傳感器EMC的重要性與研究進(jìn)展*

劉桂雄 朱海兵 洪曉斌

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

傳感器EMC的重要性與研究進(jìn)展*

劉桂雄 朱海兵 洪曉斌

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

針對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)傳感器穩(wěn)定性、靈敏性及精確度要求日益提高，以及日益復(fù)雜電磁環(huán)境下傳感器面臨的電磁兼容性問題，論述傳感器電磁兼容性內(nèi)涵及特點(diǎn)，指出目前開展傳感器電磁兼容性研究工作重要性，從傳感器電磁抗干擾技術(shù)、PCB電磁兼容技術(shù)及傳感器電磁兼容預(yù)估技術(shù)三個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)外傳感器電磁兼容性研究進(jìn)展，最后對(duì)傳感器電磁兼容性研究提出一些建議。

傳感器；電磁兼容性；電磁抗干擾；電磁兼容預(yù)估

1 引言

傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。傳感器是信息技術(shù)的前端，其性能和質(zhì)量直接決定了信息系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。隨著城市人口不斷增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，各類電子電氣設(shè)備大量進(jìn)入社會(huì)，傳感器外部工作電磁環(huán)境日益復(fù)雜[1-2]。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)與集成技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器封裝尺寸越來(lái)越小，電路結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，電子器件日益密集，工作頻率范圍越來(lái)越寬，傳感器內(nèi)部電磁干擾日益顯著[3]。因此，開展傳感器電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）研究，提高傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的穩(wěn)定性、靈敏性及精度已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文通過分析傳感器電磁兼容性的內(nèi)涵及特點(diǎn)，從傳感器電磁抗干擾技術(shù)、PCB電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)以及傳感器電磁兼容預(yù)估技術(shù)三個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)外傳感器電磁兼容性研究進(jìn)展，探討傳感器電磁兼容性設(shè)計(jì)方法，期望引起對(duì)傳感器電磁兼容性研究的重視。

2 傳感器電磁兼容性及研究意義

電磁兼容性EMC是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受電磁騷擾的能力[4]。傳感器電磁兼容性是指?jìng)鞲衅髟陔姶怒h(huán)境中的適應(yīng)性，保持其固有性能、完成規(guī)定功能的能力。它包含兩個(gè)方面要求：一方面要求傳感器在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾不能超過一定限值；另一方面要求傳感器對(duì)所在環(huán)境中存在電磁干擾具有一定程度抗擾度。電磁兼容性作為傳感器性能指標(biāo)，正受到越來(lái)越多重視。如TC65制定了IEC61000-4《工業(yè)過程測(cè)量和控制的電磁兼容性》標(biāo)準(zhǔn)，汽車用電子傳感器執(zhí)行ISO11452系列汽車零部件電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等。

傳感器電磁兼容性問題具有一般電子設(shè)備的共性，電磁干擾行為產(chǎn)生需具備干擾源、耦合途徑及敏感源等電磁兼容三要素，如圖1所示。只要將這三個(gè)要素中的一個(gè)消除或抑制，電磁干擾問題就會(huì)隨之消除或抑制。因此，電磁兼容性研究也是圍繞三要素展開的，通過研究每個(gè)要素特點(diǎn)，提出消除或抑制每個(gè)要素方法，從而解決電子電氣設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性問題。

圖1 電磁兼容三要素

就電磁敏感度（electromagnetic susceptibility, EMS）而言，兩方面原因使得傳感器EMS問題非常突出。首先，傳感器相比于通信系統(tǒng)或電力系統(tǒng)，尺寸較小、門限電壓較小，是低電平電子設(shè)備。數(shù)字電路邏輯元件有一定閥電平和與之相對(duì)應(yīng)干擾容限，因而它不會(huì)響應(yīng)低于容限的干擾，但對(duì)于其所受到高于容限的干擾卻沒有恢復(fù)功能。脈沖數(shù)字電路易受外界脈沖影響，同時(shí)也會(huì)向外界產(chǎn)生干擾脈沖；傳感器處理一般為較微弱信號(hào)，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，外界極小電磁干擾都有可能給輸出結(jié)果帶來(lái)很大誤差，甚至錯(cuò)誤結(jié)果。

