毛姍姍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境下機(jī)載監(jiān)控設(shè)備傳感器應(yīng)用分析?

毛姍姍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

在甚低頻強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，機(jī)載監(jiān)控設(shè)備傳感器的電磁兼容設(shè)計(jì)受到多方面的影響。文章從風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境因素等方面對(duì)檢測(cè)傳感器的選型進(jìn)行了應(yīng)用分析，并從傳感器的使用策略和適用性角度進(jìn)行考慮，對(duì)器件類型進(jìn)行了擇優(yōu)選擇。文章重點(diǎn)介紹了光纖光柵傳感器的工作原理，并結(jié)合機(jī)載監(jiān)控設(shè)備對(duì)檢測(cè)元器件的應(yīng)用需求，提出相對(duì)應(yīng)傳感器的外部構(gòu)造形式。

甚低頻；機(jī)載監(jiān)控設(shè)備；電磁兼容；光纖光柵傳感器

1 引言

在甚低頻通信領(lǐng)域，由于甚低頻設(shè)備具備發(fā)射功率容量大，電磁輻射能量強(qiáng)的特點(diǎn)，使得設(shè)備外圍近場(chǎng)區(qū)處于特殊的強(qiáng)電磁環(huán)境中。處于這樣特殊環(huán)境下的機(jī)載設(shè)備，所面臨的電磁兼容性設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。其中，為了確保通信系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運(yùn)行，需要機(jī)載監(jiān)控設(shè)備對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能指標(biāo)與工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先根據(jù)機(jī)載監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用需求，對(duì)所需要的檢測(cè)傳感器的選型應(yīng)用進(jìn)行分析與研究，使之能夠適應(yīng)甚低頻輻射場(chǎng)下的強(qiáng)電磁環(huán)境。

2 傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

目前，適用于常規(guī)環(huán)境下的機(jī)載監(jiān)控設(shè)備，其特性并不足以滿足甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境下的使用要求［12］。傳感器件作為機(jī)載監(jiān)控設(shè)備的重要組成部分，由于其工作方式的特殊性，能夠采取的抗電磁干擾措施有限，不足以完全消除惡劣環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的干擾。由于常規(guī)傳感器件較難以在機(jī)載甚低頻電磁環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)工作，因此在進(jìn)行檢測(cè)傳感器的選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先從應(yīng)用環(huán)境等方面上對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

機(jī)載監(jiān)控設(shè)備很大程度上依賴于載機(jī)平臺(tái)，其工作運(yùn)行條件受飛行環(huán)境制約，不可預(yù)見性風(fēng)險(xiǎn)極大。這種風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于機(jī)載監(jiān)控設(shè)備而言主要表現(xiàn)在與執(zhí)行機(jī)構(gòu)有著緊密聯(lián)系的傳感器件上，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

1）甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境下，機(jī)載設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)仍屬于空白，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在壁壘，缺乏適用于此環(huán)境下的檢測(cè)傳感器的應(yīng)用案例［1］。國(guó)內(nèi)民用領(lǐng)域類似的應(yīng)用主要表現(xiàn)在高壓輸電、變電站等工作環(huán)境，這種工作環(huán)境下應(yīng)用的器件類型與機(jī)載監(jiān)控設(shè)備需求大不相同。由于機(jī)載環(huán)境的復(fù)雜性，采用類似形式的傳感器件可能達(dá)不到令人滿意的效果。

2）通過單純的仿真設(shè)計(jì)不能提供足夠的電磁兼容性預(yù)測(cè)［13］。由于甚低頻電磁環(huán)境輻射分布的不規(guī)則性［11］，僅依靠仿真是不足以對(duì)實(shí)際可能發(fā)生的情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)計(jì)的。所以針對(duì)于該領(lǐng)域的研究需要邊試驗(yàn)邊摸索，現(xiàn)階段也無(wú)法判斷傳感器件采取一定條件的屏蔽濾波措施后，能夠?qū)⑸醯皖l環(huán)境下的強(qiáng)電磁干擾衰減到何種程度。

3）強(qiáng)電磁干擾對(duì)傳感器的毀傷作用無(wú)法評(píng)估。目前市場(chǎng)上的傳感器件只適合常規(guī)環(huán)境下的抗電磁干擾設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)低。它們長(zhǎng)期處于甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境中，對(duì)于傳感器的效能的影響尚未可知，可能會(huì)有熱損耗和損毀這樣的極端情況的發(fā)生。

2.2 環(huán)境制約因素

處于甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境下的機(jī)載監(jiān)控設(shè)備，它所選用的檢測(cè)傳感器除了體積、重量受到機(jī)載環(huán)境的嚴(yán)格限制外［6］，其應(yīng)用還受到許多外界環(huán)境因素的制約，主要體現(xiàn)在惡劣環(huán)境、材料材質(zhì)、屏蔽接地三個(gè)方面。

