王欣媛　喻正寧　王圣金　張　濤　戴書俊

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州　310052)

?

針對(duì)分析儀器輻射騷擾超標(biāo)的整改實(shí)例

王欣媛喻正寧王圣金張濤戴書俊

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州310052)

摘要：通過(guò)對(duì)電磁輻射騷擾超標(biāo)案例的分析，針對(duì)儀器在正常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高壓、大電流信號(hào)而導(dǎo)致的輻射騷擾超標(biāo)問(wèn)題，提出了分析及解決輻射騷擾超標(biāo)問(wèn)題的方法。通過(guò)在特定位置加磁環(huán)、濾波器、金屬網(wǎng)、導(dǎo)電膠帶等整改措施，保證金屬連接的有效性,最終使儀器的輻射騷擾測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該分析對(duì)于低電壓電流輻射的超標(biāo)整改也同樣具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：分析儀器輻射騷擾超標(biāo)高壓大電流整改電磁干擾EMI測(cè)試騷擾信號(hào)濾波

0引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家“十二五”期間發(fā)布的《儀器儀表行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，先進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)、大型精密測(cè)試設(shè)備、新型儀器儀表三大領(lǐng)域得到了大力發(fā)展。特別是儀器儀表行業(yè)中基于原子發(fā)射光譜原理[1-5]的直讀光譜儀，憑借其分析速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，已成為金屬分析領(lǐng)域必備的精密分析儀器，為大型裝備制造、航空航天、鐵路、汽車、建筑等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的領(lǐng)域，提供了裝備支持。

但隨之而來(lái)的問(wèn)題是直讀光譜儀不同于普通低頻信號(hào)分析儀表，其利用高頻高壓引燃、脈沖大電流激發(fā)的原理對(duì)金屬樣品進(jìn)行分析，在正常工作中產(chǎn)生的高壓最高可達(dá)13 000 V(持續(xù)時(shí)間5 μs)，大電流也可達(dá)200 A(持續(xù)時(shí)間20 μs)。

由此產(chǎn)生的電磁輻射騷擾已成為儀器在設(shè)計(jì)制造中需要克服的重大難題，也成為其在海外推廣中的最大瓶頸，嚴(yán)重削弱了國(guó)產(chǎn)儀器的海外競(jìng)爭(zhēng)力。

本文主要針對(duì)此類分析儀器在測(cè)量分析過(guò)程中產(chǎn)生的高電壓、大電流而導(dǎo)致的輻射騷擾超標(biāo)問(wèn)題，進(jìn)行實(shí)際案例的分析及整改解決，為此類問(wèn)題提供了有效解決方案。

1 產(chǎn)品整改前的EMI測(cè)試

1.1試驗(yàn)依據(jù)

根據(jù)EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，本次輻射騷擾試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)《GB 9254-2008 信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》和《GB-T 18268-2010測(cè)量、控制和試驗(yàn)室用的電設(shè)備電磁兼容性要求》，在標(biāo)準(zhǔn)的3 m法半波暗室中進(jìn)行。

1.2試驗(yàn)要求

A類分析儀器根據(jù)要求定位為“A級(jí)”儀器等級(jí)，騷擾限值詳見(jiàn)表1。

表1　A級(jí)類別輻射騷擾限值Tab.1　Limits of radiation disturbance (class A)

1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

雖然本分析儀器為金屬質(zhì)地外殼，但是由于屏蔽效果很差，各處泄漏較嚴(yán)重。第一次初測(cè)結(jié)果在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)高頻、低頻均超標(biāo)，最高超標(biāo)達(dá)25.53 dB，數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1　初始儀器輻射騷擾測(cè)試圖Fig.1　The initial test chart of radiation disturbance

2EMI輻射源定位和整改

輻射騷擾整改的一般步驟是首先通過(guò)簡(jiǎn)單定位方法找到輻射超標(biāo)點(diǎn)的輻射源，再采用相對(duì)應(yīng)的輻射源抑制措施。初步定位方法如圖2所示。