就電磁干擾（electromagnetic interference, EMI）而言，傳統(tǒng)傳感器由于工作頻率較低，電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，電磁干擾問題不是特別明顯，但隨著半導(dǎo)體與集成技術(shù)不斷發(fā)展，傳感器EMI問題也不容忽視。數(shù)字計(jì)算技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)一直推動(dòng)著半導(dǎo)體技術(shù)以摩爾定律[5]持續(xù)發(fā)展，高速高頻已成為電子設(shè)備發(fā)展必然趨勢(shì)。傳感器功能越來(lái)越多，電路結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜。

電磁干擾按頻段劃分如表1所示。從干擾途徑來(lái)分，0～300KHz并存著傳導(dǎo)干擾和交變電磁場(chǎng)引起的近場(chǎng)感應(yīng)干擾；射頻和微波干擾都是遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射干擾。當(dāng)設(shè)備、導(dǎo)線的長(zhǎng)度比波長(zhǎng)短時(shí)，主要問題是傳導(dǎo)干擾；當(dāng)它們的尺寸比波長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)，主要問題是輻射干擾。傳感器通常為諧波干擾、傳導(dǎo)干擾及射頻干擾，但隨著電子設(shè)備向高速高頻發(fā)展，微波干擾也對(duì)傳感器產(chǎn)生影響，如Mica2、CC2430等無(wú)線通信傳感器。

表1 電磁干擾按頻段劃分

傳感器外界干擾主要來(lái)源是工頻電源干擾、靜電干擾及雷電脈沖干擾等，內(nèi)部干擾源主要為電源電路、脈沖數(shù)字電路、開關(guān)電路及信號(hào)調(diào)理電路和地線干擾等。

3 國(guó)內(nèi)外傳感器電磁兼容性研究進(jìn)展

下面從傳感器電磁抗干擾技術(shù)、PCB電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和傳感器電磁兼容性預(yù)估三方面，介紹國(guó)內(nèi)外傳感器EMC研究進(jìn)展。

3.1 傳感器電磁抗干擾技術(shù)

屏蔽是提高傳感器電磁兼容性重要措施之一，它既可阻止或減少傳感器內(nèi)部輻射電磁能對(duì)外傳輸，又可阻止或減少外部輻射電磁能對(duì)傳感器干擾。傳感器常用含孔縫金屬屏蔽體屏蔽外界干擾，屏蔽體屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）直接影響傳感器抵抗外界電磁干擾能力。電磁屏蔽由Bell實(shí)驗(yàn)室Schelkunoff于1936年在“A Theory of Shielding ”中首次提出，并于1938年在“ The Impedance Concept and its Application to Problems of Reflection, Refraction, Shielding and Power Absorption ”第一次系統(tǒng)論述電磁屏蔽概念及應(yīng)用。早期研究主要集中在不同屏蔽體屏蔽效能數(shù)學(xué)模型，以及含孔縫屏蔽體內(nèi)電磁產(chǎn)分布情況。文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]給出了遠(yuǎn)場(chǎng)、近電場(chǎng)及近磁場(chǎng)條件下單層金屬平板、帶孔陣金屬平板以及多層金屬屏蔽體三種典型屏蔽體的屏蔽效能。圖2單層為金屬板屏蔽示意圖，設(shè)R、A、B分別為邊界反射損耗能量、吸收能量、多次反射損耗能量；K1、K2、K3分別為與孔個(gè)數(shù)有關(guān)的修正項(xiàng)、由趨膚深度不同引入的低頻修正項(xiàng)、由相鄰孔相互耦合引入的修正項(xiàng)，n為金屬屏蔽體層數(shù)，t為金屬板厚度，那么單層金屬平板、帶孔陣金屬平板以及多層金屬屏蔽體屏蔽效能分別為：

圖2 金屬板屏蔽示意圖

屏蔽體開口的孔及縫直接影響屏蔽效能及屏蔽體內(nèi)電磁場(chǎng)分布。北京理工大學(xué)杜恩祥等(2003)根據(jù)對(duì)偶原理，用對(duì)偶量代替基本振子再求解輻射場(chǎng)建立了傳感器屏蔽體縫隙泄漏電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了屏蔽體泄漏電磁場(chǎng)分布情況[8]。屏蔽體內(nèi)電場(chǎng)、磁場(chǎng)表達(dá)式分別為：

