結(jié)構(gòu)強度試驗測控系統(tǒng)電磁兼容分析

文/米曉紅

1　概述

近幾十年來，電子科學(xué)技術(shù)方面取得巨大進步，為航空結(jié)構(gòu)強度試驗提供了強大的工具和手段。航空結(jié)構(gòu)強度試驗的規(guī)模也隨之發(fā)展的需求不斷擴大，整機試驗及部件試驗測量采集點和加載控制點常常多達上萬。各種大規(guī)模測控設(shè)備的投入以及計算機系統(tǒng)及各種有線無線通訊設(shè)備的大量使用，在試驗現(xiàn)場共同形成了極其復(fù)雜的電磁環(huán)境。因此對整個結(jié)構(gòu)強度試驗現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計布局提出了更高的要求。因此，為滿足試驗任務(wù)的需要開展結(jié)構(gòu)強度試驗測控系統(tǒng)電磁兼容（EMC）問題的分析研究就尤顯其重要性了。

2　電磁兼容

2.1　結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)中電磁兼容

電磁兼容（EMC），通常包含兩方面的內(nèi)容：一方面是設(shè)備和系統(tǒng)的抗干擾能力（EMS），是指設(shè)備或系統(tǒng)在保證功能正常性能符合設(shè)計要求的情況下對電磁干擾可以容忍的程度。另一方面是設(shè)備或系統(tǒng)對其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的能力（EMI），主要是指設(shè)備或系統(tǒng)在運行狀態(tài)下產(chǎn)生的電磁信號對周圍其他設(shè)備產(chǎn)生不利影響的程度。

在航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)中，大量高精度測量設(shè)備的使用，對系統(tǒng)EMS提出了更高的要求，整個系統(tǒng)的抗干擾水平在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性方面占據(jù)了重要的位置。雖然航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)中也使用了一些開關(guān)器件、通訊網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生干擾的設(shè)備，實際應(yīng)用之中其產(chǎn)生干擾的作用并不突出。由于電磁干擾傳輸?shù)耐緩酵ǔＪ强赡娴模跍y控系統(tǒng)設(shè)計和布置中提高抗干擾能力的大多數(shù)措施有效于降低系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾信號對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此本文重點探討測控系統(tǒng)的抗干擾問題。

表1：電纜分類

2.2　結(jié)構(gòu)強度試驗中電磁干擾的危害

在結(jié)構(gòu)強度試驗過程中，不同的電磁干擾造成的危害各不相同。雷擊可能會摧毀試驗設(shè)備；干擾信號進入測量系統(tǒng)前端與被測信號疊加會降低采集精度，嚴(yán)重時會使測量系統(tǒng)根本測不到有用信號；控制系統(tǒng)中浮動的地電位會使控制失靈、邏輯混亂；各種干擾可能使測控系統(tǒng)中各個部位中的CPU工作不穩(wěn)定導(dǎo)致復(fù)位、死機；試驗通訊網(wǎng)絡(luò)被干擾會導(dǎo)致通訊速度降低、傳送的數(shù)據(jù)和命令出錯等等。這些危害嚴(yán)重時會導(dǎo)致試驗件損壞造成重大損失。

3　電磁干擾信號的來源和傳輸方式

圖1：干擾的來源

3.1　干擾的分類

干擾的種類繁多，從來源方面區(qū)分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾又可分為自然干擾和人為干擾。如圖1所示。取決于信號的頻率和介質(zhì)特性以及干擾和被干擾設(shè)備的天線效應(yīng)。

通過路傳輸?shù)母蓴_：干擾源和被干擾設(shè)備之間存在電連接關(guān)系，干擾信號通過這種連接關(guān)系傳輸至被干擾設(shè)備產(chǎn)生干擾作用。這種電連接關(guān)系多數(shù)情況下是可以避免的，或者雖然連接關(guān)系不可避免但干擾的傳輸是能夠阻斷的。

結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)中，干擾形成過程中的傳輸方式可能不止一種，路徑也可能不止一條，這種多種傳輸方式加多種傳輸路徑共同反復(fù)交叉作用的結(jié)果使得抑制電磁干擾必須多種措施同時采用才能取得比較好的效果。

外部干擾是指干擾信號來自測控系統(tǒng)外部，和測控系統(tǒng)本身無關(guān)。

內(nèi)部干擾是指干擾信號來自測控系統(tǒng)內(nèi)部，是系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備、部件等相互之間的干擾。

自然干擾指干擾信號來自與自然界，大多為白噪聲，有些為不規(guī)律的脈沖狀，在時間上基本無規(guī)律。

人為干擾指干擾信號是人為產(chǎn)生的，信號來自于人工制造的各種設(shè)備，通常表現(xiàn)為一定的規(guī)律性，可能與方向有關(guān)，可能與位置有關(guān)，可能只存在于固定的某些頻率上，也許和某些設(shè)備的工作狀態(tài)有關(guān)等等。

