传感器EMC的重要性与研究进展*

刘桂雄 朱海兵 洪晓斌

（华南理工大学机械与汽车工程学院）

传感器EMC的重要性与研究进展*

刘桂雄 朱海兵 洪晓斌

（华南理工大学机械与汽车工程学院）

针对现代信息技术对传感器稳定性、灵敏性及精确度要求日益提高，以及日益复杂电磁环境下传感器面临的电磁兼容性问题，论述传感器电磁兼容性内涵及特点，指出目前开展传感器电磁兼容性研究工作重要性，从传感器电磁抗干扰技术、PCB电磁兼容技术及传感器电磁兼容预估技术三个方面介绍国内外传感器电磁兼容性研究进展，最后对传感器电磁兼容性研究提出一些建议。

传感器；电磁兼容性；电磁抗干扰；电磁兼容预估

1 引言

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱。传感器是信息技术的前端，其性能和质量直接决定了信息系统的功能和质量。随着城市人口不断增长，科学技术不断发展，各类电子电气设备大量进入社会，传感器外部工作电磁环境日益复杂[1-2]。同时，随着半导体技术与集成技术的不断发展，传感器封装尺寸越来越小，电路结构日益复杂，电子器件日益密集，工作频率范围越来越宽，传感器内部电磁干扰日益显著[3]。因此，开展传感器电磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）研究，提高传感器在复杂电磁环境下工作的稳定性、灵敏性及精度已引起国内外学者的广泛关注。本文通过分析传感器电磁兼容性的内涵及特点，从传感器电磁抗干扰技术、PCB电磁兼容性设计技术以及传感器电磁兼容预估技术三个方面介绍国内外传感器电磁兼容性研究进展，探讨传感器电磁兼容性设计方法，期望引起对传感器电磁兼容性研究的重视。

2 传感器电磁兼容性及研究意义

电磁兼容性EMC是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受电磁骚扰的能力[4]。传感器电磁兼容性是指传感器在电磁环境中的适应性，保持其固有性能、完成规定功能的能力。它包含两个方面要求：一方面要求传感器在正常运行过程中对所在环境产生电磁干扰不能超过一定限值；另一方面要求传感器对所在环境中存在电磁干扰具有一定程度抗扰度。电磁兼容性作为传感器性能指标，正受到越来越多重视。如TC65制定了IEC61000-4《工业过程测量和控制的电磁兼容性》标准，汽车用电子传感器执行ISO11452系列汽车零部件电磁兼容测试标准等。

传感器电磁兼容性问题具有一般电子设备的共性，电磁干扰行为产生需具备干扰源、耦合途径及敏感源等电磁兼容三要素，如图1所示。只要将这三个要素中的一个消除或抑制，电磁干扰问题就会随之消除或抑制。因此，电磁兼容性研究也是围绕三要素展开的，通过研究每个要素特点，提出消除或抑制每个要素方法，从而解决电子电气设备或系统电磁兼容性问题。

图1 电磁兼容三要素

就电磁敏感度（electromagnetic susceptibility, EMS）而言，两方面原因使得传感器EMS问题非常突出。首先，传感器相比于通信系统或电力系统，尺寸较小、门限电压较小，是低电平电子设备。数字电路逻辑元件有一定阀电平和与之相对应干扰容限，因而它不会响应低于容限的干扰，但对于其所受到高于容限的干扰却没有恢复功能。脉冲数字电路易受外界脉冲影响，同时也会向外界产生干扰脉冲；传感器处理一般为较微弱信号，在复杂电磁环境下，外界极小电磁干扰都有可能给输出结果带来很大误差，甚至错误结果。

就电磁干扰（electromagnetic interference, EMI）而言，传统传感器由于工作频率较低，电路结构较简单，电磁干扰问题不是特别明显，但随着半导体与集成技术不断发展，传感器EMI问题也不容忽视。数字计算技术、无线通信技术一直推动着半导体技术以摩尔定律[5]持续发展，高速高频已成为电子设备发展必然趋势。传感器功能越来越多，电路结构也愈加复杂。

电磁干扰按频段划分如表1所示。从干扰途径来分，0～300KHz并存着传导干扰和交变电磁场引起的近场感应干扰；射频和微波干扰都是远场的辐射干扰。当设备、导线的长度比波长短时，主要问题是传导干扰；当它们的尺寸比波长长时，主要问题是辐射干扰。传感器通常为谐波干扰、传导干扰及射频干扰，但随着电子设备向高速高频发展，微波干扰也对传感器产生影响，如Mica2、CC2430等无线通信传感器。

