提升風洞測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電磁兼容能力初步研究

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

在風洞中用天平測量模型所受氣動載荷的試驗稱為風洞測力試驗。風洞測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是完成測力試驗的重要系統(tǒng)組成，由天平、傳感器、放大器、數(shù)采設備等構成。在風洞試驗過程中，天平把力和力矩物理量，傳感器把壓力、溫度等物理量轉(zhuǎn)化成電信號，再由數(shù)采設備對經(jīng)過放大器的電信號進行實時采集，完成相關試驗參數(shù)的原始數(shù)據(jù)保存、計算處理和試驗數(shù)據(jù)的實時顯示。在試驗過程中，測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性、可靠性和抗外界干擾的能力是試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本保證。

隨著風洞試驗技術的不斷發(fā)展，越來越多的電氣驅(qū)動裝置應用于風洞試驗，對測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來了電磁干擾，直接影響了試驗數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，嚴重時導致試驗報廢。因此，提高測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電磁兼容能力成為保障試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量的關鍵之一。

電磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力[1]，簡言之，就是指電子、電氣設備共處一個環(huán)境中能互不干擾、兼容工作的能力。

本文以中心某主力風洞的測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為研究對象，開展了提高系統(tǒng)電磁兼容能力課題研究，并取得了一定成效。

1 測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概況

中心某主力風洞測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、天平、放大器、VXI數(shù)采設備、測量計算機和配套電源、線纜等組成。該數(shù)采系統(tǒng)具有以下特點：

1)系統(tǒng)精度高：放大器、數(shù)采設備精度均優(yōu)于0.05%；

2)天平、傳感器輸出信號為模擬直流電壓信號，且信號幅值低：壓力傳感器輸出為0～5 V直流電平信號，天平輸出為毫伏級直流電平信號；

3)系統(tǒng)設備設置分散：傳感器、天平分別設置在穩(wěn)定段、試驗段，放大器設置在試驗大廳，VXI數(shù)采設備、測量計算機設置在測控間；

4)信號線路傳輸距離遠：天平、傳感器到VXI數(shù)采設備之間的信號線纜長度超過10米。

由于風洞試驗現(xiàn)場電磁環(huán)境復雜，系統(tǒng)極易受到電磁干擾從而影響試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電磁兼容性分析

電磁兼容包括兩個方面的含義：一是電子設備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個部件和子系統(tǒng)、一個系統(tǒng)內(nèi)部的各臺設備乃至相鄰幾個系統(tǒng)，在它們自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境及在它們所處的外界電磁環(huán)境中，能按原設計要求正常運行。設備或系統(tǒng)均具有一定的電磁敏感度，電磁敏感度越高，設備或系統(tǒng)的電磁抗擾度越低，越容易受到電磁干擾。二是該設備或系統(tǒng)自己產(chǎn)生的電磁噪聲必須被限制在一定的電平，使由它所造成的電磁干擾不對它周圍的電磁環(huán)境造成嚴重的污染和影響其他設備或系統(tǒng)的正常運行。

從風洞運行實際看，測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是被干擾對象，因此測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電磁兼容研究主要目的是提高系統(tǒng)自身的抗電磁干擾能力。

2.1 電磁敏感度測試

在風洞測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，放大器和天平是其重要組成部分，由于設置在試驗現(xiàn)場大廳，直接處于惡劣的電磁環(huán)境中，因此放大器和天平的電磁敏感度直接反映了系統(tǒng)整體電磁敏感度。為此，課題組在陜西海泰電子有限公司電磁兼容實驗室對風洞所用的70 A放大器和47 A天平進行了電磁敏感度測試。

2.1.1 測試方案

電磁敏感度(EMS)測試根據(jù)耦合方式的不同分為傳導敏感度(Conducted Susceptibility，CS)測試和輻射敏感度(Radiated Susceptibility，RS)測試兩種。傳導敏感度是指當引起設備不希望有的響應或造成其性能降級時,對在電源、控制或信號引線上的干擾信號電流或電壓的度量。輻射敏感度是指對造成設備降級的輻射干擾場的度量。國軍標GJB 151A-1997(《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》)和GJB 152A-1997(《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》)[5]對電磁敏感度(EMS)測試的要求和測量方式進行了明確規(guī)定。按照軍標，電磁敏感度(EMS)測試包含12項測試內(nèi)容，其中傳導敏感度測試分為：CS101(25 Hz～50 kHz電源線傳導敏感度)、CS103(15 kHz～10 GHz天線端子互調(diào)傳導敏感度)、CS104(25 Hz～20 GHz天線端子無用信號抑制傳導敏感度)、CS105(25 Hz～20 GHz天線端子交調(diào)傳導敏感度)、CS106(電源線尖峰信號傳導敏感度)、CS109(50 Hz～100 kHz殼體電流傳導敏感度)、CS114(10 kHz～400 MHz殼體電流傳導敏感度)、CS115(電纜束注入脈沖激勵電流傳導敏感度)和CS116(10 kHz～100 MHz電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度)9項，輻射敏感度測試分為：RS101(25 Hz～100 kHz磁場輻射敏感度)、RS103(10 kHz～40 GHz電場輻射敏感度)和RS105(瞬變電磁場輻射敏感度)3項。

