王權(quán)，李澍，蘇宗文，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

激光功率計(jì)電磁兼容抗擾度研究

王權(quán)，李澍，蘇宗文，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

目的 研究激光功率計(jì)在進(jìn)行電磁兼容抗擾度測(cè)試中的抗擾情況，以提高測(cè)試準(zhǔn)確性。方法分別對(duì)氦氖激光器和光學(xué)纖維喉鏡兩種醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行電磁兼容輻射抗擾度測(cè)試，使用兩種常用激光功率計(jì)進(jìn)行輸出光測(cè)量，觀察不同激光功率計(jì)在不同輸出條件下的功率檢測(cè)情況。結(jié)果 在相同環(huán)境條件下，不同激光功率計(jì)的輻射抗擾度差別較大。結(jié)論 在進(jìn)行電磁兼容抗擾度測(cè)試前，應(yīng)對(duì)激光功率計(jì)進(jìn)行輻射抗擾度測(cè)試，以避免檢測(cè)時(shí)因檢測(cè)設(shè)備本身受到電磁場(chǎng)的影響而引發(fā)的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤判。

激光功率計(jì)；電磁兼容；抗擾度；氦氖激光器；光學(xué)纖維喉鏡

0 前言

隨著YY 0505-2012《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗(yàn)》于2014年1月1日正式實(shí)施，醫(yī)用電氣設(shè)備全面進(jìn)入電磁兼容考量時(shí)代。在電磁兼容試驗(yàn)醫(yī)用電氣設(shè)備抗擾度試驗(yàn)中，需要考核設(shè)備在被施加干擾的情況下會(huì)發(fā)生什么樣的基本性能的變化。要確定一臺(tái)醫(yī)用電氣設(shè)備在電磁兼容測(cè)試中的基本性能，一般需結(jié)合設(shè)備的預(yù)期功能、設(shè)備預(yù)期在何種電磁環(huán)境下運(yùn)行、風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果等來確定。進(jìn)而通過風(fēng)險(xiǎn)分析，評(píng)估特定性能可能發(fā)生危害的風(fēng)險(xiǎn)，而如果該性能的缺失或降級(jí)將導(dǎo)致不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，則該性能可以判定為基本性能。

在醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容抗擾度試驗(yàn)中，對(duì)其基本性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)設(shè)備也進(jìn)行試驗(yàn)。YY 0505-2012指出，電磁抗擾度一共有7個(gè)項(xiàng)目，其中靜電放電、電快速脈沖群、浪涌、在電源供電輸入線上的電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化、工頻磁場(chǎng)等[1]主要針對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)輔助檢測(cè)設(shè)備影響不大。但是射頻電磁場(chǎng)輻射需要在電波暗室中進(jìn)行，被測(cè)設(shè)備和輔助檢測(cè)設(shè)備均需放在電波暗室中共同承受電磁干擾，因此對(duì)于輔助檢測(cè)設(shè)備的抗干擾能力要求比較高，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性相當(dāng)重要。

在光學(xué)醫(yī)用電氣設(shè)備的檢測(cè)中，激光功率計(jì)是常用的測(cè)量設(shè)備，具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度高、重復(fù)性和線性好、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)[2]。激光功率計(jì)在電磁干擾的條件下是否能夠正常工作、在不同頻段騷擾下工作特性如何等問題就變得非常重要。但是此類設(shè)備的性能基本基于正常使用的條件下，其在電磁干擾條件下的抗擾度性能一般不會(huì)包含在產(chǎn)品的說明與介紹中，因此也無從知曉此類設(shè)備的抗擾能力。

鑒于此，本研究分別對(duì)氦氖激光器[3]和光學(xué)纖維喉鏡兩種醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行電磁兼容輻射抗擾度測(cè)試，使用兩種常用激光功率計(jì)進(jìn)行輸出光測(cè)量，觀察不同激光功率計(jì)在不同輸出條件下的功率檢測(cè)情況，旨在為提高醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容抗擾度測(cè)試的準(zhǔn)確性提供參考。

1 試驗(yàn)條件和設(shè)備

光學(xué)醫(yī)用電氣設(shè)備主要用于診斷和測(cè)量，其定義屬于非生命支持設(shè)備，根據(jù)YY0505-2012對(duì)射頻電磁場(chǎng)輻射的要求，非生命支持設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)在80 MHz~2.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，在3 V/m的抗擾度電平上符合要求，由此激光功率計(jì)應(yīng)同時(shí)在此條件下保持穩(wěn)定。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用兩種穩(wěn)定光源輸出光，光源1為氦氖激光器，標(biāo)稱輸出功率為3.0 mW；光源2為光學(xué)纖維喉鏡，標(biāo)稱輸出功率為2.0 mW。