表1 电磁干扰按频段划分

传感器外界干扰主要来源是工频电源干扰、静电干扰及雷电脉冲干扰等，内部干扰源主要为电源电路、脉冲数字电路、开关电路及信号调理电路和地线干扰等。

3 国内外传感器电磁兼容性研究进展

下面从传感器电磁抗干扰技术、PCB电磁兼容性优化设计技术和传感器电磁兼容性预估三方面，介绍国内外传感器EMC研究进展。

3.1 传感器电磁抗干扰技术

屏蔽是提高传感器电磁兼容性重要措施之一，它既可阻止或减少传感器内部辐射电磁能对外传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对传感器干扰。传感器常用含孔缝金属屏蔽体屏蔽外界干扰，屏蔽体屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）直接影响传感器抵抗外界电磁干扰能力。电磁屏蔽由Bell实验室Schelkunoff于1936年在“A Theory of Shielding ”中首次提出，并于1938年在“ The Impedance Concept and its Application to Problems of Reflection, Refraction, Shielding and Power Absorption ”第一次系统论述电磁屏蔽概念及应用。早期研究主要集中在不同屏蔽体屏蔽效能数学模型，以及含孔缝屏蔽体内电磁产分布情况。文献[6]、文献[7]给出了远场、近电场及近磁场条件下单层金属平板、带孔阵金属平板以及多层金属屏蔽体三种典型屏蔽体的屏蔽效能。图2单层为金属板屏蔽示意图，设R、A、B分别为边界反射损耗能量、吸收能量、多次反射损耗能量；K1、K2、K3分别为与孔个数有关的修正项、由趋肤深度不同引入的低频修正项、由相邻孔相互耦合引入的修正项，n为金属屏蔽体层数，t为金属板厚度，那么单层金属平板、带孔阵金属平板以及多层金属屏蔽体屏蔽效能分别为：

图2 金属板屏蔽示意图

屏蔽体开口的孔及缝直接影响屏蔽效能及屏蔽体内电磁场分布。北京理工大学杜恩祥等(2003)根据对偶原理，用对偶量代替基本振子再求解辐射场建立了传感器屏蔽体缝隙泄漏电磁场数学模型，计算了屏蔽体泄漏电磁场分布情况[8]。屏蔽体内电场、磁场表达式分别为：

式中l、d分别为缝隙宽度与宽度（d<<λ），Et为电场切向分量，

最近的研究热点为不同入射波形电磁波孔缝耦合以及不同孔缝耦合效应问题。如文献[9]采用FDTD法研究核电脉冲、快上升前沿脉冲、超宽带电磁脉冲对目标腔体孔缝耦合效应；文献[10]通过定义能量耦合传输系数，应用FDTD法分析耦合能量随窄缝宽度、厚度和时间变化关系，以及在正弦波调制的高斯脉冲源激励下窄缝和窄缝腔体耦合共振特性。

传感器电磁抗干扰其它方法还有接地、滤波等。除此之外，利用冗余技术、容错技术、标志技术、数字滤波技术等软件设计方法，都可有效提高传感器电磁抗干扰能力。

3.2 PCB电磁兼容性优化设计

PCB作为传感器电路载体，PCB上元器件布局、布线及分层对传感器EMC有重要影响。PCB发生的电磁现象属于近区感应场范围，研究热点主要为印制线的串扰及辐射问题以及电磁干扰抑制方法。对于线条问题，关键是确定信号线等电路参数及高频时表征的分布参数，可用准静态分析法来确定单位长度电容、电阻、电感及电导参数[11]。对于串扰问题，主要利用多导体传输线理论求解，弱耦合的两线间串扰可用简化公式计算[12]。此外，还可采用谱域方法求解出信号线上电流分布，进而得出线间串扰[13]。另外，修正的传输线方程能够分析出任意角度轨迹线间串扰[14]。对于辐射问题，常规方法是先运用传输线理论求出线条上电流分布，再运用散射理论或格林函数进行积分求出辐射[15]。对于PCB电磁干扰，一种有效方法是采用旁路和退耦[16]。退耦装置可有效分布PCB电源网络，去耦电容位置及数量对PCB板EMI问题有重要影响[17-18]。其它PCB电磁干扰抑制技术还有基底介质补偿[19]、地平面打孔、加屏蔽地线、桩栅栏等措施。