1）惡劣環(huán)境

處于甚低頻強(qiáng)電磁干擾中的機(jī)載設(shè)備，一般是采用金屬外殼接地屏蔽的電磁兼容設(shè)計(jì)方法。雖然為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離，將機(jī)載設(shè)備放置在完全的屏蔽殼體中，能夠杜絕強(qiáng)電磁干擾對(duì)設(shè)備造成的影響。但是直接布置于屏蔽殼體外的各類檢測(cè)元器件，仍然需要耐受此類惡劣環(huán)境。

2）材料材質(zhì)

由于所處環(huán)境的復(fù)雜性，大功率通信組件和機(jī)體地之間容易產(chǎn)生電容耦合現(xiàn)狀，這可能會(huì)造成附近空氣被局部電離，并產(chǎn)生放電現(xiàn)象。這種放電現(xiàn)象容易造成附近的金屬器件產(chǎn)生電擊穿現(xiàn)象，使得器件本身受到損害。因此在進(jìn)行檢測(cè)傳感器的選型時(shí)，需要對(duì)其材料材質(zhì)進(jìn)行特殊考慮，它的外殼封裝宜具備非金屬材料性質(zhì)。

3）屏蔽接地

與地面設(shè)備的接地方式不同，在載機(jī)上并不能實(shí)現(xiàn)與大地連接同屬性的零電位，所謂的“機(jī)體地”實(shí)際上只是同電位。因而對(duì)機(jī)載監(jiān)控設(shè)備而言，采取屏蔽接地措施只能將干擾大大減輕，并不能完全消除干擾。所以在對(duì)檢測(cè)傳感器件進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計(jì)時(shí)，需要重新評(píng)估“機(jī)體地”對(duì)電磁兼容設(shè)計(jì)的影響，著重考慮其他措施。在載機(jī)環(huán)境下，傳感器件的布局受到空間限制，為了不影響其檢測(cè)效果，許多抗電磁干擾措施的實(shí)施受到了制約。

2.3 強(qiáng)電磁干擾影響

在甚低頻通信所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)中，處于同一平臺(tái)環(huán)境中的機(jī)載設(shè)備及其他系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超過規(guī)定限度的電磁干擾，使設(shè)備的工作性能降低乃至設(shè)備自身?yè)p毀。其中，根據(jù)機(jī)載監(jiān)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局，與通信系統(tǒng)有著直接或者間接接觸的檢測(cè)傳感器受電磁干擾的影響最大。因?yàn)楫?dāng)具有高精度、高靈敏度的傳感器件接收到電磁能量后，會(huì)在線路中轉(zhuǎn)化為大電流，在高阻處也可轉(zhuǎn)化為高電壓，使得器件局部遭受到電擊穿，導(dǎo)致器件燒毀或者瞬間失效［10］。

基于上述考慮，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器件的必須具備耐受環(huán)境應(yīng)力的特性。在常規(guī)環(huán)境中，可以采取在線路上搭接濾波器和啟用屏蔽罩，或者加大空間距離等方法來(lái)抵消電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾。但是由于在機(jī)載環(huán)境中，檢測(cè)傳感器與發(fā)信設(shè)備之間距離很短，且甚低頻通信發(fā)射功率強(qiáng)大，造成輻射能量很強(qiáng)，采取現(xiàn)有的屏蔽濾波措施不一定能夠使這種強(qiáng)電磁干擾衰減到令人滿意的效果。而且現(xiàn)階段對(duì)于機(jī)載甚低頻段傳感元器件的電磁兼容性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，對(duì)可能發(fā)生的電磁兼容性問題無(wú)法得到有效的評(píng)估。

3 傳感器選型分析

機(jī)載監(jiān)控設(shè)備所處的環(huán)境特性決定了傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式，因此在進(jìn)行選型分析時(shí)，應(yīng)首先從傳感器的使用策略和類型兩個(gè)方面來(lái)考慮［5］。

3.1 時(shí)間分隔策略的不足

為了間接提高各系統(tǒng)間的電磁兼容性能，使得機(jī)載設(shè)備能夠在甚低頻通信所產(chǎn)生的電磁環(huán)境中按照系統(tǒng)的設(shè)定期望正常運(yùn)行，可以采取諸如合理布線、空間方位分離、時(shí)間閉鎖分離、頻率劃分與回避、旁路等策略來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)［7］。而對(duì)于機(jī)載監(jiān)控設(shè)備而言，由于甚低頻通信所造成的電磁干擾非常強(qiáng)且不易回避，故為了抑制干擾的傳播宜采用時(shí)間分隔的策略形式。

