羅強(qiáng)龍，韓慶邦，王 俊，單鳴雷，朱昌平

（河海大學(xué)江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點實驗室，常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點實驗室，江蘇常州 213022）

在學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐的活動中，經(jīng)常要用到一些電子設(shè)備及儀器，雖然成熟設(shè)備的各項指標(biāo)都能滿足實驗要求，但這類設(shè)備一般價格昂貴，不能保證實驗室都能配備。此時，就要求學(xué)生能自主研發(fā)一些電子儀器進(jìn)行測量，同時也能有效提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。但由于這些儀器沒有像成熟電子產(chǎn)品一樣全面考慮電磁屏蔽以及穩(wěn)定性等問題，常常會因為電磁干擾導(dǎo)致實驗結(jié)果的重復(fù)性差，給實驗教學(xué)帶來不便。為了有效克服電磁干擾的影響，本文在分析各類電磁干擾機(jī)理的基礎(chǔ)上，以超聲混凝土內(nèi)裂紋檢測自制儀器為例，研究了在現(xiàn)有實驗室條件下盡可能降低電磁干擾影響的一般方法。

1 電磁屏蔽的基本方法

1.1 靜電場屏蔽

對靜電場的屏蔽有如圖1所示的5種情況，圖中正電荷代表干擾源，負(fù)電荷代表敏感設(shè)備，箭頭代表磁場方向。圖1中：（a）表示完全沒有任何防護(hù)措施的情形；（b）表示對干擾源加裝了防護(hù)罩，但防護(hù)罩沒有接地的情況；（c）表示對干擾源加裝防護(hù)罩，并且防護(hù)罩良好接地的情形；（d）表示對被干擾導(dǎo)體施加防護(hù)罩，但防護(hù)罩沒接地的情形；（e）表示對被干擾導(dǎo)體施加防護(hù)罩，同時防護(hù)罩接地的情形。綜合圖中所示，要防止靜電場泄漏對附近敏感設(shè)備的干擾，除了要加裝防護(hù)罩外，還要將防護(hù)罩有效接地；而如果只是為了防止外界電場對某段導(dǎo)體的干擾，加一個金屬防護(hù)罩即可。如果能綜合采用（c）和（e）的兩種方案，就能有效地屏蔽靜電場干擾［1］。

圖1 靜電場屏蔽示意圖

1.2 低頻磁場屏蔽

對低頻磁場的屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽，前者是防止磁場泄漏到空間而對其采取的主動抑制，后者是為了防止空間磁場對敏感設(shè)備的干擾而對敏感設(shè)備采取的隔離措施。如圖（2）所示：（a）表示主動屏蔽的情況，通電線圈（如變壓器等）產(chǎn)生的磁場會對周圍空間敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾，為此在敏感設(shè)備周圍布置一個導(dǎo)磁材料制作的罩，讓線圈產(chǎn)生的磁通主要沿屏蔽罩通過，大大減少泄漏到外部空間的磁通量，從而降低干擾源對附近的敏感元件和電路影響；（b）表示被動屏蔽的情況，當(dāng)使用高導(dǎo)磁率材料制作的屏蔽體放入磁場中，由于屏蔽材料的導(dǎo)磁率很高，因此為磁場提供了一條磁阻很低的通路，磁力線將集中在屏蔽體內(nèi)通過，降低了防護(hù)罩內(nèi)部空間的磁場強(qiáng)度，從而極大的降低該空間內(nèi)的敏感器件受外部磁場干擾的程度［2］。

圖2 低頻磁場屏蔽示意圖

1.3 近場電磁屏蔽

電磁干擾分為高頻電場干擾和高頻磁場干擾，其進(jìn)入敏感電纜有2種路徑：電容耦合和電感耦合。

當(dāng)噪聲源和電纜之間存在寄生電容時就能產(chǎn)生電容耦合，如圖3所示。圖3（a）為電場耦合原理圖，其中j為干擾源導(dǎo)線，s為敏感電纜，Ej為干擾電動勢，Cjs為j與s之間的寄生電容，Cs為敏感電纜s與大地之間的分布電容。圖3（b）為加屏蔽體的情況。Cjso為迂回屏蔽層的電力線形成的寄生電容，C1為干擾源與屏蔽體寄生電容，C2為敏感電纜與屏蔽體寄生電容［3］。

圖3 高頻電場耦合示意圖

無屏蔽時干擾電動勢為

有屏蔽且接地時的干擾電動勢為

有屏蔽但不接地時的干擾電動勢為

由于Cjso為迂回屏蔽層的電力線形成的寄生電容，相對于C1、C2、C3為高階無窮小，因此有屏蔽且接地良好時電容耦合所產(chǎn)生的電勢可以忽略不計。式（3）可簡化為

