减小自制超声检测仪器电磁干扰研究

罗强龙，韩庆邦，王 俊，单鸣雷，朱昌平

（河海大学江苏省输配电装备技术重点实验室，常州市传感网与环境感知重点实验室，江苏常州 213022）

在学生进行创新实践的活动中，经常要用到一些电子设备及仪器，虽然成熟设备的各项指标都能满足实验要求，但这类设备一般价格昂贵，不能保证实验室都能配备。此时，就要求学生能自主研发一些电子仪器进行测量，同时也能有效提高学生的实践创新能力。但由于这些仪器没有像成熟电子产品一样全面考虑电磁屏蔽以及稳定性等问题，常常会因为电磁干扰导致实验结果的重复性差，给实验教学带来不便。为了有效克服电磁干扰的影响，本文在分析各类电磁干扰机理的基础上，以超声混凝土内裂纹检测自制仪器为例，研究了在现有实验室条件下尽可能降低电磁干扰影响的一般方法。

1 电磁屏蔽的基本方法

1.1 静电场屏蔽

对静电场的屏蔽有如图1所示的5种情况，图中正电荷代表干扰源，负电荷代表敏感设备，箭头代表磁场方向。图1中：（a）表示完全没有任何防护措施的情形；（b）表示对干扰源加装了防护罩，但防护罩没有接地的情况；（c）表示对干扰源加装防护罩，并且防护罩良好接地的情形；（d）表示对被干扰导体施加防护罩，但防护罩没接地的情形；（e）表示对被干扰导体施加防护罩，同时防护罩接地的情形。综合图中所示，要防止静电场泄漏对附近敏感设备的干扰，除了要加装防护罩外，还要将防护罩有效接地；而如果只是为了防止外界电场对某段导体的干扰，加一个金属防护罩即可。如果能综合采用（c）和（e）的两种方案，就能有效地屏蔽静电场干扰［1］。

图1 静电场屏蔽示意图

1.2 低频磁场屏蔽

对低频磁场的屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽，前者是防止磁场泄漏到空间而对其采取的主动抑制，后者是为了防止空间磁场对敏感设备的干扰而对敏感设备采取的隔离措施。如图（2）所示：（a）表示主动屏蔽的情况，通电线圈（如变压器等）产生的磁场会对周围空间敏感设备产生干扰，为此在敏感设备周围布置一个导磁材料制作的罩，让线圈产生的磁通主要沿屏蔽罩通过，大大减少泄漏到外部空间的磁通量，从而降低干扰源对附近的敏感元件和电路影响；（b）表示被动屏蔽的情况，当使用高导磁率材料制作的屏蔽体放入磁场中，由于屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，磁力线将集中在屏蔽体内通过，降低了防护罩内部空间的磁场强度，从而极大的降低该空间内的敏感器件受外部磁场干扰的程度［2］。

图2 低频磁场屏蔽示意图

1.3 近场电磁屏蔽

电磁干扰分为高频电场干扰和高频磁场干扰，其进入敏感电缆有2种路径：电容耦合和电感耦合。

当噪声源和电缆之间存在寄生电容时就能产生电容耦合，如图3所示。图3（a）为电场耦合原理图，其中j为干扰源导线，s为敏感电缆，Ej为干扰电动势，Cjs为j与s之间的寄生电容，Cs为敏感电缆s与大地之间的分布电容。图3（b）为加屏蔽体的情况。Cjso为迂回屏蔽层的电力线形成的寄生电容，C1为干扰源与屏蔽体寄生电容，C2为敏感电缆与屏蔽体寄生电容［3］。

图3 高频电场耦合示意图

无屏蔽时干扰电动势为

有屏蔽且接地时的干扰电动势为

有屏蔽但不接地时的干扰电动势为

由于Cjso为迂回屏蔽层的电力线形成的寄生电容，相对于C1、C2、C3为高阶无穷小，因此有屏蔽且接地良好时电容耦合所产生的电势可以忽略不计。式（3）可简化为

对比式（1）和式（4）可知，不接地或者接地不良的情况下，对电场干扰几乎没有屏蔽作用。由于信号电路与屏蔽罩间存在寄生电容，因此要将信号电路地线末端与屏蔽体相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。

载流线圈通过磁场相互联系叫做磁耦合。图4为磁耦合原理图，当磁通链从一个线圈耦合到另一个线圈时，通过寄生互感线圈就会产生干扰。由磁耦合的产生机理可知，降低耦合系数是降低磁耦合的有效方法。具体做法：一是接收电路的位置应当尽可能远离磁场源；二是设置一定的隔离措施，并根据频率和场强选用适当饱和特性和足够导磁率的材料做屏蔽罩，通常导磁率越高的材料就越容易饱和；三是对传输大电流的导体（是一种强磁场源）应使用双绞线；四是应尽量减小接收电路的环路面积（比如接收电缆使用双绞线）。

