甚低頻強電磁環(huán)境下機載監(jiān)控設備傳感器應用分析?

毛姍姍

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

甚低頻強電磁環(huán)境下機載監(jiān)控設備傳感器應用分析?

毛姍姍

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

在甚低頻強電磁干擾環(huán)境下，機載監(jiān)控設備傳感器的電磁兼容設計受到多方面的影響。文章從風險、環(huán)境因素等方面對檢測傳感器的選型進行了應用分析，并從傳感器的使用策略和適用性角度進行考慮，對器件類型進行了擇優(yōu)選擇。文章重點介紹了光纖光柵傳感器的工作原理，并結合機載監(jiān)控設備對檢測元器件的應用需求，提出相對應傳感器的外部構造形式。

甚低頻；機載監(jiān)控設備；電磁兼容；光纖光柵傳感器

1 引言

在甚低頻通信領域，由于甚低頻設備具備發(fā)射功率容量大，電磁輻射能量強的特點，使得設備外圍近場區(qū)處于特殊的強電磁環(huán)境中。處于這樣特殊環(huán)境下的機載設備，所面臨的電磁兼容性設計更為復雜。其中，為了確保通信系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運行，需要機載監(jiān)控設備對各執(zhí)行機構的功能指標與工作狀態(tài)進行實時檢測。因此，在實際工程設計中，應首先根據(jù)機載監(jiān)控設備的應用需求，對所需要的檢測傳感器的選型應用進行分析與研究，使之能夠適應甚低頻輻射場下的強電磁環(huán)境。

2 傳感器應用現(xiàn)狀與分析

目前，適用于常規(guī)環(huán)境下的機載監(jiān)控設備，其特性并不足以滿足甚低頻強電磁環(huán)境下的使用要求［12］。傳感器件作為機載監(jiān)控設備的重要組成部分，由于其工作方式的特殊性，能夠采取的抗電磁干擾措施有限，不足以完全消除惡劣環(huán)境對其產生的干擾。由于常規(guī)傳感器件較難以在機載甚低頻電磁環(huán)境下進行實時工作，因此在進行檢測傳感器的選型設計時，應首先從應用環(huán)境等方面上對其進行分析。

2.1 風險分析

機載監(jiān)控設備很大程度上依賴于載機平臺，其工作運行條件受飛行環(huán)境制約，不可預見性風險極大。這種風險對于機載監(jiān)控設備而言主要表現(xiàn)在與執(zhí)行機構有著緊密聯(lián)系的傳感器件上，主要體現(xiàn)在三個方面。

1）甚低頻強電磁環(huán)境下，機載設備的電磁兼容性設計在國內仍屬于空白，與國外先進技術存在壁壘，缺乏適用于此環(huán)境下的檢測傳感器的應用案例［1］。國內民用領域類似的應用主要表現(xiàn)在高壓輸電、變電站等工作環(huán)境，這種工作環(huán)境下應用的器件類型與機載監(jiān)控設備需求大不相同。由于機載環(huán)境的復雜性，采用類似形式的傳感器件可能達不到令人滿意的效果。

2）通過單純的仿真設計不能提供足夠的電磁兼容性預測［13］。由于甚低頻電磁環(huán)境輻射分布的不規(guī)則性［11］，僅依靠仿真是不足以對實際可能發(fā)生的情況進行準確預計的。所以針對于該領域的研究需要邊試驗邊摸索，現(xiàn)階段也無法判斷傳感器件采取一定條件的屏蔽濾波措施后，能夠將甚低頻環(huán)境下的強電磁干擾衰減到何種程度。

3）強電磁干擾對傳感器的毀傷作用無法評估。目前市場上的傳感器件只適合常規(guī)環(huán)境下的抗電磁干擾設計，防護等級低。它們長期處于甚低頻強電磁環(huán)境中，對于傳感器的效能的影響尚未可知，可能會有熱損耗和損毀這樣的極端情況的發(fā)生。

2.2 環(huán)境制約因素

處于甚低頻強電磁環(huán)境下的機載監(jiān)控設備，它所選用的檢測傳感器除了體積、重量受到機載環(huán)境的嚴格限制外［6］，其應用還受到許多外界環(huán)境因素的制約，主要體現(xiàn)在惡劣環(huán)境、材料材質、屏蔽接地三個方面。