式中l(wèi)、d分別為縫隙寬度與寬度（d<<λ），Et為電場(chǎng)切向分量，

最近的研究熱點(diǎn)為不同入射波形電磁波孔縫耦合以及不同孔縫耦合效應(yīng)問題。如文獻(xiàn)[9]采用FDTD法研究核電脈沖、快上升前沿脈沖、超寬帶電磁脈沖對(duì)目標(biāo)腔體孔縫耦合效應(yīng)；文獻(xiàn)[10]通過定義能量耦合傳輸系數(shù)，應(yīng)用FDTD法分析耦合能量隨窄縫寬度、厚度和時(shí)間變化關(guān)系，以及在正弦波調(diào)制的高斯脈沖源激勵(lì)下窄縫和窄縫腔體耦合共振特性。

傳感器電磁抗干擾其它方法還有接地、濾波等。除此之外，利用冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)、標(biāo)志技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)等軟件設(shè)計(jì)方法，都可有效提高傳感器電磁抗干擾能力。

3.2 PCB電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)

PCB作為傳感器電路載體，PCB上元器件布局、布線及分層對(duì)傳感器EMC有重要影響。PCB發(fā)生的電磁現(xiàn)象屬于近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)范圍，研究熱點(diǎn)主要為印制線的串?dāng)_及輻射問題以及電磁干擾抑制方法。對(duì)于線條問題，關(guān)鍵是確定信號(hào)線等電路參數(shù)及高頻時(shí)表征的分布參數(shù)，可用準(zhǔn)靜態(tài)分析法來(lái)確定單位長(zhǎng)度電容、電阻、電感及電導(dǎo)參數(shù)[11]。對(duì)于串?dāng)_問題，主要利用多導(dǎo)體傳輸線理論求解，弱耦合的兩線間串?dāng)_可用簡(jiǎn)化公式計(jì)算[12]。此外，還可采用譜域方法求解出信號(hào)線上電流分布，進(jìn)而得出線間串?dāng)_[13]。另外，修正的傳輸線方程能夠分析出任意角度軌跡線間串?dāng)_[14]。對(duì)于輻射問題，常規(guī)方法是先運(yùn)用傳輸線理論求出線條上電流分布，再運(yùn)用散射理論或格林函數(shù)進(jìn)行積分求出輻射[15]。對(duì)于PCB電磁干擾，一種有效方法是采用旁路和退耦[16]。退耦裝置可有效分布PCB電源網(wǎng)絡(luò)，去耦電容位置及數(shù)量對(duì)PCB板EMI問題有重要影響[17-18]。其它PCB電磁干擾抑制技術(shù)還有基底介質(zhì)補(bǔ)償[19]、地平面打孔、加屏蔽地線、樁柵欄等措施。

3.3 傳感器電磁兼容預(yù)估

電磁兼容性預(yù)測(cè)分析是電磁兼容性設(shè)計(jì)重要一環(huán)。自從1968年W. R. Johnson和A. K. Thomas提出EMC計(jì)算機(jī)輔助分析以來(lái)，EMC預(yù)測(cè)分析得到長(zhǎng)足發(fā)展。通過建立各種干擾源，傳輸路徑及接收器物理、數(shù)學(xué)模型及必要數(shù)據(jù)庫(kù)，利用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法即可從設(shè)計(jì)初始階段定量考慮傳感器EMC問題。常用數(shù)值計(jì)算方法有矩量法(MoM)、有限元法(FEM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)及快速多極子法(FMM)等[20]?；谶@些數(shù)值算法國(guó)外已開發(fā)出許多商用電磁仿真軟件包，如Sonnet、IE3D、Ansoft-HFSS及Microwave Office等。通過這些軟件包可以分析過孔、傳輸線等耦合，可以看出傳感器PCB電磁場(chǎng)分布情況，如圖3所示。由于電磁邊值問題的復(fù)雜性，很難用單個(gè)軟件獲取全部信息，通常需要結(jié)合幾個(gè)軟件包，即使如此，效果有時(shí)仍欠佳。

圖3 PCB電磁場(chǎng)分布圖

國(guó)內(nèi)開展電磁兼容預(yù)測(cè)分析較晚，商用電磁兼容預(yù)測(cè)分析軟件尚不成熟。上世紀(jì)90年代由北京航空航天大學(xué)開發(fā)出國(guó)內(nèi)首套電磁兼容應(yīng)用軟件BHEMCAP。該軟件主要應(yīng)用于飛機(jī)電磁兼容預(yù)測(cè)。陜西海泰電子有限責(zé)任公司于2007～2009年開發(fā)出應(yīng)用于各類武器平臺(tái)上無(wú)線電設(shè)備間電磁兼容性分析與評(píng)估系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測(cè)分析軟件(HTEMC9502)、電磁兼容數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(HTEMC-DBMS v1.1)及設(shè)備級(jí)EMC測(cè)試平臺(tái)軟件EMC-ATS。