輸出光測(cè)試設(shè)備也使用兩種常見激光功率計(jì)，功率計(jì)1的測(cè)量不確定度為：U=2％（k=2），功率計(jì)2的測(cè)量不確定度為U=5％（k=2），二者的檢測(cè)范圍均覆蓋以上光源的標(biāo)稱輸入功率范圍，測(cè)量不確定度均能滿足相應(yīng)要求。

1.2 試驗(yàn)布局

將光源1和光源2分別放置在電波暗室中，轉(zhuǎn)臺(tái)中心距離發(fā)射天線3 m。分別將功率計(jì)1和功率計(jì)2放置于輸出光路上，對(duì)光源輸出功率進(jìn)行測(cè)量。具體試驗(yàn)布置圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

1.3 試驗(yàn)條件

測(cè)試前將設(shè)備靜置在電波暗室中15 min，待設(shè)備穩(wěn)定后將測(cè)量所得的功率數(shù)值作為原始參考標(biāo)稱數(shù)據(jù)，并將暗室內(nèi)的背景光控制在0.1 mW以內(nèi)，以減少背景光的影響。然后用天線施加電磁干擾，具體參數(shù)設(shè)置為：電磁干擾場(chǎng)強(qiáng)：3 V/m；頻率范圍：80 MHz~2.5 GHz；干擾信號(hào)應(yīng)在規(guī)定的調(diào)制頻率上進(jìn)行80％的幅度調(diào)制；頻率步長(zhǎng)不超過基頻的1％（下一個(gè)試驗(yàn)頻率≤前一個(gè)試驗(yàn)頻率的1.01倍），最小駐留時(shí)間應(yīng)≥1 s[4]。

2 檢測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 光源不輸出情況下功率計(jì)的抗擾情況

分別在光源沒有輸出的情況下，對(duì)兩個(gè)功率計(jì)在不施加任何電磁干擾以及施加上述電磁干擾的情況下進(jìn)行背景光讀數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在未施加干擾的情況下，兩個(gè)功率計(jì)表現(xiàn)一致：讀數(shù)都很低，非常穩(wěn)定，無明顯上下波動(dòng)，平均功率分別為0.03和0.02 mW，這也說明測(cè)試環(huán)境背景光穩(wěn)定在較低水平。

而當(dāng)功率計(jì)在承受3 V/m的80 MHz~2.5 GHz范圍內(nèi)的干擾時(shí)，表現(xiàn)非常不同：功率計(jì)1的讀數(shù)與未施加干擾時(shí)基本沒有差異；而功率計(jì)2在受到干擾時(shí)，在80~200 MHz頻段內(nèi)的波動(dòng)非常大，基本處于無法正常工作的狀態(tài)。具體結(jié)果見圖2。這說明不同功率計(jì)本身的抗擾度有非常大的差異，在進(jìn)行基本性能測(cè)量時(shí)，必須關(guān)注所選用的測(cè)量設(shè)備的性能。

圖2 激光功率計(jì)的功率曲線圖

2.2 對(duì)不同光源進(jìn)行測(cè)量情況下功率計(jì)的抗擾情況

分別在兩種光源有輸出的情況下，對(duì)兩個(gè)功率計(jì)在不施加任何電磁干擾以及施加上述電磁干擾的情況下進(jìn)行背景光讀數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在未施加干擾，運(yùn)行時(shí)間20 min（與施加干擾工作時(shí)間相同）時(shí)，兩個(gè)功率計(jì)的表現(xiàn)一致：讀數(shù)穩(wěn)定，無明顯上下波動(dòng)，光源1平均功率為3.04 mW，波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.017；光源2平均功率為2.08 mW，波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.009。這說明兩個(gè)光源長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性比較好，可以排除下一步干擾試驗(yàn)中光源本身變化的影響。

而當(dāng)功率計(jì)在承受3 V/m的80 MHz~2.5 GHz范圍內(nèi)的干擾時(shí)，表現(xiàn)也非常不同：功率計(jì)1在兩種光源輸出情況下，讀數(shù)與未施加干擾時(shí)的差異都較小，最大波動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)差為0.057。而功率計(jì)2在兩種光源輸出情況下受到干擾時(shí)，在80~200 MHz頻段內(nèi)的波動(dòng)非常大，最大波動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)差為2.004，變化極值為7.88 mW，這相對(duì)于標(biāo)稱輸出2.0 mW來說是無法接受的，如果按照一般功率變化不超過±20％的準(zhǔn)則，則可能把符合抗擾度要求的設(shè)備誤判為不符合。也就是說，功率計(jì)2基本處于無法正常工作的狀態(tài)。具體結(jié)構(gòu)見圖3。這說明使用不符合抗擾度要求的功率計(jì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤。

