朱界平馬欣鮑其蓮/ .上海交通大學(xué)；.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

抗強(qiáng)電磁干擾的光強(qiáng)監(jiān)測裝置

朱界平1,2馬欣2鮑其蓮1/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

設(shè)計(jì)了一種用于抗強(qiáng)電磁干擾的光強(qiáng)監(jiān)測裝置，解決了燈具產(chǎn)品在電磁兼容射頻抗擾度試驗(yàn)中光參數(shù)定量監(jiān)測問題。在近端和遠(yuǎn)端光強(qiáng)監(jiān)測以及轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)速率監(jiān)測上有實(shí)際應(yīng)用性。并利用目視光度測量儀對(duì)裝置測量范圍進(jìn)行了校準(zhǔn)。

電磁干擾；光強(qiáng)監(jiān)測；裝置

0 引言

目前在燈具的電磁兼容試驗(yàn)中，對(duì)燈在抗擾度試驗(yàn)中照明參數(shù)變化進(jìn)行定量分析是一大技術(shù)難點(diǎn)[1,2]。由于電磁兼容抗擾度試驗(yàn)場地內(nèi)有較強(qiáng)的場強(qiáng)干擾（可達(dá) 200 V/m），如采用常規(guī)的照度計(jì)進(jìn)行檢測[3]，照度計(jì)本身將受到試驗(yàn)電磁場的干擾，無法準(zhǔn)確讀數(shù)甚至發(fā)生損壞。目前，燈具的電磁抗擾度試驗(yàn)主要采用攝像機(jī)拍攝后肉眼觀測的方式進(jìn)行監(jiān)控[4]，但這種方式準(zhǔn)確性較低，無法進(jìn)行定量記錄分析，而且對(duì)試驗(yàn)人員的視力存在損傷。

本文設(shè)計(jì)了一種抗強(qiáng)電磁干擾的光強(qiáng)監(jiān)測裝置，以解決燈具產(chǎn)品在電磁兼容射頻抗擾度試驗(yàn)中光參數(shù)定量監(jiān)測問題。

1 抗強(qiáng)電磁干擾的光強(qiáng)監(jiān)測裝置

研制的抗強(qiáng)電磁干擾的光強(qiáng)監(jiān)測裝置如圖1所示。

圖1 光強(qiáng)監(jiān)測裝置完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置系統(tǒng)的工作流程是在測試試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，光強(qiáng)監(jiān)測裝置安置于屏蔽電磁波的屏蔽殼體內(nèi)，該屏蔽殼體在10 ～18×103kHz屏蔽效能典型值為60 dB，燈具發(fā)出的光源從屏蔽殼體上的采光孔進(jìn)入屏蔽殼體內(nèi)部，經(jīng)采用光電二極管的感光模塊采集光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過具有放大增益調(diào)節(jié)功能的放大模塊，將電壓信號(hào)放大。放大后的電壓信號(hào)再經(jīng)過同軸屏蔽高阻線傳輸至6位半或以上的數(shù)字多用表測量出電壓值，通過數(shù)字多用表自帶的數(shù)據(jù)通信端口，將測得的數(shù)據(jù)通過總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)裝有電磁兼容測試軟件，用于電磁兼容測試設(shè)備的控制，以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)，并能夠?qū)y試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電磁敏感度的自動(dòng)捕捉。

在一般情況下，為了更加方便地進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)域和控制區(qū)域并不在同一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，也為了更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測與控制，可以在光強(qiáng)監(jiān)測裝置與數(shù)字多用表之間加裝一套光電隔離發(fā)射器和光電隔離接收器，把由光強(qiáng)監(jiān)測裝置中產(chǎn)生的電信號(hào)傳輸至光電隔離發(fā)射器，進(jìn)一步將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)皆囼?yàn)區(qū)域以外，再由光電隔離接收器將光電隔離發(fā)射器產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離的控制區(qū)域進(jìn)行測量。

2 光強(qiáng)監(jiān)測裝置工作原理

光照可以使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差，即產(chǎn)生光伏效應(yīng)，它首先由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量；繼而形成電壓。如果兩者之間連通，就會(huì)形成電流的回路[5-7]。該光強(qiáng)監(jiān)測裝置主要利用光電二極管光伏效應(yīng)設(shè)計(jì)，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光強(qiáng)監(jiān)測裝置電路結(jié)構(gòu)

圖中，D為光電二極管，工作范圍覆蓋可見光波長400 ～ 750 nm。當(dāng)光強(qiáng)為0時(shí)，光電二極管截止，VS為0；當(dāng)光電二極管接收到光強(qiáng)后反相電流增大，VS隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而增大。VS經(jīng)過放大電路，得到輸出電壓V0。

VS與V0的換算關(guān)系為

通過調(diào)節(jié)可變電阻Rf，即可令輸出電壓V0進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 光強(qiáng)監(jiān)測裝置的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)在不同光源條件下更加方便地進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測，設(shè)計(jì)出不同的監(jiān)測方法以供實(shí)際應(yīng)用：如近端光強(qiáng)監(jiān)測、遠(yuǎn)端光強(qiáng)監(jiān)測，并拓展設(shè)計(jì)出配合定向光源（激光）實(shí)現(xiàn)測量轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)速率的監(jiān)測方法。

3.1 近端光強(qiáng)監(jiān)測

該監(jiān)測方法直接將光強(qiáng)監(jiān)測裝置放置于電磁兼容試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，裝置將被測光源的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過高阻線和光電隔離器，連接到試驗(yàn)場地以外，經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換后，通過數(shù)字多用表進(jìn)行測量和記錄。本方法較為適用于單一光源的監(jiān)測。

近端光強(qiáng)監(jiān)測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 近端光強(qiáng)監(jiān)測