根據(jù)放大器和天平在風洞試驗中的用途和實際使用工況，結合軍標規(guī)定的敏感度測試項，最終確定主要進行四個測試項，分別是RS101(25 Hz～100 kHz 磁場輻射敏感度)、RS103(10 kHz～40 GHz 電場輻射敏感度)、CS101(25 Hz～50 kHz 電源線傳導敏感度)和CS106(電源線尖峰信號傳導敏感度)測試。

測試過程是在確認數(shù)采系統(tǒng)正常工作條件下，由海泰電磁兼容實驗室參照《GJB 152A-1997軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》中相關測試項方法對數(shù)采系統(tǒng)施加干擾，當數(shù)采系統(tǒng)讀數(shù)發(fā)生跳變時，記錄相關測試參數(shù)?？紤]到放大器與天平屬于敏感設備，為保護其在測試過程中不受到損毀，故測試過程中施加的干擾幅值有時會小于標準規(guī)定值。

2.1.2 受測試設備

受測設備為風洞用太平洋70 A放大器以及47 A天平。配置筆記本、HTLX4387B多功能數(shù)據(jù)采集儀和DH1718D-4 雙路跟蹤直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源組成了一個完整的被測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示，其中天平、放大器、信號線纜及供電電源線纜組成被測試件(Equipment Under Test, EUT)。

圖1 被測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

測試過程中，放大器放大倍數(shù)為200倍，選用1Hz進行濾波，數(shù)據(jù)處理時，每個通道讀數(shù)除以200倍。天平由鋁制保護罩保護，尾部導線長約3米，共24根。所有導線采用熱縮管包裹，熱縮管外部無屏蔽層，導線尾部連接19芯標準插件。從19芯標準插件至放大器的6組通道線均為屏蔽雙絞線，放大器輸出至HTLX4387B多功能數(shù)據(jù)采集儀信號線也采用屏蔽雙絞線。圖2為EUT線纜連接示意圖。

圖2 EUT線纜連接示意圖

2.1.3 測試結果

電磁敏感度測試結果如下：

1)放大器與天平對由電源線耦合進的傳導型干擾敏感度較高。在所進行的傳導敏感度測試項目中，放大器與天平均出現(xiàn)了不同程度的敏感現(xiàn)象。

2)放大器和天平對于25 Hz～100 kHz 磁場輻射敏感度較低。

3)放大器和天平對于10 kHz～40 GHz 電場輻射敏感度值約為2 V/m。

2.2 現(xiàn)場電磁環(huán)境測試

電磁干擾有3個要素，即：騷擾源、傳輸途徑及敏感設備[2]。構成一個電磁干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生必需同時具備上述3個要素。從對干擾發(fā)生的時機和現(xiàn)象分析，基本明確干擾源為現(xiàn)場的某伺服驅(qū)動裝置。因此，進行現(xiàn)場電磁環(huán)境測試的主要目的是明確干擾耦合進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸途徑。

2.2.1 測試方案

分別在以下3個工作狀態(tài)下，利用電流探頭、手持式天線和頻譜分析儀對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)附近電磁干擾和其供電電源線纜傳導干擾情況進行測試。

工作狀態(tài)1：斷開伺服驅(qū)動裝置電源，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行。在此工況下進行傳導測試與輻射測試，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集并記錄60s時長的天平、壓力傳感器數(shù)據(jù)；

工作狀態(tài)2：僅給伺服驅(qū)動裝置上電，但未使能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行。在此工況下進行傳導測試與輻射測試，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集并記錄60 s時長的天平、壓力傳感器數(shù)據(jù)；

工作狀態(tài)3：伺服驅(qū)動裝置使能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行。在此工況下進行傳導測試與輻射測試，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集并記錄60 s時長的天平、壓力傳感器數(shù)據(jù)。

2.2.2 測試結果

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)附近的伺服驅(qū)動裝置是干擾源，其在上電使能狀態(tài)下對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。