图4 高频磁耦合示意图

1.4 屏蔽双绞线

带屏蔽的双绞线能够有效降低来自空间的电磁干扰，同时也能抑制内部干扰对外的辐射。双绞线抗外部磁场干扰的示意图如图（5）所示，其中（a）为普通双导线在磁场干扰下示意图，（b）为双绞线在磁场干扰下示意图。从两种情况的对比可见，一定程度的扭绞能够减少感应回路线圈的面积，同时电磁感应在两线圈上产生的感应电动势极性相反，能相互抵消，因此能够极大地减少外部磁场干扰。外部有效接地的屏蔽层则起到对电场的隔离作用。本研究中的功率线缆和信号线缆需要考虑使用屏蔽双绞线。对于多层屏蔽电缆，各屏蔽层应在一点接地，且屏蔽层之间应相互绝缘。若不能良好接地，不仅不能有效降低干扰，反而会形成寄生电容引入新的干扰信号。双绞线在传输频率低于100 kHz、且距离较短时，抗干扰效果非常有效［4］。

图5 双绞线抗干扰示意图

1.5 接地与隔离的问题

在分析前面几种干扰时，可以看到接地对消除干扰起到很大作用。现以地环路对信号传输的影响为例，来说明正确接地及采取适当的隔离措施的重要意义。图6为地环路干扰原理图，其中（a）为未采取隔离措施的情形，（b）为采用光电隔离的情形。D－C 为信号线，用来传递数字信号，UAB为两不同接地点之间的电势差。如果将UAB叠加到Es上，就会产生差模干扰。采用光电耦合隔离措施可效消除UAB的影响，其过程如（b）所示。在制作功率源时，考虑到地线差模干扰的问题，我们可对信号电路与功率电路进行隔离，以防干扰出现［5］。

图6 地环路干扰及光电隔离示意图

2 处理实例

超声混凝土内裂纹检测方法：用信号激励源产生的一定功率脉冲信号去激励超声发射换能器，从而产生一定频率的超声信号；然后用超声信号穿透需要检测的物体，通过超声接收换能器接收由物体反射或透射回来的声波信号并进行数据分析，最终达到对物体进行检测的目的。该检测存在如下干扰：功率源内部使用的MOSFET 管工作在开关状态下，会产生高次谐波，其频率和电流都很大；变压器会产生大量漏磁；强电电缆也是强电磁干扰源；还有附近各类设备的杂散电磁干扰。超声信号在混凝土内传播时衰减较大，信号采集单元接收到的超声信号通常非常微弱，信噪比过低，使得所测数据基本没有参考价值［6］。

根据干扰产生的机理和屏蔽的基本原则，结合本实验具体情况，解决方案如下：

（1）对功率电缆采用带屏蔽的双绞线，并确保屏蔽层有效接地（单端接地）［7］。此措施能有效抑制电路对外部空间的电磁辐射和磁场辐射，防止成为附近敏感设备的干扰源。对信号电缆采用带屏蔽层的双绞线，带屏蔽层双绞线将能有效抑制空间的电场和磁场干扰。其具体安装方式为：双绞线屏蔽层要与超声换能器金属外壳良好接触，并使用同一接地线良好接地。否则，该屏蔽层不但不能起到静电屏蔽的效果，相反还会产生寄生电容，加大电容耦合干扰；如果屏蔽层与超声换能器外壳使用2点以上的接地方式，还会引入地环路等新的干扰［8］。

（2）对超声信号源的外壳选用合适的屏蔽方案并对其开口采取防漏磁措施，该措施可以抑制超声信号源中变压器和功率电路对外部的磁场辐射，同时能隔离外部空间干扰信号对功率源的干扰。因为变压器漏磁可能产生强磁场，选择外壳时应该充分考虑到磁饱和的情况。由于硅钢的饱和强度较高，但是磁导率低，而铁磁合金磁导率高，但饱和度较低，因此如果将硅钢制作的屏蔽体放在铁磁材料制作的屏蔽体内，可以将磁场衰减到最低的程度。

（3）选用带高导磁率外壳的超声换能器。由于实验室一般条件下的低频磁场干扰主要是空间磁场和设备漏磁，磁场强度不是太高，一般情况不用担心出现磁饱和的情况，我们尽量选用高导磁率的材料就能满足条件。接地线尽可能要短、要接地良好、电阻要小，如此可以提高设备的抗干扰性。

（4）在功率源设计过程中，要充分考虑信号电路与功率电路的隔离，防止地环路的出现，抑制差分干扰；接地尽可能使用接地良好、电阻小、短的接地线，以提高设备的抗干扰性［9］。

（5）在信号接收电路上，安装适当的放大滤波模块能够有效滤除不必要的干扰信号以提高信噪比［10］。

采用以上屏蔽方案前后测得的信号波形如图7所示。对比上下2图可以看出，采取屏蔽措施后，有效地降低了空间电磁脉冲干扰信号和杂散干扰信号。

图7 电磁屏蔽时域效果图

为了更清楚地观察电磁屏蔽的效果，对采集数据进行频域分析，如图8所示，其中（a）表示采用屏蔽措施后超声信号的频域图；（b）表示未采用任何屏蔽措施时超声信号的频域图。由图中可以看出，采用屏蔽措施能有效降低低频干扰信号和杂散电磁干扰，表明本实验方案是可行性的。

图8 电磁屏蔽频域效果图

3 结束语

本文系统阐述了实验室常见电磁干扰产生的来源，对实验室条件下自制设备的电磁干扰产生的现象进行了分析，并以超声混凝土内裂纹检测为例，提出了解决问题的基本思路，为日后开发实验设备与设计实验方案提供了借鉴。

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