針對分析儀器輻射騷擾超標的整改實例

王欣媛　喻正寧　王圣金　張　濤　戴書俊

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州　310052)

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針對分析儀器輻射騷擾超標的整改實例

王欣媛喻正寧王圣金張濤戴書俊

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州310052)

摘要：通過對電磁輻射騷擾超標案例的分析，針對儀器在正常運行過程中產(chǎn)生的高壓、大電流信號而導致的輻射騷擾超標問題，提出了分析及解決輻射騷擾超標問題的方法。通過在特定位置加磁環(huán)、濾波器、金屬網(wǎng)、導電膠帶等整改措施，保證金屬連接的有效性,最終使儀器的輻射騷擾測試結果滿足標準要求。該分析對于低電壓電流輻射的超標整改也同樣具有指導意義。

關鍵詞：分析儀器輻射騷擾超標高壓大電流整改電磁干擾EMI測試騷擾信號濾波

0引言

近年來，隨著國家“十二五”期間發(fā)布的《儀器儀表行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，先進自動控制系統(tǒng)、大型精密測試設備、新型儀器儀表三大領域得到了大力發(fā)展。特別是儀器儀表行業(yè)中基于原子發(fā)射光譜原理[1-5]的直讀光譜儀，憑借其分析速度快、精度高的優(yōu)點，已成為金屬分析領域必備的精密分析儀器，為大型裝備制造、航空航天、鐵路、汽車、建筑等關系國計民生的領域，提供了裝備支持。

但隨之而來的問題是直讀光譜儀不同于普通低頻信號分析儀表，其利用高頻高壓引燃、脈沖大電流激發(fā)的原理對金屬樣品進行分析，在正常工作中產(chǎn)生的高壓最高可達13 000 V(持續(xù)時間5 μs)，大電流也可達200 A(持續(xù)時間20 μs)。

由此產(chǎn)生的電磁輻射騷擾已成為儀器在設計制造中需要克服的重大難題，也成為其在海外推廣中的最大瓶頸，嚴重削弱了國產(chǎn)儀器的海外競爭力。

本文主要針對此類分析儀器在測量分析過程中產(chǎn)生的高電壓、大電流而導致的輻射騷擾超標問題，進行實際案例的分析及整改解決，為此類問題提供了有效解決方案。

1 產(chǎn)品整改前的EMI測試

1.1試驗依據(jù)

根據(jù)EMI測試標準要求，本次輻射騷擾試驗參考標準《GB 9254-2008 信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》和《GB-T 18268-2010測量、控制和試驗室用的電設備電磁兼容性要求》，在標準的3 m法半波暗室中進行。

1.2試驗要求

A類分析儀器根據(jù)要求定位為“A級”儀器等級，騷擾限值詳見表1。

表1　A級類別輻射騷擾限值Tab.1　Limits of radiation disturbance (class A)

1.3試驗數(shù)據(jù)及結論

雖然本分析儀器為金屬質地外殼，但是由于屏蔽效果很差，各處泄漏較嚴重。第一次初測結果在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)高頻、低頻均超標，最高超標達25.53 dB，數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1　初始儀器輻射騷擾測試圖Fig.1　The initial test chart of radiation disturbance

2EMI輻射源定位和整改

輻射騷擾整改的一般步驟是首先通過簡單定位方法找到輻射超標點的輻射源，再采用相對應的輻射源抑制措施。初步定位方法如圖2所示。

圖2　騷擾定位初步判定方法示意圖Fig.2　Preliminary judging method of harassment positioning

電磁騷擾[6-10]不僅是由外部線纜引起的，由于內(nèi)部輻射騷擾較強，有相當一部分來自儀器的內(nèi)部，并透過外殼縫隙泄漏。

根據(jù)以上分析結果，整改措施主要分為以下3個方面：① 內(nèi)部騷擾信號的處理；② 金屬外殼機箱的屏蔽處理；③ 外部接連線的處理。

下面就針對以上方面加以詳細描述。

2.1內(nèi)部騷擾信號處理

2.1.1根源分析

由于本次試驗分析儀器為基于激發(fā)原理的光譜分析儀器，在儀器測試分析的過程中會產(chǎn)生較高的脈沖電壓及脈沖電流，所以產(chǎn)生及傳輸此信號的線纜是造成輻射騷擾全頻段超標的最大成因；另外儀器內(nèi)部各種電路板間的電源線、信號線等也會受脈沖電壓及脈沖電流信號線輻射，主動或被動地成為發(fā)射天線。所以，內(nèi)部騷擾信號的處理主要針對以下3類線纜：