3.2 遠(yuǎn)端光強(qiáng)監(jiān)測

該監(jiān)測方法將光纖的一端固定于被測光源的表面，通過光纖將光信號(hào)傳輸?shù)皆囼?yàn)場地以外，通過光強(qiáng)監(jiān)測裝置將光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過數(shù)字多用表進(jìn)行測量和記錄。本方法較為適用于多個(gè)光源的同時(shí)監(jiān)測。

遠(yuǎn)端光強(qiáng)監(jiān)測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)端光強(qiáng)監(jiān)測

3.3 轉(zhuǎn)速監(jiān)測

轉(zhuǎn)速監(jiān)測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)采用激光發(fā)射器垂直照向旋轉(zhuǎn)的葉片，在葉片的另一側(cè)放置光強(qiáng)監(jiān)測裝置，并與激光發(fā)射器水平對(duì)齊。由于激光線會(huì)周期性地被旋轉(zhuǎn)葉片遮擋，通過數(shù)字示波器測得電壓也會(huì)呈現(xiàn)為高低電平交替的方波，通過數(shù)字示波器即可測得輸出方波的頻率f。通過f即可推算出葉片的轉(zhuǎn)速vr：

圖5 轉(zhuǎn)速監(jiān)測

式中：vr—— 葉片轉(zhuǎn)速；

f—— 輸出方波頻率；

n—— 葉片數(shù)量

3.4 運(yùn)動(dòng)速率監(jiān)測

運(yùn)動(dòng)速率監(jiān)測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)采用激光發(fā)射器垂直照向往復(fù)移動(dòng)的物塊，在物塊的另一側(cè)放置光強(qiáng)監(jiān)測裝置，并與激光發(fā)射器水平對(duì)齊。由于激光線會(huì)周期性地被旋轉(zhuǎn)物塊遮擋，被遮擋時(shí)通過數(shù)字示波器測得電壓跳變?yōu)榈碗娖?，?dāng)物塊離開激光照射范圍時(shí)，輸出電壓跳變?yōu)楦唠娖健Ｍㄟ^數(shù)字示波器即可測得輸出的低電平的持續(xù)時(shí)間t。通過t即可推算出物塊的運(yùn)動(dòng)速率vm：

式中：d—— 物塊平行于運(yùn)動(dòng)方向的最大幾何尺寸；t—— 輸出電壓低電平的持續(xù)時(shí)間

圖6 運(yùn)動(dòng)速率監(jiān)測

4 光強(qiáng)監(jiān)測裝置的測量范圍的判定

感光模塊（光強(qiáng)監(jiān)測探頭）為裝置的關(guān)鍵組件，為判定其采集光源發(fā)出的電壓信號(hào)的準(zhǔn)確性，對(duì)感光模塊進(jìn)行了校準(zhǔn)測試，以探究光強(qiáng)監(jiān)測裝置的工作范圍及可靠性。

以目視光度測量儀為校準(zhǔn)裝置，以光強(qiáng)為1 115 cd的標(biāo)準(zhǔn)光源，通過調(diào)整光源與光強(qiáng)監(jiān)測探頭的距離來獲得標(biāo)準(zhǔn)照度值。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

共采集了5組數(shù)據(jù)并制成圖表，如圖7所示。

由所得校準(zhǔn)檢測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：當(dāng)照度值在30 ～ 300 Lux時(shí)，光照產(chǎn)生的輸出電壓與照度關(guān)系近似線性關(guān)系，當(dāng)照度值超過300 Lux時(shí)，輸出電壓不隨照度值的增大而明顯提高。所以當(dāng)使用該套裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，還須考慮該光強(qiáng)監(jiān)測裝置的適用光照強(qiáng)度范圍，確保所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

圖7 照度與輸出電壓關(guān)系

由于校準(zhǔn)的照度點(diǎn)有限，結(jié)合30 ～ 100 Lux的近似線性關(guān)系，推測當(dāng)照度值在200 ～ 300 Lux時(shí)，輸出電壓已近似極限。

5 結(jié)語

研制的光強(qiáng)監(jiān)測裝置可以將光強(qiáng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為易于測量的電壓信號(hào)，并通過控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。避免了試驗(yàn)人員用肉眼監(jiān)測帶來的準(zhǔn)確性差和損傷視力的問題。應(yīng)用拓展性較強(qiáng)，除了監(jiān)測光強(qiáng)以外，還能配合定向光源（激光）實(shí)現(xiàn)對(duì)物體轉(zhuǎn)速、運(yùn)動(dòng)速率等物理量在電磁兼容試驗(yàn)中的監(jiān)控。

1）裝置測量準(zhǔn)確度主要由內(nèi)置感光二極管的光伏特性決定，可控性較強(qiáng)，通過合理的選型和電路設(shè)計(jì)，可以將測量誤差控制在+5%以內(nèi)。

2）具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，在200 V/m的干擾場強(qiáng)下正常工作。

3）對(duì)照度值為0 ～ 200 Lux的燈具光源有良好的檢測準(zhǔn)確度和可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

[1]梁玉杰.工業(yè)環(huán)境中電源電磁兼容設(shè)計(jì)研究[D].上海交通大學(xué)，2008.

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Light intensity monitoring device against strong electromagnetic interference

Zhu Jieping1,2，Ma Xin2，Bao Qilian1
（1.Shanghai Jiao Tong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

In this paper, a light intensity monitoring device which was used to resist the strong electromagnetic interference was designed, to solved the problem of the quantitative monitoring of optical parameters in the electromagnetic compatibility test.There was practical application in the monitoring of near and far light intensity as well asrotation rate and movement velocity.Using the visual photometry measuring instrument calibrated the measuring range of the device.

electromagnetic interference(EMI); light intensity monitoring;device