如何利用場(chǎng)地校準(zhǔn)減少軌道交通車輛現(xiàn)場(chǎng)EMI測(cè)試的誤差

陳寧　邢亮

內(nèi)容提要：本文以大型工業(yè)設(shè)備中最有代表性的軌道交通設(shè)備為例，探討了依據(jù)現(xiàn)有國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開展的軌道交通列車和整車的原有射頻電磁騷擾在空曠地域開展測(cè)試的方法可否移植到車輛測(cè)試廠房?jī)?nèi)進(jìn)行。然后有針對(duì)性的對(duì)有軌電車采用室內(nèi)測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了分析，并提出了利用場(chǎng)地校準(zhǔn)的方法來(lái)彌補(bǔ)室內(nèi)測(cè)試方法會(huì)存在的不足。

關(guān)鍵詞：軌道交通 列車和整車 射頻電磁騷擾 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

0. 引言

所謂大型工業(yè)設(shè)備（軌道交通設(shè)備）的電磁兼容試驗(yàn)特殊性，一般來(lái)說(shuō)是由于其不方便進(jìn)入電波暗室的尺寸造成的，但是實(shí)際上很多A類（參照GB 4824-2019第5.3條定義）醫(yī)療電氣設(shè)備其功能特殊性（如需引入和輸出純凈水或特殊高壓氣體）也是其不能進(jìn)入開闊場(chǎng)完成電磁輻射騷擾檢測(cè)的重要原因之一。如果將軌道交通設(shè)備布置到位后的整個(gè)系統(tǒng)視作被測(cè)物，要具備如此大的實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容實(shí)驗(yàn)，需要投入的成本將十分高昂。

儀器校準(zhǔn)的目的本來(lái)是想透過(guò)調(diào)整來(lái)消除被校準(zhǔn)的檢測(cè)裝置在準(zhǔn)確度方面的任何偏差。被用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的儀器一般是被送至標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行逐個(gè)校準(zhǔn)，一般情況下各自誤差都會(huì)在允許范圍之內(nèi)，但是在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)將其整合之后所搭建的測(cè)試系統(tǒng)的誤差是否就是簡(jiǎn)單地一個(gè)“合”的概念呢？再加上，離開了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境后，外界帶來(lái)的測(cè)量結(jié)果不確定度究竟怎么評(píng)？又是一個(gè)對(duì)測(cè)試結(jié)果質(zhì)量有追求的檢測(cè)機(jī)構(gòu)最頭疼的問(wèn)題。

針對(duì)上述情況，本文論述了一種對(duì)輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境進(jìn)行實(shí)地校準(zhǔn)的方法，采用了直接縮短溯源鏈和替代發(fā)射信號(hào)的方法，來(lái)達(dá)到減少不確定度評(píng)定過(guò)程中需要引入的量，并把由測(cè)試環(huán)境造成的電磁波干涉和衍射誤差也一并修正的目的，最終將現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果的主要誤差修正到只與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器這一獨(dú)立儀器相關(guān)。

1.對(duì)測(cè)試儀器開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的目標(biāo)

如引言中提到的，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果總是有些不討喜的地方，但是開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試又不能避免。依照我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情，大型工業(yè)設(shè)備（軌道交通設(shè)備）都會(huì)被部署在城市居民、商業(yè)和工業(yè)集中區(qū)域，而這些大型工業(yè)設(shè)備，特別是軌道交通設(shè)備還會(huì)密集穿行在城市的人員活動(dòng)密集區(qū)域。該區(qū)域不用于城市郊區(qū)，所謂無(wú)線電干擾背景除了調(diào)頻廣播和移動(dòng)電話通訊以外，還有來(lái)自短距離無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、安防對(duì)講機(jī)、出租車通訊電臺(tái)、中遠(yuǎn)距離無(wú)線遙控設(shè)備和無(wú)法避免的非法干擾源。