2.電磁干擾主要以傳導方式通過電源線、信號線耦合進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.放大器柜、天平機柜處電場強度遠低于2 V/m。

3 改進措施及效果

要解決電磁兼容性問題，就得針對電磁干擾3個要素進行處理，即抑制騷擾源、切斷傳輸途徑或提高敏感設備抗擾能力[8]。根據(jù)測試結果，課題組著重從傳輸途徑進行改進[6]。

電磁干擾的傳輸途徑有兩條，即通過導線傳導和通過空間輻射[1,3]。導線傳導,是指電磁干擾通過信號線、地線、電源線等各種線路傳入系統(tǒng)。本文中涉及的測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由導線傳導進入的干擾主要包含供電電網(wǎng)噪聲干擾、大功率電器設備產(chǎn)生的高次諧波等。空間輻射傳導,是指電磁干擾通過空間感應進入系統(tǒng)，包括磁場輻射干擾、電場輻射干擾等輻射干擾。本文中涉及的測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由空間輻射傳導進入的干擾主要是大功率電器設備運行時產(chǎn)生的電場、磁場輻射等。

3.1 采取的改進措施

根據(jù)對電磁干擾傳輸途徑和設備電磁敏感度的分析及測試結果，對數(shù)采系統(tǒng)采取了以下改進措施。

3.1.1 提高系統(tǒng)電能質(zhì)量

消除或減弱通過電源線路傳導到系統(tǒng)電源的噪聲，在系統(tǒng)供電電源接入端配置超級隔離變壓器，其結構示意圖如圖3所示。

從圖中可以看出，超級隔離變壓器的初級和次級繞組分別安裝在各自的法拉弟屏蔽盒內(nèi)，屏蔽盒既不能短路又要有良好的接地。另外，在超級隔離變壓器初級與次級線圈之間又插進“磁場屏蔽板”，專門用來隔離初級與次級線圈之間的泄漏電感，以防止泄漏電感將初級這一側的干擾感應至次級這一側。因此，超級隔離變壓器可以實現(xiàn)設備間的電氣隔離，消除電源傳導而來的噪聲，同時還兼有抗共模和差模干擾的能力[3]。系統(tǒng)供電按照超級隔離變壓器、UPS和交流穩(wěn)壓器的順序接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3 超級隔離變壓器結構示意圖

3.1.2 改善系統(tǒng)接地

測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由70 A放大器和VXI數(shù)采設備組成，設備是通過電源地線方式接地，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)沒有獨立的測控接地裝置。而可靠接地是常用的抗干擾措施[1,4]：

1)制作測控系統(tǒng)接地裝置，并且確保接地電阻小于0.4 Ω；

2)系統(tǒng)各設備采用單點并聯(lián)接地方式；

3)改進超級隔離變壓器接地方式。單相超級隔離變壓器接線示意圖如圖4所示。

圖4 單相超級隔離變壓器接線示圖

風洞的低壓配電系統(tǒng)采用的是TN-C制式，即中性線與保護導體合一。TN-C 系統(tǒng)中用電設備外殼與中線N搭接，從而整個 供配用電系統(tǒng)中線多點重復接地[7,9]。因此這種接線方式導致隔離變壓器未起到隔離地環(huán)路的作用，輸入端的電源噪聲依然可以通過H4與X4之間的路徑傳導到隔離變壓器的輸出端。因此，在改善系統(tǒng)測控接地基礎上，課題組對超級隔離變壓器的接線方式進行了改進，如圖5所示。這樣就徹底隔斷了輸入端電源的噪聲傳導路徑，提高了進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電能品質(zhì)。

圖5 改進后的單相超級隔離變壓器接線示圖

3.1.3 安裝電源濾波器

電源濾波器是安插在電源和設備之間的一個專門用來抑制傳導電磁騷擾的器件。它的作用實際上是雙向性的，既能有效阻止外界的電磁干擾經(jīng)電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產(chǎn)生的電磁騷擾經(jīng)電源線進入電網(wǎng)，傳送到其它敏感設備。

針對實際情況，在放大器、天平直流穩(wěn)壓電源和數(shù)采設備供電入口處安裝了單相交流濾波器，抑制電磁干擾通過電源線竄入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