區(qū)分干擾信號的來源是為了采取針對性的措施。但無論干擾的來源是自然還是人工，也無論是內(nèi)部還是外部，干擾信號由干擾源到被干擾設(shè)備的傳輸方式都是相同的。

3.2　干擾的傳輸方式及特點

干擾信號的傳輸實質(zhì)是能量的傳輸，電磁干擾通過場和路兩種路徑進行傳輸。前者稱作輻射，后者謂之傳導(dǎo)。

通過場傳輸?shù)母蓴_：干擾源由于自身的天線效應(yīng)把能量輻射到空間，空間交變電磁信號通過場的形式傳輸至被干擾設(shè)備，由被干擾設(shè)備的天線效應(yīng)偶合作用于設(shè)備，干擾設(shè)備和被干擾設(shè)備之間通過介質(zhì)進行能量傳輸。只有交變信號能夠通過這種方式傳輸，傳輸?shù)奶匦?/p>

4　預(yù)防電磁干擾的措施

電磁干擾一旦發(fā)生，問題排查非常復(fù)雜，解決起來十分困難。因此在測控系統(tǒng)建立時就采取措施預(yù)防電磁干擾問題的發(fā)生顯得比發(fā)生后再解決更經(jīng)濟、更有效。在航空結(jié)構(gòu)強度試驗的測控系統(tǒng)的設(shè)計中,抗干擾需要把各種技術(shù)手段結(jié)合起來使用，所有這些方法其目的都是基于抑制干擾源、屏蔽干擾源和被干擾設(shè)備阻斷干擾傳輸路徑、通過濾波消耗干擾信號能量等。

4.1　對試驗廠房接地基礎(chǔ)及電力電源的要求

試驗廠房的接地基礎(chǔ)是整個試驗系統(tǒng)抗電磁干擾的基礎(chǔ)，決定了整個系統(tǒng)的電磁兼容水平，良好的接地基礎(chǔ)為整個測控系統(tǒng)提供了零電位基準(zhǔn)，有利于試驗設(shè)備和試驗件靜電電荷的釋放，有利于減小系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備之間、系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間干擾信號通過地線相互偶合，同時在設(shè)備出現(xiàn)故障時也有利于保證設(shè)備安全和操作人員的人身安全。因此，試驗廠房要按國家有關(guān)要求安裝防雷擊設(shè)施，安全接地系統(tǒng)需滿足《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057-2010的要求。還要建立獨立的電磁兼容接地系統(tǒng)，為設(shè)備安裝布線提供良好的接地基礎(chǔ)。安全接地和電磁兼容接地要隔離成獨立的兩個接地系統(tǒng)，防止防雷接地不良使雷擊引入電磁兼容接地系統(tǒng)使雷擊發(fā)生時損壞試驗設(shè)備。綜合考慮EMC要求和結(jié)構(gòu)強度試驗設(shè)備現(xiàn)實，通常使用如圖2所示的TN-C-S接地系統(tǒng)。

圖2：TN-C-S接地系統(tǒng)

圖3：設(shè)備多點星型接地

電力供電系統(tǒng)常見的干擾表現(xiàn)有：

（1）電壓變化范圍過大；

（2）波形失真（或稱諧波Waveform Distortion）；

（3）突波（或稱電涌Power Surges）；

（4）尖波（或高壓尖脈沖Spikes）；

（5）瞬態(tài)過電壓（transient overvoltage）和暫態(tài)過電壓（temporary overvoltage）；

（6）電壓下陷/下降（SagsBrownouts）；

（7）三相電壓不平衡；

（8）雜訊干擾（或稱噪聲Noises）。

供電電源是電磁干擾信號的主要來源，且干擾信號的種類很多，把所有的治理措施全部采用顯然不是個經(jīng)濟的辦法。通常需要對供電電源進行一段時間的觀察和測量，然后根據(jù)主要的干擾形式選用以下方法中的若干使用：

（1）串聯(lián)電抗器；

（2）有源濾波補償；

（3）無源濾波補償；

（4）增加整流設(shè)備的相數(shù)；

（5）安裝各種突波吸收保護裝置等；

（6）電源穩(wěn)壓裝置。

無源濾波補償在實際應(yīng)用中采用的最多、效果較好、價格較為經(jīng)濟的解決方案，具體采用串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和低通濾波要根據(jù)電網(wǎng)干擾信號的強度和成分綜合考慮后決定。

4.2　測控系統(tǒng)對布線的抗干擾要求

在結(jié)構(gòu)強度試驗測控系統(tǒng)中的電纜種類繁多，為方便電磁兼容設(shè)計把電纜分為表1所示的幾類。

依照表1中電纜的分類，不同類型的電纜要遵循不同的布線原則，不同類型電纜之間在布線時有不同的約束。

（1）1類電纜產(chǎn)生的干擾最強烈，要盡量遠(yuǎn)離2、3類電纜。通常1類電纜要敷設(shè)在電纜溝內(nèi)，溝上要有金屬蓋板；產(chǎn)生干擾嚴(yán)重的電纜要單獨穿鋼管敷設(shè)，鋼管連接處要保證電連接可靠，鋼管兩端均須接屏蔽地。