國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)雖然在CISPR 11對(duì)工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（ISM）設(shè)備指出了如何在非標(biāo)場(chǎng)地進(jìn)行，其對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB 4824中也同樣給出了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法和限值等信息，實(shí)際用于對(duì)軌道交通電氣設(shè)備電磁兼容項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)恰逢新發(fā)布的GB/T 24338.1-2018《軌道交通 電磁兼容 第1部分：總則》、GB/T 24338.2-2018《軌道交通 電磁兼容 第2部分：整個(gè)軌道系統(tǒng)對(duì)外界的發(fā)射》、GB/T 24338.3-2018《軌道交通 電磁兼容 第3-1部分：機(jī)車車輛 列車和整車》和GB/T 24338.4-2018《軌道交通 電磁兼容 第3-2部分：機(jī)車車輛 設(shè)備》正式實(shí)施，所以對(duì)大型工業(yè)設(shè)備中最有代表性的軌道交通設(shè)備給出了從部件到整車、從單體到系統(tǒng)的全面測(cè)試方案。上述標(biāo)準(zhǔn)介直接引用GB 4824作為基礎(chǔ)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試依據(jù)。但是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，即便是有了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，即便是忽略現(xiàn)場(chǎng)布置過(guò)程的繁雜和儀器搬運(yùn)的消耗，我們的檢測(cè)工程師們還是不喜歡所謂的“現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試”，因?yàn)槠浣Y(jié)果相較于電波暗室來(lái)說(shuō)會(huì)增加很多“可疑之處”。相較于電波暗室來(lái)說(shuō)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)法預(yù)見的背景干擾，不同于電波暗室有吸波材料來(lái)抑制無(wú)線電波反射的干涉和衍射，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線電測(cè)試環(huán)境可以說(shuō)是雜亂無(wú)章，正如圖1中所表示的，測(cè)量結(jié)果的不確定度來(lái)源太多造成了想使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量檢品的真實(shí)輻射發(fā)射值難上加難。

軌道交通設(shè)備電磁兼容檢測(cè)在我國(guó)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)已超過(guò)10年，但是真正全面鋪開執(zhí)行時(shí)間并不長(zhǎng)，隨著相關(guān)法規(guī)執(zhí)行力度的加強(qiáng)和相關(guān)企業(yè)對(duì)自身產(chǎn)品質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，針對(duì)軌道交通產(chǎn)品的電磁兼容檢測(cè)的嚴(yán)肅性和復(fù)雜性將驅(qū)使檢測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)誤差和測(cè)量不確定度更緊密的結(jié)合。

我們了解誤差來(lái)源之后，也就明白了為什么我們的測(cè)試設(shè)備或系統(tǒng)一定要在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)系統(tǒng)性的校準(zhǔn)。雖然EUT（被測(cè)物）自身的不確定性可以通過(guò)多次測(cè)量來(lái)找尋折中結(jié)果，但是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中的布置是不可能完全按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行的，至于測(cè)量設(shè)備和設(shè)施和試驗(yàn)場(chǎng)地的性能是息息相關(guān)的，最后環(huán)境帶來(lái)的影響，特別是現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境、溫濕度和空氣質(zhì)量也是造成無(wú)線電信號(hào)測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確的干擾來(lái)源。要解決這些問(wèn)題就要將我們的檢測(cè)系統(tǒng)放置在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，按照測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的布置、場(chǎng)地和環(huán)境來(lái)校準(zhǔn)以消除引入誤差。

2. 對(duì)測(cè)試儀器開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的技術(shù)方法

執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的必要性等到證明后，我們還需要一套簡(jiǎn)單、易行的方法，如果現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法僅停留在理論層面，不具備可操作性和實(shí)用性，是不會(huì)對(duì)檢測(cè)人員有幫助的。

造成無(wú)線電干擾試驗(yàn)結(jié)果在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)性誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：第一、在我們的測(cè)試頻率段之內(nèi)有較大干擾信號(hào)在持續(xù)發(fā)送，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線電環(huán)境背景不佳，造成測(cè)試結(jié)果真實(shí)性較低;第二、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可以造成無(wú)線電發(fā)射的金屬器件較多，且擺放無(wú)序，我們的測(cè)試結(jié)果被無(wú)線電及其反射波的干涉和衍射放大或減小了，造成測(cè)試結(jié)果誤差較大;第三、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量、溫濕度等自然環(huán)境波動(dòng)范圍較大，空氣中的固體和水分子等顆粒加大了無(wú)線電波的衰減，造成測(cè)試結(jié)果偏小于真值等。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)目的就是要提出會(huì)引起測(cè)量誤差的干擾。我們采取的方法其實(shí)很直觀，就是在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)利用一個(gè)只和最高基準(zhǔn)溯源的信號(hào)發(fā)生器，它的信號(hào)發(fā)射值一定要在最高計(jì)量單位進(jìn)行校準(zhǔn)，將其緊貼被測(cè)物外立面（被測(cè)物暫不通電工作），并在測(cè)試頻率段內(nèi)不間斷的發(fā)送穩(wěn)定的信號(hào)，假定這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)射值可以參考為基準(zhǔn)值，此時(shí)在測(cè)試距離上已完成布置的測(cè)試系統(tǒng)（圖2）所接收到的值和信號(hào)發(fā)生器的發(fā)射值之差就是在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)需要修正的誤差值。下面我們可以分別通過(guò)數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)程序兩種方法來(lái)直觀呈現(xiàn)：