時(shí)間分隔策略是指當(dāng)強(qiáng)干擾信號(hào)發(fā)射時(shí)，使易受干擾的敏感設(shè)備短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉以避免受到損害。而在甚低頻強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，即使監(jiān)控設(shè)備不工作，直接或間接暴露于輻射場(chǎng)中的敏感元器件很大程度上會(huì)遭受毀傷。這是因?yàn)橹T如電壓、電感、電磁等形式的傳感器件，其工作原理是將非電量的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為電量的輸入信號(hào)值，它們是通過電纜將電信號(hào)傳遞給對(duì)應(yīng)的指示儀表或者控制器的。這種機(jī)電式傳感器為了獲得精確的測(cè)量值，具有較高的靈敏度。當(dāng)它們?cè)馐芡饨珉姶怒h(huán)境的干擾越惡劣時(shí)，所能感應(yīng)出的電量越大，越容易受到?jīng)_擊破壞，而一旦超過允許范圍則會(huì)造成失效。在時(shí)間分隔策略下，常規(guī)機(jī)電式傳感器件仍然難以適應(yīng)機(jī)載甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境。

3.2 傳感器適用性分析

機(jī)載監(jiān)控設(shè)備需對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行包括位移、速度、溫度、壓力、位置在內(nèi)的物理量的實(shí)時(shí)測(cè)量［4］。由于常規(guī)傳感器在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的應(yīng)用極少，不能滿足機(jī)載設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)要求。因此，為了保證傳感器件能夠長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定工作在甚低頻通信環(huán)境，盡量避免電氣干擾對(duì)其產(chǎn)生的影響，應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中較為少見的非電量測(cè)量形式的新型傳感器進(jìn)行分析，從而選出適合甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境下工作的傳感器件類型。

1）無(wú)線傳感器

無(wú)線傳感器減少了復(fù)雜的走線，從而隔離了傳導(dǎo)干擾，提高了器件的抗毀傷能力。但是此類傳感器的傳輸信號(hào)途徑采用的是超短波或者微波的電臺(tái)傳輸形式，在甚低頻強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，無(wú)線傳輸端口的天線將會(huì)被燒毀。

2）紅外傳感器

紅外傳感器具有無(wú)接觸的特點(diǎn)，可應(yīng)用于溫度參數(shù)的測(cè)量，也可作為位置接近傳感器，目前紅外搜索跟蹤傳感器已成功應(yīng)用于航空領(lǐng)域目標(biāo)識(shí)別方面。但是紅外傳感器的檢測(cè)效果受被測(cè)物體所產(chǎn)生的熱源的影響，而在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有限空間內(nèi)并不宜額外增加熱源產(chǎn)生裝置。

3）激光傳感器

激光傳感器可以作為位置接近傳感器，該類型傳感器主要應(yīng)用有激光測(cè)距儀等等，且在超高壓輸電線路巡線機(jī)器人上也已成功應(yīng)用。但是激光成套設(shè)備一般體積重量較大，且激光具有極強(qiáng)的方向性，造成激光傳感器的檢測(cè)覆蓋面積小，所以該類型傳感器的適用場(chǎng)合有限。

4）超聲波傳感器

超聲波傳感器可作為位置接近傳感器進(jìn)行使用，主要應(yīng)用為超聲波測(cè)距儀。但是超聲波在空氣中衰減程度大，且在機(jī)載環(huán)境下，需將超聲波傳感器布置于空氣流場(chǎng)中，因此機(jī)身表面產(chǎn)生的音障和多普勒效應(yīng)會(huì)影響到器件的檢測(cè)效果。

5）光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器具備電絕緣、不受電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫高壓、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。它是將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳輸，所以能夠在甚低頻強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前這種類型的溫度傳感器已經(jīng)在變電站、高壓輸電上成熟運(yùn)用，應(yīng)變傳感器也在橋梁健康檢測(cè)領(lǐng)域成熟應(yīng)用［8］。

綜上所述，適用于甚低頻通信條件下的機(jī)載監(jiān)控設(shè)備用傳感器，應(yīng)具有非電轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)脑硇问?。符合此類原理形式的傳感器件即為光纖光柵傳感器，它是機(jī)載監(jiān)控設(shè)備所能采用的最為理想的傳感器類型［2］。光纖光柵傳感器是一種不受電磁干擾，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的器件，它能直接切斷干擾傳播途徑，從而有效減少大量實(shí)際效果有限的電磁兼容防護(hù)措施。

4 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器具備不受電磁干擾且不產(chǎn)生電磁干擾的優(yōu)良特性，它的成功運(yùn)用能夠從根源上解決強(qiáng)電磁干擾帶來(lái)的電磁兼容問題。