圖2　騷擾定位初步判定方法示意圖Fig.2　Preliminary judging method of harassment positioning

電磁騷擾[6-10]不僅是由外部線纜引起的，由于內(nèi)部輻射騷擾較強(qiáng)，有相當(dāng)一部分來(lái)自儀器的內(nèi)部，并透過(guò)外殼縫隙泄漏。

根據(jù)以上分析結(jié)果，整改措施主要分為以下3個(gè)方面：① 內(nèi)部騷擾信號(hào)的處理；② 金屬外殼機(jī)箱的屏蔽處理；③ 外部接連線的處理。

下面就針對(duì)以上方面加以詳細(xì)描述。

2.1內(nèi)部騷擾信號(hào)處理

2.1.1根源分析

由于本次試驗(yàn)分析儀器為基于激發(fā)原理的光譜分析儀器，在儀器測(cè)試分析的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的脈沖電壓及脈沖電流，所以產(chǎn)生及傳輸此信號(hào)的線纜是造成輻射騷擾全頻段超標(biāo)的最大成因；另外儀器內(nèi)部各種電路板間的電源線、信號(hào)線等也會(huì)受脈沖電壓及脈沖電流信號(hào)線輻射，主動(dòng)或被動(dòng)地成為發(fā)射天線。所以，內(nèi)部騷擾信號(hào)的處理主要針對(duì)以下3類線纜：

① 產(chǎn)生及傳輸高脈沖電壓、高脈沖電流的信號(hào)線；② 儀器內(nèi)部電路板的電源線；③ 儀器內(nèi)部其他信號(hào)電纜線。

2.1.2采取措施

為了破壞產(chǎn)生輻射的條件——天線，主要有兩種方法：一是將電纜加屏蔽層并良好接地；二是在線纜兩端加磁環(huán)隔離騷擾信號(hào)的傳輸及輻射。本儀器采用第二種方法。

磁環(huán)的材質(zhì)一般有3種，依據(jù)其磁導(dǎo)率由高到低的順序，分別是非晶材質(zhì)、錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體。其主要工作原理為：在高速工作的器件處，通過(guò)增加電容和鐵氧體材料來(lái)抑制輻射騷擾。在輸入線上繞鐵氧體磁環(huán)是一個(gè)普遍有效的方法。如果是一類電器，要火、零、地三根線一起繞，典型的處理方式是：抑制60 MHz以內(nèi)的騷擾，可以把輸入線繞2～3圈；抑制超過(guò)60 MHz的騷擾，繞1～2圈。本試驗(yàn)分析儀器在3類信號(hào)線的首尾均安裝了磁環(huán)。

2.1.3整改后EMI測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上整改措施，測(cè)量?jī)x器的輻射騷擾譜圖如圖3所示，可以看到在高頻段有了10 dB左右的明顯改善。

圖3　整改內(nèi)部騷擾信號(hào)后的測(cè)試圖Fig.3　The test chart after rectifying internal disturbance signal

2.2金屬外殼機(jī)箱的屏蔽處理

2.2.1根源分析

本分析儀器為試驗(yàn)室大型分析儀器，由于考慮到產(chǎn)生高壓電源的散熱及儀器本身的測(cè)量調(diào)試，儀器外殼預(yù)留了可翻轉(zhuǎn)的分析臺(tái)及多處散熱孔、窗，其他部分殼體間的連接也僅靠螺釘固定，所以在試驗(yàn)初期存在金屬部件搭接不良、接觸阻抗小等問(wèn)題。外殼雖然為金屬質(zhì)地，但沒(méi)有起到應(yīng)有的屏蔽效果。

為了進(jìn)一步確定輻射騷擾泄漏的位置，以采取相對(duì)應(yīng)的整改措施，本試驗(yàn)借助工具進(jìn)一步進(jìn)行診斷。細(xì)節(jié)診斷一般使用電磁場(chǎng)探頭和頻譜分析儀對(duì)設(shè)備外部及內(nèi)部的電磁輻射進(jìn)行分析，以精確地找到電磁騷擾的根源。