① 產(chǎn)生及傳輸高脈沖電壓、高脈沖電流的信號線；② 儀器內(nèi)部電路板的電源線；③ 儀器內(nèi)部其他信號電纜線。

2.1.2采取措施

為了破壞產(chǎn)生輻射的條件——天線，主要有兩種方法：一是將電纜加屏蔽層并良好接地；二是在線纜兩端加磁環(huán)隔離騷擾信號的傳輸及輻射。本儀器采用第二種方法。

磁環(huán)的材質一般有3種，依據(jù)其磁導率由高到低的順序，分別是非晶材質、錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體。其主要工作原理為：在高速工作的器件處，通過增加電容和鐵氧體材料來抑制輻射騷擾。在輸入線上繞鐵氧體磁環(huán)是一個普遍有效的方法。如果是一類電器，要火、零、地三根線一起繞，典型的處理方式是：抑制60 MHz以內(nèi)的騷擾，可以把輸入線繞2～3圈；抑制超過60 MHz的騷擾，繞1～2圈。本試驗分析儀器在3類信號線的首尾均安裝了磁環(huán)。

2.1.3整改后EMI測試結果

經(jīng)過以上整改措施，測量儀器的輻射騷擾譜圖如圖3所示，可以看到在高頻段有了10 dB左右的明顯改善。

圖3　整改內(nèi)部騷擾信號后的測試圖Fig.3　The test chart after rectifying internal disturbance signal

2.2金屬外殼機箱的屏蔽處理

2.2.1根源分析

本分析儀器為試驗室大型分析儀器，由于考慮到產(chǎn)生高壓電源的散熱及儀器本身的測量調(diào)試，儀器外殼預留了可翻轉的分析臺及多處散熱孔、窗，其他部分殼體間的連接也僅靠螺釘固定，所以在試驗初期存在金屬部件搭接不良、接觸阻抗小等問題。外殼雖然為金屬質地，但沒有起到應有的屏蔽效果。

為了進一步確定輻射騷擾泄漏的位置，以采取相對應的整改措施，本試驗借助工具進一步進行診斷。細節(jié)診斷一般使用電磁場探頭和頻譜分析儀對設備外部及內(nèi)部的電磁輻射進行分析，以精確地找到電磁騷擾的根源。

2.2.2采取措施

將電磁場探頭通過信號放大器連到頻譜分析儀上，被測設備處于正常工作狀態(tài)，用探頭在儀器外殼有可能產(chǎn)生泄漏的位置探測，觀察頻譜儀，尋找輻射信號最強的部位；待確認該部位后，利用金屬網(wǎng)、導電膠帶、導電布等臨時屏蔽工具處理金屬外殼。如果經(jīng)過整改后該處電磁輻射降低較明顯，則可判定此處外殼泄漏嚴重，須通過進一步結構整改來解決電磁輻射超標問題。

