車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)研究

趙延華 謝耀峰 王壯

摘要：國標(biāo)GB/T 31730-2018是一本針對(duì)人體防護(hù)的車輛電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了時(shí)域和頻域兩種評(píng)價(jià)方法，其中時(shí)域評(píng)價(jià)方法描述較為清晰，主流試驗(yàn)設(shè)備就能滿足測試需求，而頻域評(píng)價(jià)方法規(guī)定較為模糊，需要根據(jù)自身對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解搭建測試系統(tǒng)，不同參數(shù)的測試系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響也不同。據(jù)此，以一套車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究各參數(shù)不同設(shè)置對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，幫助讀者更好地理解頻域評(píng)價(jià)方式。

關(guān)鍵詞：人體防護(hù)；車輛電磁場；頻域評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U472 ?收稿日期：2023-11-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.020

1 前言

目前國際上關(guān)于車輛電磁場人體防護(hù)測試方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有JASO TP-13002：2013《汽車中人體曝露的電磁場測試方法》、IEC62764-1：2022《Measurement procedures of magnetic field levels generated by electronic and electrical equipment in the automotive environment with respect to human exposure—Part 1：Low-frequency magnetic fields》、GB/T 37130-2018《車輛電磁場相對(duì)于人體曝露的測量方法》。其中國標(biāo)GB/T 37130-2018涵蓋了車輛的所有狀態(tài)，并且對(duì)車載電器設(shè)備的工作狀態(tài)、車上測量點(diǎn)等進(jìn)行了明確規(guī)定，可操作性高、實(shí)用性強(qiáng)，能夠很好地指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)[1]，在乘用車和商用車上都有很好地應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37130-2018給出了時(shí)域和頻域兩種評(píng)價(jià)方法。一般在以ICNIRP導(dǎo)則作為測量參考限值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)使用時(shí)域評(píng)價(jià)方法，該評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)描述的較為詳細(xì)，主流測試設(shè)備NARDA的ELT-400磁場曝露級(jí)別測試儀就能滿足測試需求。頻域評(píng)價(jià)方法通常在選定GB 8702-2014作為測量參考限值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其描述相對(duì)模糊，需要根據(jù)自己的理解來建立測試系統(tǒng)。對(duì)于頻域評(píng)價(jià)方法測試系統(tǒng)建立，已經(jīng)有較多的文獻(xiàn)提出了自己的方法，但在測試系統(tǒng)的不同參數(shù)設(shè)置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響方面研究較少，對(duì)此，筆者以一套車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)各部分參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究不同設(shè)置下對(duì)頻域評(píng)價(jià)測量結(jié)果影響。

2 車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)組成

車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)（以下簡稱為測試系統(tǒng)）是由磁場測量探頭、磁場測量主機(jī)、三線同軸線纜、示波器、網(wǎng)線、測試軟件組成，連接方式如圖1所示。其中各組成部分的生產(chǎn)單位及型號(hào)如下：磁場測量探頭和主機(jī)為NARDA的ELT-400磁場曝露級(jí)別測試儀；示波器為Rohde&Schwarz的RTO 2024示波器；測試軟件為Rohde&Schwarz的EMF測試軟件。

2.2 測試系統(tǒng)工作原理

磁場測量探頭和主機(jī)來接收數(shù)據(jù)，磁場探頭中內(nèi)置X-Y-Z三個(gè)相互正交的環(huán)形線圈，為各向同性，測試結(jié)果與探頭的放置位置無關(guān)[2]，X、Y、Z三個(gè)環(huán)形線圈接收到數(shù)據(jù)通過三線同軸線纜傳輸?shù)绞静ㄆ鳎静ㄆ鲗⒔邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換后再做有效值計(jì)算并記錄，記錄的數(shù)據(jù)再通過網(wǎng)線傳輸給測試軟件，由測試軟件來生成測試結(jié)果頻譜圖。頻域評(píng)價(jià)過程中，測試軟件對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)測試結(jié)果與限值線做比較，全部頻點(diǎn)測試結(jié)果都低于限值就表示頻域評(píng)價(jià)合格。

3 測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置分析

3.1 磁場曝露級(jí)別測試儀

ELT-400磁場曝露級(jí)別測試儀可調(diào)的參數(shù)有測量頻率范圍、檢波器以及磁場測量范圍，各參數(shù)可調(diào)選項(xiàng)見表1。其中測量頻率范圍中的30 Hz～400 kHz不能涵蓋GB/T 37130-2018測量范圍，該選擇不予考慮。磁場測量范圍中每個(gè)模式下都有LOW和HIGH兩擋，80 mT模式背景噪聲較高，通常采用320 μT模式進(jìn)行測試。