近幾年已有研究人員對(duì)器件級(jí)電磁兼容預(yù)測(cè)仿真軟件做出嘗試。電子科技大學(xué)李小春(2008)從屏蔽外殼對(duì)不同場(chǎng)源屏蔽、走線之間串?dāng)_耦合、外電磁場(chǎng)等三方面對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理電路電磁敏感性建立數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型在Visual Studio2005開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)電磁干擾分析軟件，如圖4所示[21]。該軟件串?dāng)_模型在高頻時(shí)精度方面不夠理想，未能對(duì)整塊電路板進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，沒有考慮PCB上其它信號(hào)線對(duì)所分析信號(hào)線影響等。西安電子科技大學(xué)羅朋(2010)基于Mentor公司電磁兼容分析軟件開發(fā)一套電磁兼容分析及控制平臺(tái)，該軟件嵌入了改進(jìn)等效電路理論、多導(dǎo)體傳輸線理論、微波技術(shù)和電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算等算法，使其目的性更強(qiáng)，仿真過程更快速。由于該軟件更側(cè)重于電纜電線耦合問題，故無(wú)法整體預(yù)測(cè)評(píng)估PCB板電磁兼容性。

圖4 入射平面波對(duì)印制線的耦合模塊界面

4 結(jié)論

電磁兼容性研究作為一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，國(guó)外已開展了大量研究，頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)、歐盟、日本以及越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)將電子產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入認(rèn)證管理體系之中。我國(guó)于2002年正式將電磁兼容性納入電子產(chǎn)品認(rèn)證管理體系。作為獲取信息源頭的傳感器，其特性的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量?，F(xiàn)代測(cè)量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，開展對(duì)傳感器電磁兼容性研究已成為時(shí)代發(fā)展的必然要求。由于起步較晚，我國(guó)在傳感器電磁兼容性研究目前尚處于初級(jí)階段。為此建議：

(1) 加深對(duì)傳感器電磁兼容性研究重要性的認(rèn)識(shí)，加大投入力度，組織人力、物力開展對(duì)傳感器電磁兼容性研究；

(2) 加強(qiáng)對(duì)傳感器電磁兼容測(cè)試技術(shù)、測(cè)量方法研究，理論研究與測(cè)試手段、測(cè)試方法并重，推動(dòng)傳感器電磁兼容性研究工作進(jìn)程；

(3) 電磁兼容性設(shè)計(jì)理念貫穿傳感器及傳感器系統(tǒng)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，做到預(yù)先設(shè)計(jì)、預(yù)先評(píng)估分析以及預(yù)先檢驗(yàn)，不斷提高傳感器電磁兼容性性能。

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The Importance and Research Progress of EMC on the Sensor

Liu Guixiong Zhu Haibing Hong Xiaobin
(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology)

The demand of modern information technology for the stability, sensitivity, and accuracy of the sensor is increasing. Besides, the sensor faces electromagnetic compatibility issues in the increasingly complex electromagnetic environment. The characteristics of the sensor electromagnetic compatibility are discussed. Furthermore, the importance of the sensor electromagnetic compatibility is pointed out. The sensor electromagnetic compatibility progress both on domestic and abroad is introduced focusing on the three aspects: the sensor electromagnetic immunity technology, PCB EMC technology and the sensor electromagnetic compatibility prediction technology. Finally, some suggestions on the research of sensor electromagnetic compatibility are putted forward.

Sensors; Electromagnetic Compatibility; Electromagnetic Immunity; Prediction

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET—08—0212）項(xiàng)目廣東省高等學(xué)校高層次人才項(xiàng)目資助

14 *基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61074147）；廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（83510090010 00002）

劉桂雄，男，1968年生，華南理工大學(xué)教授，博導(dǎo)，主要從事現(xiàn)代傳感與檢測(cè)技術(shù)研究。

朱海兵，男，1986年生，華南理工大學(xué)碩士研究生，主要從事現(xiàn)代傳感與檢測(cè)技術(shù)研究。

洪曉斌，男，1979年生，華南理工大學(xué)副研究員、博士，主要從事現(xiàn)代傳感與檢測(cè)技術(shù)研究。