根據(jù)此判定方法，找到了儀器幾處泄漏較嚴重的部分，并采用了以下方法整改金屬外殼，大大提高了金屬外殼的屏蔽性能。

①現(xiàn)象：儀器翻轉臺面外殼邊緣與箱體外殼之間的間隙過大，沒有有效連接。

措施：對翻轉臺面折邊稍寬部分加貼導電海綿條、翻轉臺面折邊較窄部分安裝金屬簧片，以增加臺面與箱體外殼的連接。

②現(xiàn)象：儀器后面板調(diào)試窗為了觀察方便采用玻璃視窗，沒有屏蔽處理。

措施：觀察窗通過安裝金屬網(wǎng)與儀器外殼連接，加強屏蔽效果。

③現(xiàn)象：機箱主體外殼與活動臺面外殼連接處整體噴漆，導致不能有效金屬連接。

措施：儀器外殼相互搭接處的金屬裸露部分不能噴漆，嚴格按照設計要求實施。

2.2.3整改后EMI測試結果

經(jīng)過以上整改措施，測量儀器的輻射騷擾譜圖如圖4所示，可以看到在高頻段已經(jīng)可以滿足測試要求，低頻段也有了明顯的改善。

圖4　整改金屬外殼后的測試圖Fig.4　The test chart after rectifying the metal shells

2.3外接連線的處理

2.3.1根源分析

由于本儀器內(nèi)部EMI輻射泄漏較嚴重，導致儀器的外部連線轉化為天線，向外輻射電磁能量。

2.3.2采取措施

本儀表外接連線主要有兩種，一種為電源線，一種為網(wǎng)絡通信線。本文主要針對這兩類線纜進行整改及優(yōu)化。

(1)電源線。

電源線主要依靠磁環(huán)和濾波器，阻斷輻射信號由儀器內(nèi)部向外傳播。

①磁環(huán)的安裝方式。

本試驗分析儀器在儀器電源線靠近儀器的末梢安裝了磁環(huán)。

②濾波器的安裝方式。

濾波器是指對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電器設備。這里要強調(diào)的是，濾波器的安裝一定要保證使濾波器的外殼與儀器機殼良好接觸并良好接地，這樣才能起到最好的抑制作用，而且最好安裝在磁環(huán)與儀器電路板之間。

③網(wǎng)絡通信線。

網(wǎng)絡通信線主要通過屏蔽來破壞天線效應。在使用網(wǎng)線來通信時，建議首先采用屏蔽網(wǎng)線，并保證在網(wǎng)線接口處的良好接地，才能真正實現(xiàn)屏蔽功能。如果儀器對網(wǎng)線數(shù)據(jù)傳輸要求不高，可采用加磁環(huán)方式，但這種方式有可能導致數(shù)據(jù)丟失，要視情況選用。本分析儀器由于對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸要求不高，故采用第二種方法。

2.3.3整改后EMI測試結果

經(jīng)過以上整改措施，測量儀器的輻射騷擾譜圖如圖5所示，可以看到在高頻段已經(jīng)可以滿足測試要求，低頻段也僅超出了5 dB左右。

圖5　整改外接連線后測試圖Fig.5　The test chart after rectifying the external connections

2.4綜合整改結果

經(jīng)過不斷的分析和整改測試，將以上整改措施都很好地施加到儀器上。經(jīng)過測試可以看到，分析儀器的輻射騷擾超標得到了很好的解決，無論是在高頻段還是低頻段，都已經(jīng)達標。綜合整改后測試圖如圖6所示。

圖6　綜合整改后測試圖Fig.6　The test chart after comprehensive rectification

3結束語

綜上所述，如果儀器的輻射騷擾測試沒有達到要求，應按診斷步驟分析原因，定位騷擾源，再采用相對應的騷擾源抑制措施。通過對電磁干擾問題的整改，可以有效改善產(chǎn)品的電磁兼容特性，提高產(chǎn)品競爭力，順利通過認證，實現(xiàn)海外銷售。

值得一提的是，在處理電磁輻射騷擾問題時，不論是從電路上還是外部構造上進行補救，事后的對策都不是根本的辦法，不僅費時費力，而且花費很大。只有在設計之初便考慮到電磁干擾問題，才能以較低的成本、較好的效果，達到電磁輻射騷擾測試要求。

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中圖分類號：TH89;TP202

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607025

Examples of Rectification for Excessive Radiation Disturbance of Analytical Instrument

Abstract：Through the analysis of the cases of excessive radiation disturbance of analytical instruments,especially for the excessive radiation disturbance caused by radiation source of high voltage high current signals in normal operation of the instruments,the methods for analyzing and solving the problems are provided.By putting in magnetic ring,filters,metal mesh,conductive tape at specific positions,and other providing rectification measures to ensure the effectiveness of metal connection,the test results of radiation disturbance of the instrument satisfy the requirement of standard.The analysis also possesses guiding significance to excessive radiation rectification of low voltage,current radiation.

Keywords:Analysis instrumentExceeded radiation disturbanceHigh voltage high currentRectificationElectromagnetic interference

修改稿收到日期：2015-06-02。

第一作者王欣媛(1982—)，女，2007年畢業(yè)于西安電子科技大學光電工程專業(yè)，獲碩士學位，工程師；主要從事儀器儀表可靠性的研究。