3.2 示波器

3.2.1 輸入通道

輸入通道選擇示波器的前三個(gè)通道，查看供應(yīng)商提供的產(chǎn)品手冊(cè)，輸入通道的觸發(fā)設(shè)置使用DC 1MΩ耦合。研究表明，當(dāng)選擇示波器的帶寬10倍于被測信號(hào)的最高頻率時(shí)，幅值測量誤差很小，幅值達(dá)到最佳值[3]，GB/T 37130-2018測量范圍為10 Hz～400 kHz，所以最低4 MHz的帶寬就能使測試精度達(dá)到理想狀態(tài)，設(shè)置更高的帶寬會(huì)使幅度測量誤差更小，但可能會(huì)產(chǎn)生更高的噪聲。該測試系統(tǒng)中的示波器帶寬有20 MHz、200 MHz、FULL（500 MHz）三種設(shè)置，均高于10倍的測量最高頻率，帶寬調(diào)整由測試軟件進(jìn)行控制。

3.2.2 采樣

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37130-2018規(guī)定了頻率分辨率最低要求（見表2），選擇每頻段規(guī)定的頻率分辨率最大值，用下式計(jì)算各頻段采樣時(shí)間：

Δf = fs / N=1/t ??????????????????????????????（1）

式中，Δf為頻率分辨率；fs為采樣率；N表為采樣記錄長度；t為采樣時(shí)間。

可以得出各頻段采樣時(shí)間分別為1 s、200 ms、20 ms。選用該采樣時(shí)間，取每頻段頻率最大值做采樣率，這樣設(shè)置符合標(biāo)準(zhǔn)要求，只是在采樣過程可能會(huì)產(chǎn)生頻率混淆，為使被測的原始信號(hào)能準(zhǔn)確地還原，一般采樣率取值為原始信號(hào)最高頻率的2.5～10倍，按照這個(gè)取值方法可以算出各頻段的采樣率范圍（見表3）。研究的測試系統(tǒng)的采樣率、頻率分辨率、采樣時(shí)間見表4，可以看出采樣率高于一般取值范圍，采樣時(shí)間高于前面提到的采樣時(shí)間，這樣采樣點(diǎn)較多，頻率分辨率較低。

3.2.3 FFT

示波器接收的信號(hào)通過快速傅里葉變換（FFT）轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，為抑制頻譜泄漏，需要加窗函數(shù)后進(jìn)行檢測分析，窗函數(shù)可以選用Hamming窗或者Hanning窗，其中Hamming窗的主瓣峰值較高，但是旁瓣衰減速率較小，抑制頻譜泄漏的效果不如Hanning窗[4]，研究的測試系統(tǒng)采用是Hanning窗。對(duì)3個(gè)通道經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行平方求和再開方，可得到每個(gè)頻點(diǎn)的測量電壓值，計(jì)算公式如下：

[U=（FFT（x））2+（FFT（y））2+（FFT（z））2] ??????（2）

3.3 測試軟件

示波器輸出的電壓值需要轉(zhuǎn)換為場強(qiáng)值，前文中提到磁場曝露級(jí)別測試儀的磁場測量范圍通常采用320 μT模式，模式有LOW和HIGH兩個(gè)擋，查供應(yīng)商提供的產(chǎn)品手冊(cè)得到電壓與場強(qiáng)關(guān)系公式如下：

sensitivity=0.8 V/overload limit ??????????????（3）

可以計(jì)算出在320 μT模式的LOW擋和HIGH擋下，sensitivity分別為0.025和0.0025，研究的測試系統(tǒng)在測試軟件操作界面將該其表述為Probe Sensitivity（見圖2），根據(jù)選擇的測量范圍檔位填寫對(duì)應(yīng)的值。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

