激光功率計電磁兼容抗擾度研究

王權(quán)，李澍，蘇宗文，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

激光功率計電磁兼容抗擾度研究

王權(quán)，李澍，蘇宗文，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

目的 研究激光功率計在進(jìn)行電磁兼容抗擾度測試中的抗擾情況，以提高測試準(zhǔn)確性。方法分別對氦氖激光器和光學(xué)纖維喉鏡兩種醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行電磁兼容輻射抗擾度測試，使用兩種常用激光功率計進(jìn)行輸出光測量，觀察不同激光功率計在不同輸出條件下的功率檢測情況。結(jié)果 在相同環(huán)境條件下，不同激光功率計的輻射抗擾度差別較大。結(jié)論 在進(jìn)行電磁兼容抗擾度測試前，應(yīng)對激光功率計進(jìn)行輻射抗擾度測試，以避免檢測時因檢測設(shè)備本身受到電磁場的影響而引發(fā)的對實驗結(jié)果的誤判。

激光功率計；電磁兼容；抗擾度；氦氖激光器；光學(xué)纖維喉鏡

0 前言

隨著YY 0505-2012《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗》于2014年1月1日正式實施，醫(yī)用電氣設(shè)備全面進(jìn)入電磁兼容考量時代。在電磁兼容試驗醫(yī)用電氣設(shè)備抗擾度試驗中，需要考核設(shè)備在被施加干擾的情況下會發(fā)生什么樣的基本性能的變化。要確定一臺醫(yī)用電氣設(shè)備在電磁兼容測試中的基本性能，一般需結(jié)合設(shè)備的預(yù)期功能、設(shè)備預(yù)期在何種電磁環(huán)境下運行、風(fēng)險分析結(jié)果等來確定。進(jìn)而通過風(fēng)險分析，評估特定性能可能發(fā)生危害的風(fēng)險，而如果該性能的缺失或降級將導(dǎo)致不可接受的風(fēng)險，則該性能可以判定為基本性能。

在醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容抗擾度試驗中，對其基本性能進(jìn)行檢測時，需要對檢測設(shè)備也進(jìn)行試驗。YY 0505-2012指出，電磁抗擾度一共有7個項目，其中靜電放電、電快速脈沖群、浪涌、在電源供電輸入線上的電壓暫降、短時中斷和電壓變化、工頻磁場等[1]主要針對測試設(shè)備進(jìn)行試驗，對輔助檢測設(shè)備影響不大。但是射頻電磁場輻射需要在電波暗室中進(jìn)行，被測設(shè)備和輔助檢測設(shè)備均需放在電波暗室中共同承受電磁干擾，因此對于輔助檢測設(shè)備的抗干擾能力要求比較高，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性相當(dāng)重要。

在光學(xué)醫(yī)用電氣設(shè)備的檢測中，激光功率計是常用的測量設(shè)備，具有自動化程度高、測量精度高、重復(fù)性和線性好、響應(yīng)時間快等優(yōu)點[2]。激光功率計在電磁干擾的條件下是否能夠正常工作、在不同頻段騷擾下工作特性如何等問題就變得非常重要。但是此類設(shè)備的性能基本基于正常使用的條件下，其在電磁干擾條件下的抗擾度性能一般不會包含在產(chǎn)品的說明與介紹中，因此也無從知曉此類設(shè)備的抗擾能力。

鑒于此，本研究分別對氦氖激光器[3]和光學(xué)纖維喉鏡兩種醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行電磁兼容輻射抗擾度測試，使用兩種常用激光功率計進(jìn)行輸出光測量，觀察不同激光功率計在不同輸出條件下的功率檢測情況，旨在為提高醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容抗擾度測試的準(zhǔn)確性提供參考。

1 試驗條件和設(shè)備

光學(xué)醫(yī)用電氣設(shè)備主要用于診斷和測量，其定義屬于非生命支持設(shè)備，根據(jù)YY0505-2012對射頻電磁場輻射的要求，非生命支持設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)在80 MHz~2.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，在3 V/m的抗擾度電平上符合要求，由此激光功率計應(yīng)同時在此條件下保持穩(wěn)定。

1.1 試驗設(shè)備

采用兩種穩(wěn)定光源輸出光，光源1為氦氖激光器，標(biāo)稱輸出功率為3.0 mW；光源2為光學(xué)纖維喉鏡，標(biāo)稱輸出功率為2.0 mW。

