某探测系统的电磁兼容性探讨

某探测系统的电磁兼容性探讨

1    引言

    电磁兼容是指电气设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电气设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电气设备的正常工作，甚至造成电气设备中的元器件损坏。因此，对电气设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要使电气设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要使电气设备本身不对周围其他设备产生电磁干扰，影响其他设备正常运行。

    某探测系统由前端探测电路，信号处理电路和辅助机电部件组成。其中，前端探测电路主要由传感器和放大器组成，属于敏感器件，易受电磁干扰。而辅助机电部件主要由驱动电源和负载组成，是产生电磁干扰的主要辐射源。驱动电源大多采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源或直流斩波式方波交流电源，负载一般为感性电磁线圈。

    试验中发现：当探测元件无输入信号时，放大器就有较强的输出信号，导致整个探测系统无法正常工作。对此，我们的工作思路是，先对探测系统的电磁干扰信号进行测量，再对测量结果进行分析，找到产生电磁干扰的原因，以便采取有针对性的电磁兼容性措施，保证该探测系统的正常工作。

2    电磁干扰检测

2.1    检测的目的和方法

    检测的目的在于分析产生电磁干扰的原因，以便采取有针对性的电磁兼容性措施，保证整个系统正常工作。

    检测的方法是：启动探测系统，在探测元件无输入信号时，采用数字实时示波器对探测系统的输出信号进行检测。

    驱动电源分别采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源和直流斩波式方波交流电源。

2.2    检测内容

2.2.1    采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源的检测

    采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动辅助部分工作，在探测元件无输入信号时，测量放大器的输出信号。图1为放大器的输出信号示波图，图2为展开示波图。

图1    脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动时放大器的输出信号示波图

图2    脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动时放大器的输出信号展开示波图

2.2.2    采用直流斩波式方波交流电源的检测

    采用直流斩波式方波交流电源驱动辅助部分工作，在探测元件无输入信号时，测量放大器的输出信号。图3为放大器的输出信号示波图，图4为展开示波图。

图3    直流斩波式方波交流电源驱动时放大器的输出信号示波图

图4    直流斩波式方波交流电源驱动时放大器的输出信号展开示波图

2.2.3    空间的电磁场辐射耦合检测

    在探测元件无输入信号时，测量空间的电磁场辐射耦合到放大器的输出信号。图5为放大器的输出信号示波图。

图5    空间电磁场辐射耦合到放大器的输出信号示波图

2.3    检测结果

2.3.1    采用脉宽调制式开关逆变正弦交流电源驱动辅助部分工作

    在探测元件无输入信号时，放大器的输出信号中干扰的特点为：

    1）噪声电压具有随机性质，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干扰电压峰—峰值为8.4mV；

    3）干扰电压出现间隔不等，为ms级；

    4）每次干扰电压为几个振荡波形，振荡周期为40ns。

2.3.2    采用直流斩波式方波交流电源驱动辅助部分工作

    在探测元件无输入信号时，放大器的输出信号中干扰的特点为：

    1）噪声电压具有随机性质，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干扰电压峰峰值为29.6mV；

    3）干扰电压具有一定规律，出现的间隔为10ms；

    4）每次干扰电压为几个振荡波形，振荡周期为10μs。

2.3.3    空间的电磁场辐射

    在探测元件无输入信号时，空间的电磁场辐射耦合到放大器的输出信号中干扰的特点为：

    1）噪声电压具有随机性质，其峰—峰值<3.0mV；

    2）干扰电压峰—峰值为7.2mV。

3    结果分析及改进措施

    从检测结果可知，在探测元件无输入信号时，三种情况下放大器的输出信号中，干扰电压峰—峰值都远远超过该探测系统在放大器输出端要求的最小探测信号电压，因此，导致整个系统无法正常工作。

3.1    结果分析

3.1.1    脉宽调制式开关逆变正弦交流电源产生的干扰分析

    1）由于脉宽调制式开关逆变正弦交流电源的前级采用整流滤波，只有当输入的交流电压高于滤波电容的电压时，整流器件才可能导通，由此造成工频电流波形的畸变，而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）由于采用20kHz以上的脉宽调制式开关逆变正弦交流电源，其运行过程中产生大量的高次谐波在电源线和地线上传导发射。

    当开关器件关断时，由于集电极的高电位通过集电极与地之间的分布电容，地，电源进线，整流管返回集电极而产生共模干扰电流传导发射。

    当开关器件开通时，通过等效负载形成的高频脉冲串电流包含丰富的高次谐波在电源线上产生差模干扰电流传导发射。

3.1.2    直流斩波式方波交流电源产生的干扰分析

    1）由于直流斩波式方波交流电源的前级采用整流滤波，只有当输入的交流电压高于滤波电容的电压时，整流器件才可能导通，由此造成工频电流波形的畸变，而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）该探测系统的辅助部分由驱动电源和负载组成，驱动电源采用直流斩波式方波交流电源，驱动负载为感性的电磁线圈。

