醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計中屏蔽方法研究

王曉東　李峰

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，越來越多的醫(yī)用電氣設(shè)備應(yīng)用于對患者的監(jiān)護和診斷治療中。本文主要研究了醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容設(shè)計中關(guān)于屏蔽的一些常用方法，文中詳細介紹了電場屏蔽，磁場屏蔽，電磁場屏蔽的原理以及解決屏蔽體孔縫問題的常用方法。通過研究希望能夠?qū)嶋H應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)和參考作用。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容 屏蔽 孔縫

【Abstract】With the rapid development of science and technology， more and more medical electrical equipment is applied to the monitoring and diagnosis of patients.This paper mainly studied the mommonly used shielding methed in electromagnetic compatibility design of medical electrical equipment. In this paper， the principle of electric field shielding， magnetic field shielding， electromagnetic shielding and the commonly used method to solve the problem of aperture were introduced in detail. By studying， the research result was expected to play a guiding and reference role in practical application.

【Key words】Electromagnetic Compatibility；Shield；Aperture；

1 引言

當(dāng)前各種電氣設(shè)備應(yīng)用于同一空間勢必就會引起電磁干擾的問題，一方面電氣設(shè)備本身會向外輻射各種電磁干擾信號，同時其也會遭受空間干擾信號的干擾。電磁兼容設(shè)計的目的就是消除或減弱設(shè)備本身的電磁干擾同時提高其抗干擾能力，保證良好的電磁兼容性。屏蔽，濾波和接地是電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計的三種基本技術(shù)，本文主要針對醫(yī)用設(shè)備電磁兼容設(shè)計中屏蔽方法進行研究。

2 屏蔽的分類

屏蔽通常意義是指利用屏蔽體阻斷或者減小空間電磁能量傳播的方法，是抑制電磁發(fā)射和防護電磁騷擾的重要手段。屏蔽技術(shù)根據(jù)其機理可以分為電場屏蔽，磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

2.1 電場屏蔽

電場屏蔽的實質(zhì)就是消除或抑制干擾源和被干擾電路或系統(tǒng)的電耦合，電場屏蔽又可以分為靜電場屏蔽和交變電場的屏蔽。

（1）靜電屏蔽。靜電場中處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體是一等位體，電荷均分布于導(dǎo)體表面，其內(nèi)部沒有靜電荷電場為零。所以若導(dǎo)體為空腔導(dǎo)體，則導(dǎo)體內(nèi)部腔體沒有電場，故可以起到隔絕外部靜電場的作用。若腔體內(nèi)部置有帶電體，靜電平衡時會在腔體內(nèi)表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，同時外表面也會有等量異號電荷，故而對外產(chǎn)生干擾。為了有效解決這一問題，可以將腔體外表面接地處理，使外表面電荷流入大地，從而消除其對外的影響。由此可見，實現(xiàn)靜電屏蔽的兩個主要條件：一是有完整的屏蔽體；二是屏蔽體接地良好。（2）交變電場屏蔽。在交變電場中導(dǎo)體之間的電場感應(yīng)主要是通過耦合電容產(chǎn)生的，要減小這種互相之間的干擾的前提就是減小耦合電容。

如圖1所示，假設(shè)A點為干擾源，B為被干擾對象，A和B的對地電位分別為UA和UB，則有：

式（1）中C1為A、B之間的分布電容；C2為被干擾對象的對地分布電容。所以由（1）式可見要想減弱被干擾對象B的電場感應(yīng)，一方面可以通過減小A、B間的分布電容C1實現(xiàn)，另一方面可以通過增大B的對地電容C2。如圖2所示，現(xiàn)在A、B之間插入屏蔽板，則A、B分別與屏蔽板之間形成新的分布電容C3和 C4，由于屏蔽板時接地的，所以此時電容C2 和C4是并列關(guān)系，C3對B不會產(chǎn)生影響，所以B點的感應(yīng)電壓為：