4.1 工作原理

光纖光柵傳感器是一種利用光纖本身的敏感特性而制成的光纖傳感器。這種由玻璃纖維構(gòu)成的新型器件，具有許多光纖具備的優(yōu)異性能：在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不會(huì)受到電磁干擾的影響，同時(shí)可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸而不受損耗［9］。光纖光柵是工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的光纖傳感器，目前在高壓超高壓輸電系統(tǒng)、變電站開關(guān)柜中均采用此類傳感器進(jìn)行在線監(jiān)控。

圖1 光纖光柵傳感器原理圖

光纖光柵傳感器的工作原理如圖1所示，當(dāng)寬帶光經(jīng)過光纖光柵傳感器后，只有滿足反射條件的相應(yīng)波長(zhǎng)被反射，其余波段的光則透過光柵傳播，因此反射光譜只是帶寬很窄的一束光。通過測(cè)量反射光譜的光波長(zhǎng)范圍，經(jīng)過轉(zhuǎn)化即可得到被測(cè)量的測(cè)量參數(shù)。

4.2 構(gòu)型設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外具備競(jìng)爭(zhēng)力的光纖光柵傳感器生產(chǎn)企業(yè)提供的產(chǎn)品資料，目前市場(chǎng)上可提供的成熟、成型光纖光柵傳感器包括應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、位移計(jì)等等，可滿足機(jī)載監(jiān)控設(shè)備對(duì)于壓力［3］、溫度、位移在內(nèi)的物理量的測(cè)量。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度、位置參數(shù)的檢測(cè)，需要自行設(shè)計(jì)對(duì)之配套類型的光纖光柵傳感器，以便滿足機(jī)載監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。

圖2 光纖光柵微應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖光柵微應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，當(dāng)圓柱形的壓頭受到自上而下的壓力后，產(chǎn)生了沿著壓力方向的位移，傳感器內(nèi)部承載壓力的簡(jiǎn)支梁會(huì)發(fā)生彎曲形變，使得粘貼在簡(jiǎn)支梁底部的光纖光柵薄膜發(fā)生一定程度的拉伸，從而使經(jīng)過光纖光柵的反射波的波長(zhǎng)向著長(zhǎng)波方向進(jìn)行漂移。光纖光柵微應(yīng)變傳感器可構(gòu)成實(shí)現(xiàn)位置參數(shù)檢測(cè)的位置接近傳感器，并可利用該類型傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

圖3 計(jì)數(shù)傳感器與位置接近傳感器

在鼓輪機(jī)構(gòu)中，將光纖光柵微應(yīng)變傳感器安裝在鼓輪軸承盒頂部，并在鼓輪外側(cè)安裝與之位置匹配的擋塊，從而構(gòu)成計(jì)數(shù)傳感器。當(dāng)鼓輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，擋塊就會(huì)觸發(fā)傳感器的壓頭一次，如圖3所示。通過光纖光柵解調(diào)儀，可得到這種傳感器反射波長(zhǎng)的周期性變化情況，通過累計(jì)波長(zhǎng)變化的峰值時(shí)間間隔和次數(shù)，就可以得知鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種通過應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的光纖光柵傳感器是根據(jù)壓力信號(hào)峰值的出現(xiàn)次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鼓輪軸的計(jì)數(shù)功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)機(jī)載監(jiān)控設(shè)備傳感器的應(yīng)用需求，多角度分析了適用于甚低頻強(qiáng)電磁環(huán)境下的器件應(yīng)具備的工作特性和類型特點(diǎn)；提出了在機(jī)載監(jiān)控設(shè)備上應(yīng)用新型的光纖光柵傳感器，該類型器件的應(yīng)用能夠從根源上解決強(qiáng)電磁干擾帶來(lái)的檢測(cè)傳感器的電磁兼容問題。最后從光纖光柵傳感器的工程應(yīng)用角度著手，提出相應(yīng)器件的外部構(gòu)造形式并進(jìn)行分析。

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Application and Analysis of Airborne Monitoring Equipment in VLF Strong Electromagnetic Environment

MAO Shanshan
（No.722 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430079）

In extremely low frequency and highly strong electromagnetic environments，the design of electromagnetic compatibility of airborne monitoring sensors is seriously affected by many factors.After analyzing the problem of sensor selection from the perspective of risks and environmental aspects，this paper selects the most suitable device type by taking using strategies and feasibility into account.Following this，the paper gives a detailed description of the principles of fiber grating sensor and proposes specific structure forms for each sensor according to the requirement of the airborne monitoring units to sensing devices.

VLF，airborne monitoring equipment，electromagnetic compatibility，fiber grating sensor

TN97

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.034

Class Number TN97

2017年5月14日，

2017年6月15日

毛姍姍，女，碩士，工程師，研究方向：艦船通信天線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。