一種醫(yī)用核酸檢測(cè)儀的電快速瞬變脈沖群抗擾度研究

廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 劉春華

廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 劉春華

隨著生命科學(xué)的發(fā)展，核酸檢測(cè)儀作為一種新型儀器被廣泛應(yīng)用于快速檢測(cè)蛋白、核酸和肽等生物大分子物質(zhì)，具有準(zhǔn)確、快速、便捷等優(yōu)點(diǎn)。已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療中病毒分子檢測(cè)、藥物研究等，醫(yī)療單位或生物科研機(jī)構(gòu)通過核酸檢測(cè)儀對(duì)具有紫外吸收的樣品做定性、定量分析，如新冠肺炎病毒快速檢測(cè)等。

圖1 核酸檢測(cè)儀示意圖

核酸檢測(cè)儀主要由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、樣品室、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)組成。如圖1所示，為某一核酸檢測(cè)儀示意圖，可以把整個(gè)設(shè)備分為四個(gè)單元，分別是電源單元、樣品提取單元、樣品分析單元、顯示單元。作為一種光譜分析類儀器，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度直接決定著儀器的使用的可靠性。在我們的現(xiàn)代化生活中，由于各類電子電氣設(shè)備的存在，每個(gè)設(shè)備都會(huì)受到來自外部的電磁干擾，如：設(shè)備開關(guān)操作和短路故障引起的瞬態(tài)脈沖；高電壓、大電流導(dǎo)線或者設(shè)備附近的強(qiáng)電磁環(huán)境；大自然雷擊；靜電放電；諧波以及來自其他電子設(shè)備的工作信號(hào)和噪聲等。核酸檢測(cè)儀作為一種敏感檢測(cè)設(shè)備，愈發(fā)容易受到外部電磁環(huán)境的干擾而影響到最終檢測(cè)結(jié)果。因此，其電磁抗干擾（EMS）性能更加受到設(shè)備開發(fā)者重視。

電磁抗干擾性能測(cè)試中的電快速瞬變脈沖群（ETF/B-electrical fast transient/burst）是此類設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。本文以一種典型的核酸檢測(cè)儀為例，分析EFT對(duì)其影響，并提出相應(yīng)的整改措施。

1 EFT/B試驗(yàn)?zāi)康募皽y(cè)試方法

電快速脈沖群一般是由于切換感性負(fù)載或者繼電器觸點(diǎn)彈跳而產(chǎn)生的。感性負(fù)載在接通或者斷開的瞬間，開關(guān)處可能產(chǎn)生連續(xù)的瞬態(tài)脈沖騷擾。隨著感性負(fù)載多次重復(fù)通斷，能夠連續(xù)多次重復(fù)重復(fù)出現(xiàn)。這種的騷擾主要特性是上升時(shí)間快，持續(xù)時(shí)間短，能量低，但重復(fù)頻率較高。由于其能量較低，一般不會(huì)引起設(shè)備損壞，但是其騷擾的頻譜分布較寬，對(duì)設(shè)備電路路中的半導(dǎo)體結(jié)電容單向連續(xù)充電，積累到一定程度就容易引起電路錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作、測(cè)試誤差偏大、功能失效等異常。電快速脈沖群試驗(yàn)的目的就是為了評(píng)估被測(cè)設(shè)備的電源端口、信號(hào)、控制和接地端口受這種干擾時(shí)的性能并確定一個(gè)共同的能再現(xiàn)的評(píng)定依據(jù)。

醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0505-2012中的EFT試驗(yàn)要求核酸檢測(cè)儀設(shè)備和系統(tǒng)在交流和直流電源線的抗擾度試驗(yàn)電平為±2000V，信號(hào)電纜和互聯(lián)電纜抗擾度試驗(yàn)電平為±1000V，在試驗(yàn)中設(shè)備和系統(tǒng)不能出現(xiàn)性能下降或功能異常。另外，電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.4定義了EFT試驗(yàn)波形、試驗(yàn)等級(jí)、試驗(yàn)設(shè)置以及試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判，并提出了EFT/B抗擾度試驗(yàn)的等級(jí)要求。

2 核酸檢測(cè)儀EFT/B試驗(yàn)失敗分析

核酸蛋白檢測(cè)儀在進(jìn)行電快速瞬變脈沖群測(cè)試時(shí)其干擾主要是以共模方式作用于被測(cè)設(shè)備的電源端口、通信端口，由此進(jìn)入被測(cè)設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)字電路內(nèi)部，對(duì)裝置的正常運(yùn)行造成影響。被測(cè)設(shè)備在施加干擾過程中常出現(xiàn)以下問題：運(yùn)行程序出錯(cuò)、顯示屏閃爍、顯示錯(cuò)誤、采樣值不穩(wěn)等。如某一品牌核酸蛋白綜合檢測(cè)儀在接受試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)如下異常：

（1）對(duì)電源端口施加±2000V的EFT/B干擾，設(shè)備液晶顯示出錯(cuò)，出現(xiàn)亂碼，設(shè)備核酸提取步驟錯(cuò)誤，核酸數(shù)據(jù)分析異常。

（2）對(duì)通信端口（4824通信端口連接電腦）施加±1000V的EFT/B干擾，設(shè)備提取功能工作正常，但與電腦端通信錯(cuò)誤，核酸數(shù)據(jù)分析異常。