（2）2類電纜產(chǎn)生的干擾成分最豐富，其本身也容易被其他干擾源干擾或互相干擾；這類電纜要使用帶有屏蔽層的電纜，電纜需要接續(xù)時要使用帶屏蔽的插接件進行連接，屏蔽層和插接件要可靠連接，電纜屏蔽層的兩端均接屏蔽地。必要時敷設(shè)在金屬屏蔽盒內(nèi)，屏蔽盒兩端接屏蔽地。在可能的情況下使用光纖通訊，在減少通訊線路電磁輻射的同時也提高了自身的抗干擾能力。

（3）3類電纜在結(jié)構(gòu)強度試驗中使用量大而且布置非常分散，這類電纜中的信號對電磁干擾最敏感，易受1、2類電纜內(nèi)的信號干擾，因此要盡量遠(yuǎn)離1、2類電纜。3類電纜必須采用高等級的屏蔽電纜，并且要盡量短，同時電纜屏蔽層的兩端要就近可靠接地，接地線也要盡可能的短。

（4）1、2、3類電纜要盡可能不要近距離平行敷設(shè)，需要交叉時應(yīng)采用90°角交叉。

4.3　設(shè)備接地布置的抗干擾要求

通過地線形成干擾的機理很復(fù)雜，接地不良形成傳導(dǎo)和輻射干擾均有可能。為達到較好的電磁兼容水平，結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)不同設(shè)備和部件的接地方法及接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均不同。

4.3.1設(shè)備接地

考慮到系統(tǒng)使用設(shè)備多且布置分散，設(shè)備使用多點星型接地。設(shè)備的PE、N不能混接。如圖3所示。

4.3.2屏蔽層接地

屏蔽接地的目的通常有靜電屏蔽、電場屏蔽、磁場屏蔽等，因此就有不同的接地方式。根據(jù)接地的目的不同可選擇不同的接地方式，通常有單點接地、兩點接地、多點接地等。但是只有實現(xiàn)全程屏蔽，才能實現(xiàn)在整個信號鏈路中沒有干擾可進入系統(tǒng)的地方，才能達到最好的屏蔽結(jié)果。

如圖4所示為電纜屏蔽層單端接地。

使用屏蔽層單端接地時，電纜接地的另一端對地之間可能會有感應(yīng)電壓存在，電纜越長感應(yīng)電壓越高，但屏蔽層不會和“大地”之間形成環(huán)流。這種接地方式有一定的天線效應(yīng)存在，適合電纜長度不是很長、試驗現(xiàn)場電磁輻射干擾強度較弱的試驗環(huán)境。

如圖5所示為電纜屏蔽層雙端接地。

使用屏蔽層雙端接地時，電纜屏蔽層的兩端不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但由于金屬屏蔽層和“大地”形成了環(huán)路，容易受干擾磁通影響產(chǎn)生屏蔽環(huán)流，如果在兩個接地點的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會對電纜中傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生抵消衰減效果。采用雙端接地幾乎沒有天線效應(yīng)，對阻斷輻射干擾十分有利。當(dāng)電纜特別長干擾特別嚴(yán)重時，也可以考慮使用整條電纜多點接地。

實際應(yīng)用中，試驗現(xiàn)場信號采集和控制點位置千差萬別，接地的處理方式要根據(jù)具體的現(xiàn)場情況來分析和選用。

圖4：電纜單端接地

圖5：電纜雙端接地

4.4　電磁兼容維護

對于每一個具有一定年限的工業(yè)廠房，其初始的設(shè)計安裝都會發(fā)生一定變化，當(dāng)采用了新技術(shù)、更換了電力設(shè)備、升級了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、更新了控制系統(tǒng)設(shè)備、發(fā)生故障后進行了修復(fù)、連接器損壞松動等，都可能使電磁兼容性發(fā)生變化。定期按照最初的設(shè)計要求進行電磁兼容維護對保證電磁兼容措施的可靠落實是十分必要的。主要有以下三方面的工作：

（1）電磁兼容記錄：描述一年中系統(tǒng)使用狀況，如電源質(zhì)量、電磁場強度、電氣連接性能、浪涌、設(shè)備故障等。

（2）電磁兼容指南：描述系統(tǒng)采取的電磁兼容技術(shù)、方法、措施及要求等。

（3）定期檢查電磁兼容措施是否完好可靠。

5　結(jié)束語

電磁兼容問題十分復(fù)雜，需要技術(shù)人員具有較強的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗，我們只有不斷地學(xué)習(xí)和總結(jié)，才能夠正確分析結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)的電磁兼容性問題，進而掌握降低電磁干擾的有效途徑，使結(jié)構(gòu)強度試驗更加穩(wěn)定、可靠。