1）惡劣環(huán)境

處于甚低頻強電磁干擾中的機載設備，一般是采用金屬外殼接地屏蔽的電磁兼容設計方法。雖然為了實現(xiàn)電氣隔離，將機載設備放置在完全的屏蔽殼體中，能夠杜絕強電磁干擾對設備造成的影響。但是直接布置于屏蔽殼體外的各類檢測元器件，仍然需要耐受此類惡劣環(huán)境。

2）材料材質

由于所處環(huán)境的復雜性，大功率通信組件和機體地之間容易產生電容耦合現(xiàn)狀，這可能會造成附近空氣被局部電離，并產生放電現(xiàn)象。這種放電現(xiàn)象容易造成附近的金屬器件產生電擊穿現(xiàn)象，使得器件本身受到損害。因此在進行檢測傳感器的選型時，需要對其材料材質進行特殊考慮，它的外殼封裝宜具備非金屬材料性質。

3）屏蔽接地

與地面設備的接地方式不同，在載機上并不能實現(xiàn)與大地連接同屬性的零電位，所謂的“機體地”實際上只是同電位。因而對機載監(jiān)控設備而言，采取屏蔽接地措施只能將干擾大大減輕，并不能完全消除干擾。所以在對檢測傳感器件進行抗電磁干擾設計時，需要重新評估“機體地”對電磁兼容設計的影響，著重考慮其他措施。在載機環(huán)境下，傳感器件的布局受到空間限制，為了不影響其檢測效果，許多抗電磁干擾措施的實施受到了制約。

2.3 強電磁干擾影響

在甚低頻通信所產生的輻射場中，處于同一平臺環(huán)境中的機載設備及其他系統(tǒng)會出現(xiàn)超過規(guī)定限度的電磁干擾，使設備的工作性能降低乃至設備自身損毀。其中，根據(jù)機載監(jiān)控設備的結構布局，與通信系統(tǒng)有著直接或者間接接觸的檢測傳感器受電磁干擾的影響最大。因為當具有高精度、高靈敏度的傳感器件接收到電磁能量后，會在線路中轉化為大電流，在高阻處也可轉化為高電壓，使得器件局部遭受到電擊穿，導致器件燒毀或者瞬間失效［10］。

基于上述考慮，在進行系統(tǒng)設計時，傳感器件的必須具備耐受環(huán)境應力的特性。在常規(guī)環(huán)境中，可以采取在線路上搭接濾波器和啟用屏蔽罩，或者加大空間距離等方法來抵消電磁感應產生的干擾。但是由于在機載環(huán)境中，檢測傳感器與發(fā)信設備之間距離很短，且甚低頻通信發(fā)射功率強大，造成輻射能量很強，采取現(xiàn)有的屏蔽濾波措施不一定能夠使這種強電磁干擾衰減到令人滿意的效果。而且現(xiàn)階段對于機載甚低頻段傳感元器件的電磁兼容性設計經驗相對匱乏，對可能發(fā)生的電磁兼容性問題無法得到有效的評估。

3 傳感器選型分析

機載監(jiān)控設備所處的環(huán)境特性決定了傳感器的工作原理和結構形式，因此在進行選型分析時，應首先從傳感器的使用策略和類型兩個方面來考慮［5］。

3.1 時間分隔策略的不足

為了間接提高各系統(tǒng)間的電磁兼容性能，使得機載設備能夠在甚低頻通信所產生的電磁環(huán)境中按照系統(tǒng)的設定期望正常運行，可以采取諸如合理布線、空間方位分離、時間閉鎖分離、頻率劃分與回避、旁路等策略來輔助實現(xiàn)［7］。而對于機載監(jiān)控設備而言，由于甚低頻通信所造成的電磁干擾非常強且不易回避，故為了抑制干擾的傳播宜采用時間分隔的策略形式。