2.2.2采取措施

將電磁場(chǎng)探頭通過(guò)信號(hào)放大器連到頻譜分析儀上，被測(cè)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，用探頭在儀器外殼有可能產(chǎn)生泄漏的位置探測(cè)，觀察頻譜儀，尋找輻射信號(hào)最強(qiáng)的部位；待確認(rèn)該部位后，利用金屬網(wǎng)、導(dǎo)電膠帶、導(dǎo)電布等臨時(shí)屏蔽工具處理金屬外殼。如果經(jīng)過(guò)整改后該處電磁輻射降低較明顯，則可判定此處外殼泄漏嚴(yán)重，須通過(guò)進(jìn)一步結(jié)構(gòu)整改來(lái)解決電磁輻射超標(biāo)問(wèn)題。

根據(jù)此判定方法，找到了儀器幾處泄漏較嚴(yán)重的部分，并采用了以下方法整改金屬外殼，大大提高了金屬外殼的屏蔽性能。

①現(xiàn)象：儀器翻轉(zhuǎn)臺(tái)面外殼邊緣與箱體外殼之間的間隙過(guò)大，沒(méi)有有效連接。

措施：對(duì)翻轉(zhuǎn)臺(tái)面折邊稍寬部分加貼導(dǎo)電海綿條、翻轉(zhuǎn)臺(tái)面折邊較窄部分安裝金屬簧片，以增加臺(tái)面與箱體外殼的連接。

②現(xiàn)象：儀器后面板調(diào)試窗為了觀察方便采用玻璃視窗，沒(méi)有屏蔽處理。

措施：觀察窗通過(guò)安裝金屬網(wǎng)與儀器外殼連接，加強(qiáng)屏蔽效果。

③現(xiàn)象：機(jī)箱主體外殼與活動(dòng)臺(tái)面外殼連接處整體噴漆，導(dǎo)致不能有效金屬連接。

措施：儀器外殼相互搭接處的金屬裸露部分不能噴漆，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求實(shí)施。

2.2.3整改后EMI測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上整改措施，測(cè)量?jī)x器的輻射騷擾譜圖如圖4所示，可以看到在高頻段已經(jīng)可以滿足測(cè)試要求，低頻段也有了明顯的改善。

圖4　整改金屬外殼后的測(cè)試圖Fig.4　The test chart after rectifying the metal shells

2.3外接連線的處理

2.3.1根源分析

由于本儀器內(nèi)部EMI輻射泄漏較嚴(yán)重，導(dǎo)致儀器的外部連線轉(zhuǎn)化為天線，向外輻射電磁能量。

2.3.2采取措施

本儀表外接連線主要有兩種，一種為電源線，一種為網(wǎng)絡(luò)通信線。本文主要針對(duì)這兩類線纜進(jìn)行整改及優(yōu)化。

(1)電源線。

電源線主要依靠磁環(huán)和濾波器，阻斷輻射信號(hào)由儀器內(nèi)部向外傳播。

①磁環(huán)的安裝方式。

本試驗(yàn)分析儀器在儀器電源線靠近儀器的末梢安裝了磁環(huán)。

②濾波器的安裝方式。

濾波器是指對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。這里要強(qiáng)調(diào)的是，濾波器的安裝一定要保證使濾波器的外殼與儀器機(jī)殼良好接觸并良好接地，這樣才能起到最好的抑制作用，而且最好安裝在磁環(huán)與儀器電路板之間。

③網(wǎng)絡(luò)通信線。

網(wǎng)絡(luò)通信線主要通過(guò)屏蔽來(lái)破壞天線效應(yīng)。在使用網(wǎng)線來(lái)通信時(shí)，建議首先采用屏蔽網(wǎng)線，并保證在網(wǎng)線接口處的良好接地，才能真正實(shí)現(xiàn)屏蔽功能。如果儀器對(duì)網(wǎng)線數(shù)據(jù)傳輸要求不高，可采用加磁環(huán)方式，但這種方式有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，要視情況選用。本分析儀器由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求不高，故采用第二種方法。