3.3 传感器电磁兼容预估

电磁兼容性预测分析是电磁兼容性设计重要一环。自从1968年W. R. Johnson和A. K. Thomas提出EMC计算机辅助分析以来，EMC预测分析得到长足发展。通过建立各种干扰源，传输路径及接收器物理、数学模型及必要数据库，利用电磁场数值计算方法即可从设计初始阶段定量考虑传感器EMC问题。常用数值计算方法有矩量法(MoM)、有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)及快速多极子法(FMM)等[20]。基于这些数值算法国外已开发出许多商用电磁仿真软件包，如Sonnet、IE3D、Ansoft-HFSS及Microwave Office等。通过这些软件包可以分析过孔、传输线等耦合，可以看出传感器PCB电磁场分布情况，如图3所示。由于电磁边值问题的复杂性，很难用单个软件获取全部信息，通常需要结合几个软件包，即使如此，效果有时仍欠佳。

图3 PCB电磁场分布图

国内开展电磁兼容预测分析较晚，商用电磁兼容预测分析软件尚不成熟。上世纪90年代由北京航空航天大学开发出国内首套电磁兼容应用软件BHEMCAP。该软件主要应用于飞机电磁兼容预测。陕西海泰电子有限责任公司于2007～2009年开发出应用于各类武器平台上无线电设备间电磁兼容性分析与评估系统间电磁兼容预测分析软件(HTEMC9502)、电磁兼容数据库管理系统(HTEMC-DBMS v1.1)及设备级EMC测试平台软件EMC-ATS。

近几年已有研究人员对器件级电磁兼容预测仿真软件做出尝试。电子科技大学李小春(2008)从屏蔽外壳对不同场源屏蔽、走线之间串扰耦合、外电磁场等三方面对传感器信号调理电路电磁敏感性建立数学模型，并根据数学模型在Visual Studio2005开发环境下实现智能传感器系统电磁干扰分析软件，如图4所示[21]。该软件串扰模型在高频时精度方面不够理想，未能对整块电路板进行预测分析，没有考虑PCB上其它信号线对所分析信号线影响等。西安电子科技大学罗朋(2010)基于Mentor公司电磁兼容分析软件开发一套电磁兼容分析及控制平台，该软件嵌入了改进等效电路理论、多导体传输线理论、微波技术和电磁场数值计算等算法，使其目的性更强，仿真过程更快速。由于该软件更侧重于电缆电线耦合问题，故无法整体预测评估PCB板电磁兼容性。

图4 入射平面波对印制线的耦合模块界面

4 结论

电磁兼容性研究作为一门迅速发展的交叉学科，国外已开展了大量研究，颁布了一系列标准。美国、欧盟、日本以及越来越多的国家和地区将电子产品的电磁兼容性要求纳入认证管理体系之中。我国于2002年正式将电磁兼容性纳入电子产品认证管理体系。作为获取信息源头的传感器，其特性的好坏直接关系到整个系统质量。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，开展对传感器电磁兼容性研究已成为时代发展的必然要求。由于起步较晚，我国在传感器电磁兼容性研究目前尚处于初级阶段。为此建议：

(1) 加深对传感器电磁兼容性研究重要性的认识，加大投入力度，组织人力、物力开展对传感器电磁兼容性研究；

(2) 加强对传感器电磁兼容测试技术、测量方法研究，理论研究与测试手段、测试方法并重，推动传感器电磁兼容性研究工作进程；

(3) 电磁兼容性设计理念贯穿传感器及传感器系统整个设计过程，做到预先设计、预先评估分析以及预先检验，不断提高传感器电磁兼容性性能。

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The Importance and Research Progress of EMC on the Sensor

Liu Guixiong Zhu Haibing Hong Xiaobin
(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology)

The demand of modern information technology for the stability, sensitivity, and accuracy of the sensor is increasing. Besides, the sensor faces electromagnetic compatibility issues in the increasingly complex electromagnetic environment. The characteristics of the sensor electromagnetic compatibility are discussed. Furthermore, the importance of the sensor electromagnetic compatibility is pointed out. The sensor electromagnetic compatibility progress both on domestic and abroad is introduced focusing on the three aspects: the sensor electromagnetic immunity technology, PCB EMC technology and the sensor electromagnetic compatibility prediction technology. Finally, some suggestions on the research of sensor electromagnetic compatibility are putted forward.

Sensors; Electromagnetic Compatibility; Electromagnetic Immunity; Prediction

教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET—08—0212）项目广东省高等学校高层次人才项目资助

14 *基金项目：国家自然科学基金项目（61074147）；广东省自然科学基金团队项目（83510090010 00002）

刘桂雄，男，1968年生，华南理工大学教授，博导，主要从事现代传感与检测技术研究。

朱海兵，男，1986年生，华南理工大学硕士研究生，主要从事现代传感与检测技术研究。

洪晓斌，男，1979年生，华南理工大学副研究员、博士，主要从事现代传感与检测技术研究。