圖3 激光功率計(jì)的測(cè)量功率曲線

3 結(jié)果與討論

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同激光功率計(jì)的輻射抗擾度差別較大，但這應(yīng)該不是一個(gè)個(gè)案，因此在醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容試驗(yàn)中，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)在試驗(yàn)前對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行抗擾度摸底測(cè)試，以避免檢測(cè)時(shí)因檢測(cè)設(shè)備本身受到電磁場(chǎng)的影響而引發(fā)的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤判[5]。

在本研究中，表現(xiàn)較差的功率計(jì)2只是在某一特定頻段內(nèi)所受干擾較大，并不是全頻段受擾，因此可能是這一頻段內(nèi)該功率計(jì)中接收信號(hào)的電路板與輻射產(chǎn)生的電磁波耦合而干擾到功率計(jì)的正確采樣[6]。從結(jié)構(gòu)上看，該激光功率計(jì)外殼是金屬的，但是主面板并不是金屬，而且整個(gè)設(shè)備縫隙較大，這都給電磁耦合干擾提供了條件。而功率計(jì)1在整個(gè)頻段內(nèi)基本不受干擾，抗擾能力很強(qiáng)，主要是整個(gè)設(shè)備的密封性能很好，設(shè)備抗干擾措施做得比較規(guī)范，能夠達(dá)到具有穩(wěn)定輸出的目的。因此，在對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，可以考慮采用屏蔽技術(shù)對(duì)配合使用的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行金屬隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波對(duì)檢測(cè)設(shè)備的感應(yīng)和輻射，比如將檢測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)用屏蔽體包圍起來，防止受外界磁場(chǎng)的干擾。因?yàn)槠帘误w對(duì)來自外部或內(nèi)部的電磁場(chǎng)有著吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，從而達(dá)到減弱干擾的目的。例如當(dāng)干擾電磁場(chǎng)頻率較低時(shí)，吸收損耗較小，屏蔽作用以反射損耗為主，可采用高導(dǎo)磁材料做屏蔽層，使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)，防止向外擴(kuò)散。當(dāng)干擾電磁場(chǎng)頻率較高時(shí)，吸收損耗隨頻率上升而增加，反射損耗隨頻率上升而下降，則宜采用導(dǎo)電良好的金屬材料做屏蔽層，利用高頻干擾電磁場(chǎng)，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，形成對(duì)外來電磁波的抵消作用[7-8]。

綜上所述，在對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行電磁兼容抗擾度測(cè)試時(shí)，需要關(guān)注基本性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，尤其需要對(duì)基本性能檢測(cè)設(shè)備的抗擾性能進(jìn)行驗(yàn)證研究，以確保試驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性

[1]YY 0505-2012,醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗(yàn)[S]．

[2]徐鋒,高光煌.激光功率計(jì)設(shè)計(jì)概述[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,1998, (5）：19-21．

[3]范品.小型氦氖激光器[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2001,(3）：43-44.

[4]GB 4824-2013,工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM）射頻設(shè)備 騷擾特性 限值和測(cè)量方法[S]．

[5]饒遠(yuǎn).醫(yī)用高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備的電氣安全檢測(cè)及分析[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014,29(7）：55-56.

[6]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社, 2004.

[7]馮曉國(guó),張舸,湯洋.薄膜型金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽特性[J].光學(xué)精密工程,2015(3）：686-691．

[8]楊顯清.電磁場(chǎng)與電磁波[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

Research on EMC Anti-interference of Laser Power M eter

WANG Quan, LI Shu, SU Zongwen, REN Hai-ping
Institute for M edical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Objective To make a research on the anti-interference situation of laser power meter during EMC anti-interference test so as to improve the testing accuracy. Methods Two kinds of commonly-used laser power meters were used to measure the output light in the EMC anti-interference test respectively for He-Ne laser and optical fi ber laryngoscope. The power inspection situation of different laser power meter was observed in variant output conditions. Results Radiated anti-interference of different laser power meter differed quite a lot under the same environmental conditions. Conclusion The radiated anti-interference test on laser power meter should be made before the entire test in order to reduce m isjudgment of experiment result caused by the effect of electromagnetic fi eld on the test equipment.

anti-interference laser power meter；electromagnetic compatibility；anti-interference degree；He-Ne laser；optical fi ber laryngoscope

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.008

1674-1633(2015）09-0031-03

2015-05-21

作者郵箱：guangjidian@nifdc.org.cn