時間分隔策略是指當強干擾信號發(fā)射時，使易受干擾的敏感設備短時間內關閉以避免受到損害。而在甚低頻強電磁干擾環(huán)境下，即使監(jiān)控設備不工作，直接或間接暴露于輻射場中的敏感元器件很大程度上會遭受毀傷。這是因為諸如電壓、電感、電磁等形式的傳感器件，其工作原理是將非電量的測量值轉化為電量的輸入信號值，它們是通過電纜將電信號傳遞給對應的指示儀表或者控制器的。這種機電式傳感器為了獲得精確的測量值，具有較高的靈敏度。當它們遭受外界電磁環(huán)境的干擾越惡劣時，所能感應出的電量越大，越容易受到沖擊破壞，而一旦超過允許范圍則會造成失效。在時間分隔策略下，常規(guī)機電式傳感器件仍然難以適應機載甚低頻強電磁環(huán)境。

3.2 傳感器適用性分析

機載監(jiān)控設備需對執(zhí)行機構執(zhí)行包括位移、速度、溫度、壓力、位置在內的物理量的實時測量［4］。由于常規(guī)傳感器在強電磁干擾環(huán)境下的應用極少，不能滿足機載設備實時監(jiān)測的設計要求。因此，為了保證傳感器件能夠長時穩(wěn)定工作在甚低頻通信環(huán)境，盡量避免電氣干擾對其產生的影響，應對實際應用中較為少見的非電量測量形式的新型傳感器進行分析，從而選出適合甚低頻強電磁環(huán)境下工作的傳感器件類型。

1）無線傳感器

無線傳感器減少了復雜的走線，從而隔離了傳導干擾，提高了器件的抗毀傷能力。但是此類傳感器的傳輸信號途徑采用的是超短波或者微波的電臺傳輸形式，在甚低頻強電磁干擾環(huán)境中，無線傳輸端口的天線將會被燒毀。

2）紅外傳感器

紅外傳感器具有無接觸的特點，可應用于溫度參數(shù)的測量，也可作為位置接近傳感器，目前紅外搜索跟蹤傳感器已成功應用于航空領域目標識別方面。但是紅外傳感器的檢測效果受被測物體所產生的熱源的影響，而在執(zhí)行機構的有限空間內并不宜額外增加熱源產生裝置。

3）激光傳感器

激光傳感器可以作為位置接近傳感器，該類型傳感器主要應用有激光測距儀等等，且在超高壓輸電線路巡線機器人上也已成功應用。但是激光成套設備一般體積重量較大，且激光具有極強的方向性，造成激光傳感器的檢測覆蓋面積小，所以該類型傳感器的適用場合有限。

4）超聲波傳感器

超聲波傳感器可作為位置接近傳感器進行使用，主要應用為超聲波測距儀。但是超聲波在空氣中衰減程度大，且在機載環(huán)境下，需將超聲波傳感器布置于空氣流場中，因此機身表面產生的音障和多普勒效應會影響到器件的檢測效果。

5）光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器具備電絕緣、不受電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫高壓、精度高、穩(wěn)定性好的特點。它是將被測參數(shù)轉換為光信號傳輸，所以能夠在甚低頻強電磁干擾環(huán)境下進行實時檢測。目前這種類型的溫度傳感器已經在變電站、高壓輸電上成熟運用，應變傳感器也在橋梁健康檢測領域成熟應用［8］。

綜上所述，適用于甚低頻通信條件下的機載監(jiān)控設備用傳感器，應具有非電轉換并傳輸?shù)脑硇问?。符合此類原理形式的傳感器件即為光纖光柵傳感器，它是機載監(jiān)控設備所能采用的最為理想的傳感器類型［2］。光纖光柵傳感器是一種不受電磁干擾，并能實現(xiàn)實時監(jiān)測的器件，它能直接切斷干擾傳播途徑，從而有效減少大量實際效果有限的電磁兼容防護措施。

4 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器具備不受電磁干擾且不產生電磁干擾的優(yōu)良特性，它的成功運用能夠從根源上解決強電磁干擾帶來的電磁兼容問題。