對比式（1）和式（4）可知，不接地或者接地不良的情況下，對電場干擾幾乎沒有屏蔽作用。由于信號電路與屏蔽罩間存在寄生電容，因此要將信號電路地線末端與屏蔽體相連，以消除寄生電容的影響，并將屏蔽罩接地，以消除共模干擾。

載流線圈通過磁場相互聯(lián)系叫做磁耦合。圖4為磁耦合原理圖，當(dāng)磁通鏈從一個線圈耦合到另一個線圈時，通過寄生互感線圈就會產(chǎn)生干擾。由磁耦合的產(chǎn)生機(jī)理可知，降低耦合系數(shù)是降低磁耦合的有效方法。具體做法：一是接收電路的位置應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離磁場源；二是設(shè)置一定的隔離措施，并根據(jù)頻率和場強(qiáng)選用適當(dāng)飽和特性和足夠?qū)Т怕实牟牧献銎帘握?，通常?dǎo)磁率越高的材料就越容易飽和；三是對傳輸大電流的導(dǎo)體（是一種強(qiáng)磁場源）應(yīng)使用雙絞線；四是應(yīng)盡量減小接收電路的環(huán)路面積（比如接收電纜使用雙絞線）。

圖4 高頻磁耦合示意圖

1.4 屏蔽雙絞線

帶屏蔽的雙絞線能夠有效降低來自空間的電磁干擾，同時也能抑制內(nèi)部干擾對外的輻射。雙絞線抗外部磁場干擾的示意圖如圖（5）所示，其中（a）為普通雙導(dǎo)線在磁場干擾下示意圖，（b）為雙絞線在磁場干擾下示意圖。從兩種情況的對比可見，一定程度的扭絞能夠減少感應(yīng)回路線圈的面積，同時電磁感應(yīng)在兩線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相反，能相互抵消，因此能夠極大地減少外部磁場干擾。外部有效接地的屏蔽層則起到對電場的隔離作用。本研究中的功率線纜和信號線纜需要考慮使用屏蔽雙絞線。對于多層屏蔽電纜，各屏蔽層應(yīng)在一點接地，且屏蔽層之間應(yīng)相互絕緣。若不能良好接地，不僅不能有效降低干擾，反而會形成寄生電容引入新的干擾信號。雙絞線在傳輸頻率低于100 kHz、且距離較短時，抗干擾效果非常有效［4］。

圖5 雙絞線抗干擾示意圖

1.5 接地與隔離的問題

在分析前面幾種干擾時，可以看到接地對消除干擾起到很大作用。現(xiàn)以地環(huán)路對信號傳輸?shù)挠绊憺槔?，來說明正確接地及采取適當(dāng)?shù)母綦x措施的重要意義。圖6為地環(huán)路干擾原理圖，其中（a）為未采取隔離措施的情形，（b）為采用光電隔離的情形。D－C 為信號線，用來傳遞數(shù)字信號，UAB為兩不同接地點之間的電勢差。如果將UAB疊加到Es上，就會產(chǎn)生差模干擾。采用光電耦合隔離措施可效消除UAB的影響，其過程如（b）所示。在制作功率源時，考慮到地線差模干擾的問題，我們可對信號電路與功率電路進(jìn)行隔離，以防干擾出現(xiàn)［5］。

圖6 地環(huán)路干擾及光電隔離示意圖

2 處理實例

超聲混凝土內(nèi)裂紋檢測方法：用信號激勵源產(chǎn)生的一定功率脈沖信號去激勵超聲發(fā)射換能器，從而產(chǎn)生一定頻率的超聲信號；然后用超聲信號穿透需要檢測的物體，通過超聲接收換能器接收由物體反射或透射回來的聲波信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終達(dá)到對物體進(jìn)行檢測的目的。該檢測存在如下干擾：功率源內(nèi)部使用的MOSFET 管工作在開關(guān)狀態(tài)下，會產(chǎn)生高次諧波，其頻率和電流都很大；變壓器會產(chǎn)生大量漏磁；強(qiáng)電電纜也是強(qiáng)電磁干擾源；還有附近各類設(shè)備的雜散電磁干擾。超聲信號在混凝土內(nèi)傳播時衰減較大，信號采集單元接收到的超聲信號通常非常微弱，信噪比過低，使得所測數(shù)據(jù)基本沒有參考價值［6］。