由式（1）和式（2）對比可見C2 與C4之和會遠大于C2，同時也小于C1，所以可得在B點的感應(yīng)電壓大大的減小了，達到了屏蔽的目的。

2.2 磁場屏蔽

磁場干擾對醫(yī)用電氣系統(tǒng)的影響是非常嚴(yán)重的，尤其對于電子顯微鏡，生物腦電波掃描儀，核磁共振成像系統(tǒng)等對磁場比較敏感的設(shè)備。磁場屏蔽的主要目的就是減弱恒定或者交變磁場與被干擾對象之間的磁耦合。實際工程應(yīng)用中主要通過兩種方式，一種是利用高導(dǎo)磁材料進行磁場屏蔽，一種是利用導(dǎo)電材料產(chǎn)生反向磁場來實現(xiàn)磁場屏蔽。

如圖3所示利用高導(dǎo)磁材料進行磁場屏蔽主要是利用了高導(dǎo)磁材料的低磁阻特性，將外部騷擾磁場進行分路，使被屏蔽體包圍的區(qū)域磁場大大減弱即H1H0，以此達到消除磁場干擾的目的。但是利用高導(dǎo)磁材料進行屏蔽在應(yīng)用過程中也有其局限性，一是超導(dǎo)材料的磁導(dǎo)率會隨著頻率的增加，磁導(dǎo)率會相應(yīng)的下降；二是導(dǎo)磁材料本身具有飽和性，當(dāng)外部磁場強度達到一定程度時，磁導(dǎo)率會下降；因此在應(yīng)用中一定要考慮實際工作頻率和外部騷擾磁場的強度。

當(dāng)外部騷擾磁場頻率較高時可以考慮采用導(dǎo)電材料作為屏蔽體。如圖4所示，在高頻磁場的作用下，導(dǎo)體表面會產(chǎn)生感應(yīng)渦流，尤其如銅鋁類的良導(dǎo)體，感應(yīng)渦流較大，而渦流產(chǎn)生的磁場正好外部磁場方向相反，可抵消外部磁場，所以能夠?qū)崿F(xiàn)屏蔽的效果。渦流因為集膚效應(yīng)只在導(dǎo)體表面流動，所以采用導(dǎo)電材料屏蔽時，不需要屏蔽體太厚，只需要很薄的一層金屬即可達到屏蔽的效果。

2.3 電磁場屏蔽

電磁場屏蔽顧名思義就是利用屏蔽體阻止電磁場的空間傳播，電磁波在穿越屏蔽體時會伴隨著反射和吸收，實現(xiàn)電磁波能量的衰減。

如圖5所示，當(dāng)電磁波傳播至屏蔽體時，由于空氣和屏蔽體的特性阻抗不同，所以電磁波在分界面會發(fā)生發(fā)射，致使進入屏蔽體的電磁波能量減弱，這種因為反射而造成入射電磁波能量衰減的情況即為反射衰減。反射衰減的大小主要取決于屏蔽體的特性阻抗和電磁波頻率，屏蔽體特性阻抗和空氣相差越大反射越大，電磁波頻率越低反射越強。當(dāng)然進入屏蔽體的電磁波在穿出屏蔽體時同樣要發(fā)生反射，而且此反射波會在空氣和屏蔽體界面發(fā)生多次反射。電磁波在傳輸過程中除了發(fā)生反射衰減外進入屏蔽體后會產(chǎn)生感應(yīng)渦流削弱了電磁場，進一步使電磁波能量得到衰減，這種能量衰減方式稱為吸收衰減。吸收衰減主要受電磁波頻率和屏蔽體厚度的影響，頻率越高，厚度越大，吸收衰減越大。

3 屏蔽體的設(shè)計

屏蔽體在實際中應(yīng)用比較廣泛，如屏蔽室、設(shè)備機箱外殼、屏蔽線纜等。不同的設(shè)備特點，不同的工作環(huán)境，對屏蔽的要求是不同的，但是設(shè)計的總體原則和處理技巧是統(tǒng)一的。