輸出光測試設(shè)備也使用兩種常見激光功率計，功率計1的測量不確定度為：U=2％（k=2），功率計2的測量不確定度為U=5％（k=2），二者的檢測范圍均覆蓋以上光源的標(biāo)稱輸入功率范圍，測量不確定度均能滿足相應(yīng)要求。

1.2 試驗布局

將光源1和光源2分別放置在電波暗室中，轉(zhuǎn)臺中心距離發(fā)射天線3 m。分別將功率計1和功率計2放置于輸出光路上，對光源輸出功率進(jìn)行測量。具體試驗布置圖見圖1。

圖1 試驗布置示意圖

1.3 試驗條件

測試前將設(shè)備靜置在電波暗室中15 min，待設(shè)備穩(wěn)定后將測量所得的功率數(shù)值作為原始參考標(biāo)稱數(shù)據(jù)，并將暗室內(nèi)的背景光控制在0.1 mW以內(nèi)，以減少背景光的影響。然后用天線施加電磁干擾，具體參數(shù)設(shè)置為：電磁干擾場強：3 V/m；頻率范圍：80 MHz~2.5 GHz；干擾信號應(yīng)在規(guī)定的調(diào)制頻率上進(jìn)行80％的幅度調(diào)制；頻率步長不超過基頻的1％（下一個試驗頻率≤前一個試驗頻率的1.01倍），最小駐留時間應(yīng)≥1 s[4]。

2 檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 光源不輸出情況下功率計的抗擾情況

分別在光源沒有輸出的情況下，對兩個功率計在不施加任何電磁干擾以及施加上述電磁干擾的情況下進(jìn)行背景光讀數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在未施加干擾的情況下，兩個功率計表現(xiàn)一致：讀數(shù)都很低，非常穩(wěn)定，無明顯上下波動，平均功率分別為0.03和0.02 mW，這也說明測試環(huán)境背景光穩(wěn)定在較低水平。

而當(dāng)功率計在承受3 V/m的80 MHz~2.5 GHz范圍內(nèi)的干擾時，表現(xiàn)非常不同：功率計1的讀數(shù)與未施加干擾時基本沒有差異；而功率計2在受到干擾時，在80~200 MHz頻段內(nèi)的波動非常大，基本處于無法正常工作的狀態(tài)。具體結(jié)果見圖2。這說明不同功率計本身的抗擾度有非常大的差異，在進(jìn)行基本性能測量時，必須關(guān)注所選用的測量設(shè)備的性能。

圖2 激光功率計的功率曲線圖

2.2 對不同光源進(jìn)行測量情況下功率計的抗擾情況

分別在兩種光源有輸出的情況下，對兩個功率計在不施加任何電磁干擾以及施加上述電磁干擾的情況下進(jìn)行背景光讀數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在未施加干擾，運行時間20 min（與施加干擾工作時間相同）時，兩個功率計的表現(xiàn)一致：讀數(shù)穩(wěn)定，無明顯上下波動，光源1平均功率為3.04 mW，波動標(biāo)準(zhǔn)差為0.017；光源2平均功率為2.08 mW，波動標(biāo)準(zhǔn)差為0.009。這說明兩個光源長時間工作的穩(wěn)定性比較好，可以排除下一步干擾試驗中光源本身變化的影響。

而當(dāng)功率計在承受3 V/m的80 MHz~2.5 GHz范圍內(nèi)的干擾時，表現(xiàn)也非常不同：功率計1在兩種光源輸出情況下，讀數(shù)與未施加干擾時的差異都較小，最大波動度標(biāo)準(zhǔn)差為0.057。而功率計2在兩種光源輸出情況下受到干擾時，在80~200 MHz頻段內(nèi)的波動非常大，最大波動度標(biāo)準(zhǔn)差為2.004，變化極值為7.88 mW，這相對于標(biāo)稱輸出2.0 mW來說是無法接受的，如果按照一般功率變化不超過±20％的準(zhǔn)則，則可能把符合抗擾度要求的設(shè)備誤判為不符合。也就是說，功率計2基本處于無法正常工作的狀態(tài)。具體結(jié)構(gòu)見圖3。這說明使用不符合抗擾度要求的功率計對設(shè)備進(jìn)行測量時，會造成試驗結(jié)果錯誤。