    对感性的电磁线圈采用直流斩波式方波交流电源供电，在斩波时将产生严重的电磁干扰。因为，感性的电磁线圈中的电流变化必然产生感应电动势，电流变化越快，产生的感应电动势越大。这种感应电动势将会通过各种路径传导耦合到放大器的输出级，而成为严重的电磁干扰。

    该探测系统辅助部分的驱动电源采用直流斩波式方波交流电源，其频率为50Hz，即每隔10ms斩波一次。从图3放大器的输出信号示波图中可以明显看出：电磁干扰信号正是每隔10ms出现一次。

3.1.3    辐射耦合产生的干扰分析

3.1.3.1    电源的电磁场辐射发射

    由于该探测系统的辅助部分驱动电源，采用了脉宽调制式开关逆变交流电源或直流斩波式方波交流电源。这两种电源波形的前后沿均含有一定的高次谐波，形成电磁场辐射发射。

3.1.3.2    空间的电磁场辐射耦合

    各种通信，广播和电视发射；高压电力线路，各种运行的工业电气设备和家用电器使空间杂散电磁场日益增多，其频谱范围和幅度日益增大。它们通过空间耦合到探测系统中，形成电磁干扰。

3.2    改进措施

3.2.1    对脉宽调制式开关逆变正弦交流电源的电磁兼容性措施

    1）加装功率因数校正环节，抑制由于工频电流波形的畸变而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）加装开关电源滤波器，即在供电进线处装设抑制传导干扰的开关电源滤波器。图6为开关电源滤波器的线路图。

图6    开关电源滤波器线路图

    由于电源线中往往同时存在共模与差模两种干扰，因此开关电源滤波器由共模滤波电路（L₁，L₂和C_y）和差模滤波电路（L₃，L₄与C_x）综合构成。其中L₁和L₂为绕在同一磁环上的两个匝数相等，绕向相同的独立线圈，当工作频率分量经过时，由于磁通抵消，电感很小，易于通过。当共模干扰频率分量经过时，由于磁通相加，电感很大，不易通过而被抑制。

    共模电感L₁和L₂一般在几mH至几十mH，共模电容C_y要在漏电流小于几mA前提下取较大值。差模电感一般在几十μH至几百μH,差模电容C_x要选择耐压足够高的陶瓷或聚酯电容器。市场上卖的一般电源滤波器主要是对共模干扰设计的，如果要对差模干扰起作用，应该另外增加两个独立的差模抑制电感。共模电感的磁性材料以金属磁性材料(1J851/0.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果较好。差模电感的磁性材料以金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火的磁性材料(国产ZW-1)效果较好，而不用开口铁氧体材料。

    开关电源滤波器与信号滤波器的不同之处在于阻抗搭配。应用信号滤波器时，为使传输的信号损耗小，应尽量使电源阻抗，滤波器阻抗和负载阻抗匹配。相反，应用开关电源滤波器时，为抑制传输的干扰信号，应尽量使电源阻抗、滤波器阻抗和负载阻抗不匹配。

    设计和选用开关电源滤波器一定要根据电路的实际情况而定。首先测量传导干扰的电平，再与电磁兼容的标准或实际应用需要的信号电平进行比较，选择对超标信号或超过实际应用需要的信号的幅值和频带有抑制作用的开关电源滤波器。

3.2.2    对直流斩波式方波交流电源的电磁兼容性措施

    1）加装功率因数校正环节，抑制由于工频电流波形的畸变而产生大量的谐波在电源线上传导发射。

    2）从上述分析可知：该探测系统辅助部分的驱动电源采用的直流斩波式方波交流电源是导致产生严重的电磁干扰的根本原因。为此应当采用电流过零时变化率较小的电源，比如线性纯正弦波电源更为合适。这种电源是将纯正弦波信号经过多级放大后，供电给辅助部分驱动的。在探测元件无输入信号时，测量放大器的输出信号，如图7所示，此时在放大器输出端最大信号电压峰峰值为4.4mV。说明原来的干扰信号已被极大地消除。

图7    采用线性纯正弦波电源驱动时放大器的输出信号示波图

3.2.3    对辐射耦合产生干扰的电磁兼容性措施

    对上述两种电磁场辐射耦合，应加强该探测系统的电磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

    1）屏蔽的设计和选用    电磁屏蔽设计时，一般采用导电率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。

    2）注意屏蔽的完整性    如果屏蔽体不完整，将导致电磁场泄漏，特别是电磁场屏蔽，如果屏蔽体不完整，将使产生涡流的效果降低，则屏蔽的效果将大打折扣。为此，要注意下述几个问题。