安裝電源濾波器時要特別注意：

1)應選用帶金屬外殼的濾波器。濾波器應盡量安裝在機柜進線入口處，不允許輸入電源線過長，避免該線輻射噪聲。

2)濾波器必須良好接地。對于金屬外殼的濾波器，不宜以單根導線接地，而要通過濾波器外殼與設備作大面積導電性連接方式接地，然后設備機箱再以粗而短的導線與大地連接。

3)濾波器的輸入與輸出線要最大限度的相互隔離，不能靠近和平行走線，更不能捆扎在一起。

3.1.4 改進天平信號線纜接線方式

天平信號是毫伏量級的微弱信號，本身極易受到電磁干擾。圖6為原天平接線示意圖。原天平信號線為24芯單屏蔽電纜，長度較長(約10米)，其中70%的線路布置在現(xiàn)場。在天平信號進入放大器之前，天平信號線分別經(jīng)過天平柜內(nèi)兩次轉(zhuǎn)接以及放大器柜一次轉(zhuǎn)接。

圖6 風洞天平輸出線路接線示意圖

從電磁兼容角度看，天平信號進入放大器的信號傳輸路徑上存在如下問題：

1)信號傳輸線路轉(zhuǎn)接點多。由于天平信號為毫伏級的微弱模擬信號，對信號線路的可靠性要求很高。而實際上整個信號傳輸線路存在3處轉(zhuǎn)接，大大降低了信號傳輸?shù)目煽啃?，為電磁干擾進入信號傳輸線路提供了可能。

2)信號線屏蔽層不完整。由電磁屏蔽原理可知，屏蔽線要達到較好的電磁屏蔽效果，必須保證屏蔽層的完整性。實際上，天平線在進入天平柜轉(zhuǎn)接后，由于未處理好航空插頭之間的屏蔽連接，破壞了整個信號線路屏蔽層的完整性。

3)未采用合適的線纜作為天平信號線。由于有70%長度的天平線布置在試驗大廳中，而其中一臺大功率伺服電機就安裝在天平柜上方2米處。而現(xiàn)場采用多芯單屏蔽線作為天平線，其抗電磁干擾的能力并不滿足實際工況需求。因此，雖然現(xiàn)場電場強度遠低于2 V/m，但伺服電機產(chǎn)生得電磁輻射依然不可避免的會通過屏蔽缺損處耦合至天平線纜，從而對天平信號產(chǎn)生干擾。

針對以上幾點不足，課題組遵循電磁兼容原則，綜合應用接地、屏蔽原理，采取了以下措施改進了天平接線方式，圖7為改進后天平接線示意圖：

圖7 改進后的天平輸出線路接線示意圖

1)采用多芯屏蔽雙絞線作為天平信號線。雙絞線是進行磁場屏蔽的重要手段，既可以用在主動磁場屏蔽，又可用在被動磁場屏蔽。而且增加雙絞線單位長度的絞合能提高絞合線的自屏蔽效能。此外，雙絞線外的金屬屏蔽層既有電磁屏蔽作用又可實現(xiàn)電場屏蔽。

2)減少天平信號傳輸中的轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)。改進后，天平信號從風洞洞內(nèi)19芯航空插頭直接經(jīng)由屏蔽雙絞線接入70A放大器，減少了中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，既保證了線路的可靠性，又確保了信號傳輸路徑屏蔽層的完整性，提高了電磁屏蔽效能。

3)規(guī)范屏蔽層接地方式。由于屬于低頻電路，因此采用單端接地，屏蔽電纜的屏蔽層也單端接地，如圖8所示。

圖8 屏蔽層接地方式

3.2 改進后效果

通過改進，風洞測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境工況下運行的穩(wěn)定性大幅提高。表1為在某大功率伺服驅(qū)動設備使能/未使能狀態(tài)下，對47 A天平放大200倍后進行150秒的連續(xù)采集數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)結果可以看出，天平各元在放大200倍后的最大波動量均小于1 mV。

表1 47 A天平信號放大200倍150秒連續(xù)采集數(shù)據(jù) mV

表2為在某大功率伺服驅(qū)動設備使能狀態(tài)和未使能狀態(tài)下對47A天平進行加載的結果。從表中可以看出加載誤差小于0.3%，滿足試驗要求。

表2 47A天平靜態(tài)加載數(shù)據(jù)

4 結束語

風洞測力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是保障風洞試驗取得高質(zhì)量試驗數(shù)據(jù)的關鍵設備。隨著風洞試驗技術的不斷進步，風洞現(xiàn)場的電磁設備越來越多，復雜的電磁環(huán)境對信號的準確測量帶來了嚴重挑戰(zhàn)。利用電磁兼容原理、方法，合理采用接地、屏蔽等措施，可以為提高風洞測控系統(tǒng)電磁兼容水平，改善風洞測量數(shù)據(jù)質(zhì)量打下堅實基礎。