4.1 工作原理

光纖光柵傳感器是一種利用光纖本身的敏感特性而制成的光纖傳感器。這種由玻璃纖維構成的新型器件，具有許多光纖具備的優(yōu)異性能：在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌粫艿诫姶鸥蓴_的影響，同時可以進行長距離傳輸而不受損耗［9］。光纖光柵是工程領域應用最廣泛，技術最成熟的光纖傳感器，目前在高壓超高壓輸電系統(tǒng)、變電站開關柜中均采用此類傳感器進行在線監(jiān)控。

圖1 光纖光柵傳感器原理圖

光纖光柵傳感器的工作原理如圖1所示，當寬帶光經過光纖光柵傳感器后，只有滿足反射條件的相應波長被反射，其余波段的光則透過光柵傳播，因此反射光譜只是帶寬很窄的一束光。通過測量反射光譜的光波長范圍，經過轉化即可得到被測量的測量參數(shù)。

4.2 構型設計

根據(jù)國內外具備競爭力的光纖光柵傳感器生產企業(yè)提供的產品資料，目前市場上可提供的成熟、成型光纖光柵傳感器包括應變計、溫度計、位移計等等，可滿足機載監(jiān)控設備對于壓力［3］、溫度、位移在內的物理量的測量。除此之外，為了實現(xiàn)對于執(zhí)行機構速度、位置參數(shù)的檢測，需要自行設計對之配套類型的光纖光柵傳感器，以便滿足機載監(jiān)控設備的設計需求。

圖2 光纖光柵微應變傳感器結構示意圖

光纖光柵微應變傳感器的結構示意圖如圖2所示，當圓柱形的壓頭受到自上而下的壓力后，產生了沿著壓力方向的位移，傳感器內部承載壓力的簡支梁會發(fā)生彎曲形變，使得粘貼在簡支梁底部的光纖光柵薄膜發(fā)生一定程度的拉伸，從而使經過光纖光柵的反射波的波長向著長波方向進行漂移。光纖光柵微應變傳感器可構成實現(xiàn)位置參數(shù)檢測的位置接近傳感器，并可利用該類型傳感器實現(xiàn)計數(shù)功能。

圖3 計數(shù)傳感器與位置接近傳感器

在鼓輪機構中，將光纖光柵微應變傳感器安裝在鼓輪軸承盒頂部，并在鼓輪外側安裝與之位置匹配的擋塊，從而構成計數(shù)傳感器。當鼓輪每轉動一周時，擋塊就會觸發(fā)傳感器的壓頭一次，如圖3所示。通過光纖光柵解調儀，可得到這種傳感器反射波長的周期性變化情況，通過累計波長變化的峰值時間間隔和次數(shù)，就可以得知鼓輪的轉動速度。這種通過應變來實現(xiàn)計數(shù)的光纖光柵傳感器是根據(jù)壓力信號峰值的出現(xiàn)次數(shù)來實現(xiàn)鼓輪軸的計數(shù)功能。

5 結語

本文根據(jù)機載監(jiān)控設備傳感器的應用需求，多角度分析了適用于甚低頻強電磁環(huán)境下的器件應具備的工作特性和類型特點；提出了在機載監(jiān)控設備上應用新型的光纖光柵傳感器，該類型器件的應用能夠從根源上解決強電磁干擾帶來的檢測傳感器的電磁兼容問題。最后從光纖光柵傳感器的工程應用角度著手，提出相應器件的外部構造形式并進行分析。

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Application and Analysis of Airborne Monitoring Equipment in VLF Strong Electromagnetic Environment

MAO Shanshan
（No.722 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430079）

In extremely low frequency and highly strong electromagnetic environments，the design of electromagnetic compatibility of airborne monitoring sensors is seriously affected by many factors.After analyzing the problem of sensor selection from the perspective of risks and environmental aspects，this paper selects the most suitable device type by taking using strategies and feasibility into account.Following this，the paper gives a detailed description of the principles of fiber grating sensor and proposes specific structure forms for each sensor according to the requirement of the airborne monitoring units to sensing devices.

VLF，airborne monitoring equipment，electromagnetic compatibility，fiber grating sensor

TN97

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.034

Class Number TN97

2017年5月14日，

2017年6月15日

毛姍姍，女，碩士，工程師，研究方向：艦船通信天線控制系統(tǒng)設計。