2.1數(shù)學(xué)模式

——公式1

公式1中Fstar和Fend分別是測(cè)試的開始與終止頻率點(diǎn)，n+1為全部測(cè)試的頻率點(diǎn)數(shù)（此處按照1%步進(jìn)計(jì)算頻率點(diǎn)，且不存在第零點(diǎn)，取樣點(diǎn)不能少于測(cè)試頻率點(diǎn)），f（n）是信號(hào)發(fā)生器與國(guó)家基準(zhǔn)溯源后的發(fā)射值，ff（n）是信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)量得到的發(fā)射值，F(xiàn)為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)各對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果。實(shí)際情況中需要注意的是，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)物直接的距離一定要與信號(hào)發(fā)生器溯源時(shí)保持一致，也就是說(shuō)信號(hào)發(fā)生器如果在國(guó)家計(jì)量院溯源時(shí)的測(cè)試距離是3m、10m甚至30m，那么在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的過(guò)程中，我們的天線尖端也要和被測(cè)物的外擴(kuò)保持對(duì)應(yīng)距離。F是一個(gè)數(shù)學(xué)集合，其元素個(gè)數(shù)與試驗(yàn)頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)保持一致，可被視作天線系數(shù)或線纜系數(shù)添加在測(cè)量接收機(jī)中。

2.2計(jì)算機(jī)程序模式

F_star=30;

F_end=1000;

n=ceil（log（F_end/F_star）/log（1.01））+1;

i=0;

Frequency_list=F_star;

for i=1：n

Frequency_list（i）=F_star*（1+0.01）^（i-1）;

end

Original_Signal=xlsread（'Signal_Generator.xls'）;

Receiver_data=xlsread（'data.xls'）;

cali_data=Original_Signal-Receiver_data;

xlswrite（'C：＼Rohde & Schwarz＼EMC32＼Correction.xls'，data，'cali_data'）;

程序編寫的依據(jù)是數(shù)學(xué)關(guān)系，因?yàn)槌Ｓ媒邮諜C(jī)操作軟件能導(dǎo)入的參數(shù)類型一般都是excel的xls或xlsx格式，所以當(dāng)工程師依照個(gè)人習(xí)慣利用不同語(yǔ)言編寫程序時(shí)，請(qǐng)一定要將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)保存成excel可識(shí)別格式。

3. 總結(jié)

理論上來(lái)說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)會(huì)增加檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)停留的時(shí)間，會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的時(shí)間成本，但是其測(cè)試結(jié)果對(duì)檢品來(lái)說(shuō)會(huì)相對(duì)公平一些。檢品的輻射發(fā)射值，特別是在進(jìn)行100MHz以上頻率段測(cè)試的過(guò)程中，該頻率范圍內(nèi)波長(zhǎng)較短，就算可以人為消除周邊FM調(diào)頻廣播、WIFI數(shù)據(jù)通訊、對(duì)講機(jī)通訊和移動(dòng)電話通訊等干擾頻率，100MHz以上無(wú)線電波波長(zhǎng)均在3m以內(nèi)，在10m甚至30m的測(cè)試距離內(nèi)，因?yàn)闆]有了電波暗室的吸波功能，如果遭遇環(huán)境引起的無(wú)線電波干涉或衍射，其波峰或者波谷的疊加和抵消很有可能會(huì)出現(xiàn)很多次，那么只會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的倍增和倍減。如果遇到倍增，那么檢品輻射發(fā)射值超過(guò)限值被判定不合格，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是不公平的。如果遇到無(wú)線電波干涉造成了測(cè)試值偏低，那么對(duì)周邊其他設(shè)備或人員活動(dòng)來(lái)說(shuō)這個(gè)電磁環(huán)境就不夠公平了，因?yàn)榇蠹液苡锌赡鼙贿@個(gè)“合格品”干擾了，不能正常工作。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的常見問(wèn)題來(lái)分析，其實(shí)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的性價(jià)比是很高的，其關(guān)鍵在于作為模擬基準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器一定要送至最高計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，一般來(lái)說(shuō)可以將中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的開闊場(chǎng)認(rèn)定為輻射發(fā)射測(cè)試的基準(zhǔn)，如果有這樣的校準(zhǔn)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量和可行度都會(huì)比較高，也更方便檢測(cè)人員對(duì)于檢品的無(wú)線電輻射在各頻率點(diǎn)的發(fā)射值進(jìn)行合格判定。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：2018KJJH03