圖3 激光功率計的測量功率曲線

3 結(jié)果與討論

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，不同激光功率計的輻射抗擾度差別較大，但這應(yīng)該不是一個個案，因此在醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容試驗中，為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)在試驗前對檢測設(shè)備進(jìn)行抗擾度摸底測試，以避免檢測時因檢測設(shè)備本身受到電磁場的影響而引發(fā)的對實驗結(jié)果的誤判[5]。

在本研究中，表現(xiàn)較差的功率計2只是在某一特定頻段內(nèi)所受干擾較大，并不是全頻段受擾，因此可能是這一頻段內(nèi)該功率計中接收信號的電路板與輻射產(chǎn)生的電磁波耦合而干擾到功率計的正確采樣[6]。從結(jié)構(gòu)上看，該激光功率計外殼是金屬的，但是主面板并不是金屬，而且整個設(shè)備縫隙較大，這都給電磁耦合干擾提供了條件。而功率計1在整個頻段內(nèi)基本不受干擾，抗擾能力很強，主要是整個設(shè)備的密封性能很好，設(shè)備抗干擾措施做得比較規(guī)范，能夠達(dá)到具有穩(wěn)定輸出的目的。因此，在對醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行測量的時候，可以考慮采用屏蔽技術(shù)對配合使用的檢測設(shè)備進(jìn)行金屬隔離，以控制電場、磁場和電磁波對檢測設(shè)備的感應(yīng)和輻射，比如將檢測設(shè)備或系統(tǒng)用屏蔽體包圍起來，防止受外界磁場的干擾。因為屏蔽體對來自外部或內(nèi)部的電磁場有著吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，從而達(dá)到減弱干擾的目的。例如當(dāng)干擾電磁場頻率較低時，吸收損耗較小，屏蔽作用以反射損耗為主，可采用高導(dǎo)磁材料做屏蔽層，使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)，防止向外擴散。當(dāng)干擾電磁場頻率較高時，吸收損耗隨頻率上升而增加，反射損耗隨頻率上升而下降，則宜采用導(dǎo)電良好的金屬材料做屏蔽層，利用高頻干擾電磁場，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，形成對外來電磁波的抵消作用[7-8]。

綜上所述，在對醫(yī)用電氣設(shè)備進(jìn)行電磁兼容抗擾度測試時，需要關(guān)注基本性能測試實驗設(shè)計的科學(xué)性和可行性，尤其需要對基本性能檢測設(shè)備的抗擾性能進(jìn)行驗證研究，以確保試驗的科學(xué)性和準(zhǔn)確性

[1]YY 0505-2012,醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗[S]．

[2]徐鋒,高光煌.激光功率計設(shè)計概述[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,1998, (5）：19-21．

[3]范品.小型氦氖激光器[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2001,(3）：43-44.

[4]GB 4824-2013,工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM）射頻設(shè)備 騷擾特性 限值和測量方法[S]．

[5]饒遠(yuǎn).醫(yī)用高風(fēng)險設(shè)備的電氣安全檢測及分析[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2014,29(7）：55-56.

[6]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社, 2004.

[7]馮曉國,張舸,湯洋.薄膜型金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽特性[J].光學(xué)精密工程,2015(3）：686-691．

[8]楊顯清.電磁場與電磁波[M].國防工業(yè)出版社,2003.

Research on EMC Anti-interference of Laser Power M eter

WANG Quan, LI Shu, SU Zongwen, REN Hai-ping
Institute for M edical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Objective To make a research on the anti-interference situation of laser power meter during EMC anti-interference test so as to improve the testing accuracy. Methods Two kinds of commonly-used laser power meters were used to measure the output light in the EMC anti-interference test respectively for He-Ne laser and optical fi ber laryngoscope. The power inspection situation of different laser power meter was observed in variant output conditions. Results Radiated anti-interference of different laser power meter differed quite a lot under the same environmental conditions. Conclusion The radiated anti-interference test on laser power meter should be made before the entire test in order to reduce m isjudgment of experiment result caused by the effect of electromagnetic fi eld on the test equipment.

anti-interference laser power meter；electromagnetic compatibility；anti-interference degree；He-Ne laser；optical fi ber laryngoscope

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.008

1674-1633(2015）09-0031-03

2015-05-21

作者郵箱：guangjidian@nifdc.org.cn