3.1 屏蔽的設(shè)計原則

（1）明確屏蔽保護對象。如果屏蔽對象為外部電磁騷擾，則需了解所處環(huán)境可能造成干擾的電磁強度以及敏感電路的承受能力；如果屏蔽對象對內(nèi)部電磁場，則需估計可能產(chǎn)生的電磁強度以及外部環(huán)境對電磁輻射的限值要求。如此即可確定屏蔽體所要達到的屏蔽效能。（2）選擇屏蔽方式。由前面所述的屏蔽原理可知針對電場，磁場，電磁場的屏蔽方法是不同的。電場屏蔽中屏蔽體只需是良導(dǎo)體即可，對屏蔽體厚度無要求。磁場屏蔽中，若在低頻情況下則屏蔽體需采用高導(dǎo)磁材料同時要滿足一定的厚度；若再高頻情況下則需采用一定厚度的良導(dǎo)體作為屏蔽體。電磁場屏蔽中屏蔽體需采用良導(dǎo)體，屏蔽體的厚度取決于電磁波的頻率和強度。（3）屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。實際應(yīng)用中的屏蔽體會根據(jù)設(shè)備不同的功能需要，在屏蔽體上必須有孔縫和電纜穿透等，并不是理想中的完整連續(xù)結(jié)構(gòu) ，所以需要采取一定的技術(shù)手段既保證設(shè)備功能的實現(xiàn)又不至于降低屏蔽體的屏蔽效果。

3.2 屏蔽設(shè)計中常用的處理方法

屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計中影響其完整性主要有兩方面：一是由于電纜線的出入引起的穿透；二是為了通風(fēng)、開箱以及窺視等留下的孔縫。電纜的穿透引起的屏蔽性能降低可以通過濾波方法解決，本文主要介紹對孔縫的常見處理方法。

（1）縫隙的存在造成屏蔽體在結(jié)構(gòu)上不連續(xù)不完整，勢必會引起輻射泄漏，是導(dǎo)致屏蔽體屏蔽效能下降的主要因素之一。實際應(yīng)用中通常會通過減小縫隙長度，增加縫隙的深度，在結(jié)合面使用電磁襯墊和增加緊固連接等手段解決縫隙問題。接縫處盡量采用連續(xù)焊接，如果實際情況不允許，也應(yīng)當(dāng)采用電焊、小間距鉚接或者螺釘連接，鉚釘間距應(yīng)小于最高工作頻率波長的1/20；若接縫不平整或者是可移動面板則需采用金屬絲網(wǎng)、導(dǎo)電布、導(dǎo)電橡膠等襯墊進行電磁密封處理。（2）醫(yī)用電氣設(shè)備的外殼很多都會有顯示窗，其中諸如發(fā)光二極管類的小顯示器件一般不會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁泄漏。但是對于尺寸較大的顯示窗就會引起明顯的電磁泄漏，通常通過兩種方法處理：一種是顯示窗采用導(dǎo)電玻璃，透明聚酯膜等透明屏蔽材料；另一種是如果顯示器本身不產(chǎn)生電磁輻射，則用隔離艙把內(nèi)部電路和顯示器隔離開，這樣既不影響視覺效果又能有較高的屏蔽效能。（3）如果設(shè)備發(fā)熱量較大就必須進行通風(fēng)處理，這就要求在需要通風(fēng)的部位設(shè)置通風(fēng)窗，但是這就破壞了屏蔽體的完整性。這種情況一般會采用防塵屏蔽通風(fēng)板進行電磁防護，如果EMC要求比較高也可采用截止波導(dǎo)通風(fēng)板。（4）設(shè)備外殼經(jīng)常會有操作桿或者控制軸，這也要求在外殼上開孔，這也會破壞屏蔽體的完整性。同樣可以在軸與外殼之間使用圓柱形截止波導(dǎo)管或者隔艙解決問題，同時要是控制軸為金屬器件則會成為潛在的電磁干擾的發(fā)射或接受天線，所以采用非金屬軸為宜。

4 結(jié)語

本文主要對醫(yī)用電器設(shè)備在電路設(shè)計中為防止電磁干擾而進行的屏蔽方式進行了系統(tǒng)的研究，文中系統(tǒng)的介紹了針對電場，磁場，電磁場的屏蔽原理以及常見的孔縫問題處理方法。文中研究內(nèi)容對電磁兼容設(shè)計中的屏蔽設(shè)計具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

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作者簡介：王曉東（1984—），男，陜西西安人，研究生，畢業(yè)于燕山大學(xué)信息學(xué)院，工程師，研究方向：醫(yī)療器械檢測。