    （1）接缝处理    接缝处理不好将使屏蔽体的屏蔽效果降低。对固定的接缝最好采用连续焊接。焊接前，应将要焊接表面的非导电物质清除干净。要尽可能对全部外壳间断处进行搭接。对非固定的接缝应采用导电衬垫，并将其压紧,以提高接缝的电磁密封效果。常用的导电衬垫材料有金属编织物，含有金属丝的橡胶等。对活动的接缝，采用弹性指簧以提高接缝的电磁屏蔽效果。

    （2）孔眼屏蔽    对通风和测量需要的孔眼，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果与电磁波的频率，孔眼的尺寸和数量等参数有关。

    （3）电连接器屏蔽    选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针供电缆内各个屏蔽层在电连接器端头接。为保证屏蔽的完整性，要沿着电缆一周，将电缆的外屏蔽层和电连接器整个地连接，最好是焊接；电连接器座应与设备的金属外壳保持良好的电气连接；电连接器头也应与电连接器座保持良好的电气连接。

3.2.4    地线耦合

    接地设计的好坏对探测系统的正常工作是非常重要的。为此，对该探测系统的接地进行了改进设计，设置了三种接地。

    1）安全地    即将金属机壳接地，当机壳带电时，保护动作切断电源，以保护工作人员和设备的安全。同时安全地可以作为各种屏蔽的接地。

    2）功率地    为防止高电压或大电流的强功率电路（如电源，继电器，电机）对低电平电路（如高频电路，数字电路，模拟电路等）的干扰，而将它们的接地分开。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地）。

    3）信号地    分为数字地和模拟地，主要目的是为了抑制电磁干扰，因此，应当特别注意低电平电路、信号检测电路、传感器输入电路和前级放大电路的接地。

    不正确的接地不仅不会降低干扰反而会增加干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等等。接地可以按工作频率采用不同的接地方式。由于该探测系统的工作频率较低（小于1MHz）而采用单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上）。

    该探测系统的传感器输入电路和前级放大电路的接地应该只设一个接地点，因为，多个接地点会引入共地阻抗的干扰。而这个接地点的位置应当选择在保证地线中的电流流向为从小信号电路流向大信号电路，从而避免大信号电路的地线电流对小信号电路产生干扰。

    接地电阻的要求是越小越好。因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。除产生共地阻抗的电磁干扰外。该电压一方面使设备受到反击过电压的影响，另一方面使人员受到电击伤害的威胁。因此一般要求接地电阻小于4Ω。

    接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下3种：

    一是降低接地线电阻，为此要用总截面大和长度小的多股细导线。因为电阻和总截面成反比，和长度成正比，又与频率的趋肤效应有关。

    二是降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓和接地极紧密又牢靠地连接，并要增加接地极和土壤之间的面积与接触的紧密度。

    三是降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。

3.3    结果

    为防止探测系统的强电辅助部分对弱电探测部分通过共一个电源产生的干扰，而对这两部分的供电采用了隔离措施。

    当采取了上述改进措施后，在探测元件无输入信号时，测量放大器的输出信号示波图如图8所示。示波图显示放大器的输出干扰信号峰—峰值为2.72mV，有了很大的改善。

图8    加强电磁屏蔽后放大器的输出信号示波图

4    结语

    由于我们对该探测系统，分系统和元器件的电磁兼容性分析预测不够充分，采取的电磁兼容设计不够完善，导致该探测系统初样工作不正常。通过对其上的电磁干扰信号进行测量和分析，有针对性地采取了电磁兼容性措施后，保证了该探测系统正样的正常工作。但是，却花费了我们很多的时间和精力，也浪费了不少经费。其教训是非常深刻的，同时也让我们对电磁兼容性工作更加重视。

    综上所述，我们对干扰源采取了如下电磁兼容性措施：

    1）加装功率因数校正环节，抑制由于工频电流波形的畸变而产生的大量谐波在电源线上传导发射；

    2）辅助部分的驱动电源采用电流过零时变化率较小的电源，比如线性纯正弦波电源；

    3）为防止探测系统的强电部分对弱电探测部分通过共一个电源产生的干扰，对这两部分的供电增加隔离措施。

    对干扰传播路径采取了如下电磁兼容性措施：

    1）在供电进线处安装开关电源滤波器；

    2）加强电磁屏蔽，以防空间的电磁场辐射耦合到该探测系统中，并注意电磁屏蔽的完整性和良好的接地措施；

    3）对该探测系统的接地进行了改进设计，特别注意了低电平电路、信号检测电路、传感器输入电路和前级放大电路的接地设计。

    为了提高电气设备的电磁兼容性能，必须从开始设计时就给予足够的重视。要充分分析电气设备可能存在的电磁干扰源及性质，电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件。从而在设计时采取相应对策，这样可以部分消除可能出现的电磁干扰，减轻调试工作的压力。在调试工作中，针对具体出现的电磁干扰，从接收电磁干扰的电路和元器件的表现，分析出电磁干扰源所在及电磁干扰可能传播的路径，再采取合适的解决办法。而从源头抓起，往往是最根本的方法。