根據(jù)干擾產(chǎn)生的機(jī)理和屏蔽的基本原則，結(jié)合本實驗具體情況，解決方案如下：

（1）對功率電纜采用帶屏蔽的雙絞線，并確保屏蔽層有效接地（單端接地）［7］。此措施能有效抑制電路對外部空間的電磁輻射和磁場輻射，防止成為附近敏感設(shè)備的干擾源。對信號電纜采用帶屏蔽層的雙絞線，帶屏蔽層雙絞線將能有效抑制空間的電場和磁場干擾。其具體安裝方式為：雙絞線屏蔽層要與超聲換能器金屬外殼良好接觸，并使用同一接地線良好接地。否則，該屏蔽層不但不能起到靜電屏蔽的效果，相反還會產(chǎn)生寄生電容，加大電容耦合干擾；如果屏蔽層與超聲換能器外殼使用2點以上的接地方式，還會引入地環(huán)路等新的干擾［8］。

（2）對超聲信號源的外殼選用合適的屏蔽方案并對其開口采取防漏磁措施，該措施可以抑制超聲信號源中變壓器和功率電路對外部的磁場輻射，同時能隔離外部空間干擾信號對功率源的干擾。因為變壓器漏磁可能產(chǎn)生強(qiáng)磁場，選擇外殼時應(yīng)該充分考慮到磁飽和的情況。由于硅鋼的飽和強(qiáng)度較高，但是磁導(dǎo)率低，而鐵磁合金磁導(dǎo)率高，但飽和度較低，因此如果將硅鋼制作的屏蔽體放在鐵磁材料制作的屏蔽體內(nèi)，可以將磁場衰減到最低的程度。

（3）選用帶高導(dǎo)磁率外殼的超聲換能器。由于實驗室一般條件下的低頻磁場干擾主要是空間磁場和設(shè)備漏磁，磁場強(qiáng)度不是太高，一般情況不用擔(dān)心出現(xiàn)磁飽和的情況，我們盡量選用高導(dǎo)磁率的材料就能滿足條件。接地線盡可能要短、要接地良好、電阻要小，如此可以提高設(shè)備的抗干擾性。

（4）在功率源設(shè)計過程中，要充分考慮信號電路與功率電路的隔離，防止地環(huán)路的出現(xiàn)，抑制差分干擾；接地盡可能使用接地良好、電阻小、短的接地線，以提高設(shè)備的抗干擾性［9］。

（5）在信號接收電路上，安裝適當(dāng)?shù)姆糯鬄V波模塊能夠有效濾除不必要的干擾信號以提高信噪比［10］。

采用以上屏蔽方案前后測得的信號波形如圖7所示。對比上下2圖可以看出，采取屏蔽措施后，有效地降低了空間電磁脈沖干擾信號和雜散干擾信號。

圖7 電磁屏蔽時域效果圖

為了更清楚地觀察電磁屏蔽的效果，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，如圖8所示，其中（a）表示采用屏蔽措施后超聲信號的頻域圖；（b）表示未采用任何屏蔽措施時超聲信號的頻域圖。由圖中可以看出，采用屏蔽措施能有效降低低頻干擾信號和雜散電磁干擾，表明本實驗方案是可行性的。

圖8 電磁屏蔽頻域效果圖

3 結(jié)束語

本文系統(tǒng)闡述了實驗室常見電磁干擾產(chǎn)生的來源，對實驗室條件下自制設(shè)備的電磁干擾產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并以超聲混凝土內(nèi)裂紋檢測為例，提出了解決問題的基本思路，為日后開發(fā)實驗設(shè)備與設(shè)計實驗方案提供了借鑒。

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［1］倪光正.工程電磁場原理［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］王慶斌.電磁干擾與電磁兼容技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［3］董光天，電磁干擾測量與控制1000問［M］.李鳳華，改編.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］黃盛霖，孫永芹，姜海勛.基于工控系統(tǒng)的雙絞線抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用［J］.國外電子測量技術(shù)，2004（6）：42－45.

［5］劉常澍，彭艮鵬，李志華.模擬信號隔離的實驗與研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2003，20（6）：87－90.

［6］張世雄，宋文愛，陳以方.超聲檢測系統(tǒng)中消除電磁干擾的電路設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（10）：74－75，82.

［7］曹麗霞，魏德驕.傳感器電纜屏蔽方法［J］.世界電子元器件，1996（12）：10－12.

［8］郭云松.電磁兼容中的接地技術(shù)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2002，1（5）：22－25.

［9］郝威，范文玉.實驗室電氣建設(shè)中需要注意的幾個問題［J］.實驗技術(shù)與管理，2005，22（3）：115－118.

［10］馬志敏.超聲檢測中干擾信號的識別與抑制［J］.應(yīng)用聲學(xué)，1993，6（12）：22－26.