由于EFT單個(gè)脈沖能量較小，一般不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在試驗(yàn)后損壞。但它是持續(xù)一段時(shí)間的單極性脈沖串，被測(cè)設(shè)備中的半導(dǎo)體結(jié)電容會(huì)得到充電，積累到一定程度是就可能超過設(shè)備中的其他芯片的抗擾度電平，這時(shí)就可能出現(xiàn)以上異常。如圖2所示，從EFT干擾的途徑分析，主要有如下幾種途徑導(dǎo)致設(shè)備異常：

（1）EFT干擾通過耦合單元進(jìn)入被測(cè)樣品的電源線或者控制信號(hào)線，脈沖能量沿著線纜進(jìn)入到核酸檢測(cè)儀的提取控制電路面板和分析控制面板，進(jìn)而影響核酸檢測(cè)儀顯示系統(tǒng)的正常工作，最終導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常。

（2）由于EFT干擾脈沖含有較多的高頻成分，當(dāng)對(duì)被測(cè)樣品線纜上的干擾在傳導(dǎo)過程中同時(shí)會(huì)向空間輻射。核酸綜合檢測(cè)儀內(nèi)部布線較為復(fù)雜，這些線纜容易接收來自空間輻射的脈沖能量，進(jìn)而傳導(dǎo)到內(nèi)部電路板的結(jié)電容，當(dāng)能量積累到一定程度就可能使得核酸檢測(cè)儀的內(nèi)部電路出現(xiàn)錯(cuò)誤指令，最終使得設(shè)備工作異常。

（3）當(dāng)EFT干擾沿著線纜進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部以后，直接通過空間輻射被內(nèi)部電路接收，比如可能直接影響核酸檢測(cè)儀的光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)的正常工作，導(dǎo)致設(shè)備分析出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差。

以上分析從EFT傳導(dǎo)的途徑上進(jìn)行拆解分析了可能存在的路徑，在設(shè)備測(cè)試的過程中往往是這幾種途徑綜合產(chǎn)生的結(jié)果。

圖2 EFT傳輸環(huán)路示意圖

3 核酸檢測(cè)儀通過EFT/B試驗(yàn)的對(duì)策

針對(duì)設(shè)備EFT試驗(yàn)出現(xiàn)的異常分別給出如下幾點(diǎn)改進(jìn)對(duì)策：

（1）根據(jù)EFT的測(cè)試機(jī)理，可以發(fā)現(xiàn)這種干擾屬于對(duì)大地的共模注入方式，因此對(duì)直接傳導(dǎo)的干擾應(yīng)該以共模抑制為主。在電源入口端可先采用對(duì)地的脈沖吸收器來吸收大部分脈沖能量，再配合使用吸收式共模濾波器效果更佳。需要注意濾波器的金屬外殼與金屬機(jī)箱或者設(shè)備底部的金屬板接觸良好。

（2）針對(duì)空間輻射部分的脈沖能量，除了在進(jìn)口端進(jìn)行濾波外，還需對(duì)敏感電路的導(dǎo)線進(jìn)行屏蔽，必要時(shí)采用屏蔽導(dǎo)線。

（3）對(duì)于線纜進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部以后形成的輻射干擾，一方面應(yīng)對(duì)設(shè)備內(nèi)部的敏感部分做好隔絕措施，另一方面內(nèi)部的線路走向應(yīng)該引起重視，比如電源線與信號(hào)線不應(yīng)捆綁一起，否則容易形成共模干擾。

一款新產(chǎn)品的開發(fā)，應(yīng)該在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制階段就應(yīng)該考慮到電磁兼容的要求，進(jìn)行電磁兼容性能考核，這樣最終定型的產(chǎn)品才更容易通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)注意如下幾個(gè)方面：

①如把設(shè)備整體外殼設(shè)計(jì)成金屬制品，相較于非金屬制品，金屬外殼更容易隔離EFT干擾的空間輻射，能夠有效保護(hù)內(nèi)部電路。同時(shí)，金屬機(jī)箱與大地之間能夠形成較大的雜散電容，能夠?yàn)镋FT共模電路提供比較固定的通路。

②把設(shè)備整體外殼設(shè)計(jì)成非金屬制品，這樣相對(duì)金屬制品成本更低廉。但耦合進(jìn)設(shè)備的EFT干擾只能通過內(nèi)部電路與大地之間形成較小的雜散電容，被測(cè)樣品對(duì)地就會(huì)產(chǎn)生較大的EFT干擾電壓。這時(shí)就應(yīng)該在整個(gè)機(jī)箱底部加一塊金屬板以增加設(shè)備對(duì)地的雜散電容。

③合理布局。對(duì)外部干擾較為敏感的光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等應(yīng)遠(yuǎn)離電源模件和電流互感器或者電壓互感器模件。若機(jī)箱體積小，可用金屬板將它們屏蔽隔離。濾波器應(yīng)安裝在金屬外殼或者底部金屬板上，接觸應(yīng)良好，且離電源輸入口要盡量近。另外選擇輸入、輸出線分兩端的適配電源效果更好。

結(jié)束語(yǔ)：新冠肺炎以來，各類核酸類病毒檢測(cè)儀需求快速增長(zhǎng)，同時(shí)在設(shè)備穩(wěn)定性方面有更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。各地區(qū)對(duì)產(chǎn)品的EMC標(biāo)準(zhǔn)要求基本也都包含EFT抗擾度測(cè)試這個(gè)項(xiàng)目。其本身結(jié)構(gòu)決定了這類產(chǎn)品對(duì)EFT干擾較為敏感，因此產(chǎn)品在EFT測(cè)試時(shí)較易出現(xiàn)異常。企業(yè)在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的階段就應(yīng)該根據(jù)EFT干擾的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的抑制措施，這樣才能更加高效的節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本。