2.3.3整改后EMI測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上整改措施，測(cè)量?jī)x器的輻射騷擾譜圖如圖5所示，可以看到在高頻段已經(jīng)可以滿足測(cè)試要求，低頻段也僅超出了5 dB左右。

圖5　整改外接連線后測(cè)試圖Fig.5　The test chart after rectifying the external connections

2.4綜合整改結(jié)果

經(jīng)過(guò)不斷的分析和整改測(cè)試，將以上整改措施都很好地施加到儀器上。經(jīng)過(guò)測(cè)試可以看到，分析儀器的輻射騷擾超標(biāo)得到了很好的解決，無(wú)論是在高頻段還是低頻段，都已經(jīng)達(dá)標(biāo)。綜合整改后測(cè)試圖如圖6所示。

圖6　綜合整改后測(cè)試圖Fig.6　The test chart after comprehensive rectification

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，如果儀器的輻射騷擾測(cè)試沒(méi)有達(dá)到要求，應(yīng)按診斷步驟分析原因，定位騷擾源，再采用相對(duì)應(yīng)的騷擾源抑制措施。通過(guò)對(duì)電磁干擾問(wèn)題的整改，可以有效改善產(chǎn)品的電磁兼容特性，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，順利通過(guò)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)海外銷售。

值得一提的是，在處理電磁輻射騷擾問(wèn)題時(shí)，不論是從電路上還是外部構(gòu)造上進(jìn)行補(bǔ)救，事后的對(duì)策都不是根本的辦法，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且花費(fèi)很大。只有在設(shè)計(jì)之初便考慮到電磁干擾問(wèn)題，才能以較低的成本、較好的效果，達(dá)到電磁輻射騷擾測(cè)試要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛欣宏，郭立紅，孟范江.大功率TEA CO2激光器的電磁輻射測(cè)試及屏蔽方艙設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2011，19(5)：983-991.

[2] 阮星.信息技術(shù)設(shè)備輻射騷擾診斷與對(duì)策研究[J].電子質(zhì)量，2011(4)：68-71.

[3] 吳敏.電能表電磁兼容輻射干擾問(wèn)題探討[J].環(huán)境技術(shù)，2012(10)：29-31.

[4] 李思雄，徐毅敏.輻射騷擾整改方法與案例[J].電子質(zhì)量，2006(3)：55-59.

[5] 劉萍，沙斐.共模騷擾的成因與對(duì)策[J].繼電器，2002，30(11)：41-47.

[6] 董新綱，余軍紅.屏蔽在高壓大電流環(huán)境中抑制電磁干擾的應(yīng)用[J].信息與電子工程，2006，4(4)：317-320.

[7] 李同麗.淺談高頻開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2009，6(5)：47-49.

[8] 馮翠花，方敏.淺談抑制電磁輻射干擾的方法[J].制冷與空調(diào)，2008，8(1)：92-94.

[9] 謝玉明.液晶顯示器輻射騷擾的診斷及抑制[J].電磁干擾抑制技術(shù)，2002(1)：27-30.

[10]宋維嘉，孟志平.醫(yī)用電氣設(shè)備電磁騷擾測(cè)試與整改案例分析[J].醫(yī)療裝備，2010，23(3)：3-5.

中圖分類號(hào)：TH89;TP202

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607025

Examples of Rectification for Excessive Radiation Disturbance of Analytical Instrument

Abstract：Through the analysis of the cases of excessive radiation disturbance of analytical instruments,especially for the excessive radiation disturbance caused by radiation source of high voltage high current signals in normal operation of the instruments,the methods for analyzing and solving the problems are provided.By putting in magnetic ring,filters,metal mesh,conductive tape at specific positions,and other providing rectification measures to ensure the effectiveness of metal connection,the test results of radiation disturbance of the instrument satisfy the requirement of standard.The analysis also possesses guiding significance to excessive radiation rectification of low voltage,current radiation.

Keywords:Analysis instrumentExceeded radiation disturbanceHigh voltage high currentRectificationElectromagnetic interference

修改稿收到日期：2015-06-02。

第一作者王欣媛(1982—)，女，2007年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)光電工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事儀器儀表可靠性的研究。