電地）。

    3）信號地    分為數(shù)字地和模擬地，主要目的是為了抑制電磁干擾，因此，應當特別注意低電平電路、信號檢測電路、傳感器輸入電路和前級放大電路的接地。

    不正確的接地不僅不會降低干擾反而會增加干擾，比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等等。接地可以按工作頻率采用不同的接地方式。由于該探測系統(tǒng)的工作頻率較低（小于1MHz）而采用單點接地式（即把整個電路系統(tǒng)中的一個結(jié)構點看作接地參考點，所有對地連接都接到這一點上）。

    該探測系統(tǒng)的傳感器輸入電路和前級放大電路的接地應該只設一個接地點，因為，多個接地點會引入共地阻抗的干擾。而這個接地點的位置應當選擇在保證地線中的電流流向為從小信號電路流向大信號電路，從而避免大信號電路的地線電流對小信號電路產(chǎn)生干擾。

    接地電阻的要求是越小越好。因為當有電流流過接地電阻時，其上將產(chǎn)生電壓。除產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾外。該電壓一方面使設備受到反擊過電壓的影響，另一方面使人員受到電擊傷害的威脅。因此一般要求接地電阻小于4Ω。

    接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下3種：

    一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長度小的多股細導線。因為電阻和總截面成反比，和長度成正比，又與頻率的趨膚效應有關。

    二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極緊密又牢靠地連接，并要增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度。

    三是降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的導電率（如在土壤中注入鹽水）。

3.3    結(jié)果

    為防止探測系統(tǒng)的強電輔助部分對弱電探測部分通過共一個電源產(chǎn)生的干擾，而對這兩部分的供電采用了隔離措施。

    當采取了上述改進措施后，在探測元件無輸入信號時，測量放大器的輸出信號示波圖如圖8所示。示波圖顯示放大器的輸出干擾信號峰—峰值為2.72mV，有了很大的改善。

圖8    加強電磁屏蔽后放大器的輸出信號示波圖

4    結(jié)語

    由于我們對該探測系統(tǒng)，分系統(tǒng)和元器件的電磁兼容性分析預測不夠充分，采取的電磁兼容設計不夠完善，導致該探測系統(tǒng)初樣工作不正常。通過對其上的電磁干擾信號進行測量和分析，有針對性地采取了電磁兼容性措施后，保證了該探測系統(tǒng)正樣的正常工作。但是，卻花費了我們很多的時間和精力，也浪費了不少經(jīng)費。其教訓是非常深刻的，同時也讓我們對電磁兼容性工作更加重視。

    綜上所述，我們對干擾源采取了如下電磁兼容性措施：

    1）加裝功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，抑制由于工頻電流波形的畸變而產(chǎn)生的大量諧波在電源線上傳導發(fā)射；

    2）輔助部分的驅(qū)動電源采用電流過零時變化率較小的電源，比如線性純正弦波電源；

    3）為防止探測系統(tǒng)的強電部分對弱電探測部分通過共一個電源產(chǎn)生的干擾，對這兩部分的供電增加隔離措施。

    對干擾傳播路徑采取了如下電磁兼容性措施：

    1）在供電進線處安裝開關電源濾波器；

    2）加強電磁屏蔽，以防空間的電磁場輻射耦合到該探測系統(tǒng)中，并注意電磁屏蔽的完整性和良好的接地措施；

    3）對該探測系統(tǒng)的接地進行了改進設計，特別注意了低電平電路、信號檢測電路、傳感器輸入電路和前級放大電路的接地設計。

    為了提高電氣設備的電磁兼容性能，必須從開始設計時就給予足夠的重視。要充分分析電氣設備可能存在的電磁干擾源及性質(zhì)，電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件。從而在設計時采取相應對策，這樣可以部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，減輕調(diào)試工作的壓力。在調(diào)試工作中，針對具體出現(xiàn)的電磁干擾，從接收電磁干擾的電路和元器件的表現(xiàn)，分析出電磁干擾源所在及電磁干擾可能傳播的路徑，再采取合適的解決辦法。而從源頭抓起，往往是最根本的方法。