使用磁場抗擾測試系統(tǒng)設(shè)備搭建研究試驗(yàn)平臺(tái)（見圖3），信號(hào)源輸出200 Hz頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)過音頻功放進(jìn)行放大后通過輻射環(huán)天線輸出，用ELT-400場強(qiáng)測試儀來監(jiān)控輻射環(huán)天線輸出，場強(qiáng)測試儀的探頭中心對(duì)準(zhǔn)輻射環(huán)天線中心，距離50 mm。調(diào)整信號(hào)源輸出直到場強(qiáng)測試儀顯示場強(qiáng)為10 μT，調(diào)整完畢后，各設(shè)備參數(shù)如下：信號(hào)源（Rohde&Schwarz HMF2525）為-30 dBm；音頻功放（AE TECHRON 7224）為78%增益；輻射環(huán)天線（Schwarzbeck FESP 5132）。

4.2 試驗(yàn)表建立

研究的測試系統(tǒng)中可調(diào)參數(shù)有測量頻率范圍、檢波器、磁場測量范圍、示波器帶寬和Probe Sensitivity，其中磁場測量范圍選的檔位和Probe Sensitivity存在數(shù)學(xué)關(guān)系，所以具有很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性。用圖3所示的試驗(yàn)布置，在320 μT模式下，使用磁場測量范圍選的擋位和Probe Sensitivity不對(duì)應(yīng)的設(shè)置，其測試結(jié)果如圖4和圖5所示，可以看出，實(shí)際測試過程中這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生很大的數(shù)據(jù)偏離。

根據(jù)前文分析，除去示波器帶寬有3個(gè)選項(xiàng)外，其余參數(shù)均有兩個(gè)選項(xiàng)，這里用磁場測量范圍來代表磁場測量范圍和Probe Sensitivity，取示波器帶寬中的最低值20 MHz和最高值FULL兩個(gè)值來設(shè)計(jì)試驗(yàn)，可以滿足正交表試驗(yàn)設(shè)計(jì)，表5為設(shè)計(jì)的正交表。

表5 正交表

[試驗(yàn)序號(hào) 測量頻率范圍，Hz 磁場測量范圍 檢波器 帶寬，MHz 1 1 to 400 k LOW PEAK 20 2 1 to 400 k LOW PEAK FULL 3 1 to 400 k HIGH RMS 20 4 1 to 400 k HIGH RMS FULL 5 10 to 400 k LOW RMS 20 6 10 to 400 k LOW RMS FULL 7 10 to 400 k HIGH PEAK 20 8 10 to 400 k HIGH PEAK FULL ]

4.3 試驗(yàn)

依據(jù)4.2建立的正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)的測試結(jié)果如圖6～圖13所示。

4.4 結(jié)果分析

通過1、2、3、4組數(shù)據(jù)分別與5、6、7、8組數(shù)據(jù)對(duì)比，可以直觀地看出測量頻率范圍和檢波器設(shè)置對(duì)測試結(jié)果并沒什么太大影響，數(shù)據(jù)差異微弱。場強(qiáng)測量范圍方面不管是LOW擋或是HIGH擋，都可以準(zhǔn)確地測量出200 Hz頻點(diǎn)給定的10 μT場強(qiáng)，在背景噪聲方面LOW擋更低，但其測量范圍上限比HIGH擋低。通過1組與2組、5組與6組相比，在場強(qiáng)測量范圍LOW擋、示波器帶寬20 MHz時(shí)情況下，高頻段的噪聲更低一些。通過3組與4組、7組與8組相比，可以看出在場強(qiáng)測量范圍HIGH擋、示波器帶寬20 MHz時(shí)，頻段3～10 kHz能接收到更豐富的騷擾，其他測試頻段結(jié)果噪聲更低一些。

通過上述分析可以得出結(jié)論，磁場曝露級(jí)別測試儀上的測量頻率范圍和檢波器設(shè)置對(duì)測試結(jié)果無明顯影響，場強(qiáng)測量范圍、示波器帶寬設(shè)置越高，測試系統(tǒng)的背景噪聲越高，該結(jié)論與前文中測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置分析的結(jié)果一致。

5 結(jié)語

通過分析車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)各組成部分的參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)試驗(yàn)來研究測試系統(tǒng)中不同參數(shù)設(shè)置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，實(shí)際測試過程中要根據(jù)場景需求來對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)人體防護(hù)測試頻域評(píng)價(jià)方法研究有一定的積極意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]黃冬梅，唐志濤，張晉軒，等.基于FFT的電力諧波分析方法[J].電工技術(shù)，2022（20）：213-216.

作者簡介：

趙延華，男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)槠囯姶偶嫒?、檢測。

基金項(xiàng)目：中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司科研項(xiàng)目“車輛電磁場人體防護(hù)測試系統(tǒng)研究”（202301）