激光功率计电磁兼容抗扰度研究

王权，李澍，苏宗文，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050

激光功率计电磁兼容抗扰度研究

王权，李澍，苏宗文，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 100050

目的 研究激光功率计在进行电磁兼容抗扰度测试中的抗扰情况，以提高测试准确性。方法分别对氦氖激光器和光学纤维喉镜两种医用电气设备进行电磁兼容辐射抗扰度测试，使用两种常用激光功率计进行输出光测量，观察不同激光功率计在不同输出条件下的功率检测情况。结果 在相同环境条件下，不同激光功率计的辐射抗扰度差别较大。结论 在进行电磁兼容抗扰度测试前，应对激光功率计进行辐射抗扰度测试，以避免检测时因检测设备本身受到电磁场的影响而引发的对实验结果的误判。

激光功率计；电磁兼容；抗扰度；氦氖激光器；光学纤维喉镜

0 前言

随着YY 0505-2012《医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验》于2014年1月1日正式实施，医用电气设备全面进入电磁兼容考量时代。在电磁兼容试验医用电气设备抗扰度试验中，需要考核设备在被施加干扰的情况下会发生什么样的基本性能的变化。要确定一台医用电气设备在电磁兼容测试中的基本性能，一般需结合设备的预期功能、设备预期在何种电磁环境下运行、风险分析结果等来确定。进而通过风险分析，评估特定性能可能发生危害的风险，而如果该性能的缺失或降级将导致不可接受的风险，则该性能可以判定为基本性能。

在医用电气设备的电磁兼容抗扰度试验中，对其基本性能进行检测时，需要对检测设备也进行试验。YY 0505-2012指出，电磁抗扰度一共有7个项目，其中静电放电、电快速脉冲群、浪涌、在电源供电输入线上的电压暂降、短时中断和电压变化、工频磁场等[1]主要针对测试设备进行试验，对辅助检测设备影响不大。但是射频电磁场辐射需要在电波暗室中进行，被测设备和辅助检测设备均需放在电波暗室中共同承受电磁干扰，因此对于辅助检测设备的抗干扰能力要求比较高，其准确性和稳定性相当重要。

在光学医用电气设备的检测中，激光功率计是常用的测量设备，具有自动化程度高、测量精度高、重复性和线性好、响应时间快等优点[2]。激光功率计在电磁干扰的条件下是否能够正常工作、在不同频段骚扰下工作特性如何等问题就变得非常重要。但是此类设备的性能基本基于正常使用的条件下，其在电磁干扰条件下的抗扰度性能一般不会包含在产品的说明与介绍中，因此也无从知晓此类设备的抗扰能力。

鉴于此，本研究分别对氦氖激光器[3]和光学纤维喉镜两种医用电气设备进行电磁兼容辐射抗扰度测试，使用两种常用激光功率计进行输出光测量，观察不同激光功率计在不同输出条件下的功率检测情况，旨在为提高医用电气设备电磁兼容抗扰度测试的准确性提供参考。

1 试验条件和设备

光学医用电气设备主要用于诊断和测量，其定义属于非生命支持设备，根据YY0505-2012对射频电磁场辐射的要求，非生命支持设备和系统应在80 MHz~2.5 GHz的频率范围内，在3 V/m的抗扰度电平上符合要求，由此激光功率计应同时在此条件下保持稳定。

1.1 试验设备

采用两种稳定光源输出光，光源1为氦氖激光器，标称输出功率为3.0 mW；光源2为光学纤维喉镜，标称输出功率为2.0 mW。

输出光测试设备也使用两种常见激光功率计，功率计1的测量不确定度为：U=2％（k=2），功率计2的测量不确定度为U=5％（k=2），二者的检测范围均覆盖以上光源的标称输入功率范围，测量不确定度均能满足相应要求。

1.2 试验布局

将光源1和光源2分别放置在电波暗室中，转台中心距离发射天线3 m。分别将功率计1和功率计2放置于输出光路上，对光源输出功率进行测量。具体试验布置图见图1。

图1 试验布置示意图

1.3 试验条件

测试前将设备静置在电波暗室中15 min，待设备稳定后将测量所得的功率数值作为原始参考标称数据，并将暗室内的背景光控制在0.1 mW以内，以减少背景光的影响。然后用天线施加电磁干扰，具体参数设置为：电磁干扰场强：3 V/m；频率范围：80 MHz~2.5 GHz；干扰信号应在规定的调制频率上进行80％的幅度调制；频率步长不超过基频的1％（下一个试验频率≤前一个试验频率的1.01倍），最小驻留时间应≥1 s[4]。

2 检测结果及数据分析

2.1 光源不输出情况下功率计的抗扰情况

分别在光源没有输出的情况下，对两个功率计在不施加任何电磁干扰以及施加上述电磁干扰的情况下进行背景光读数。结果发现，在未施加干扰的情况下，两个功率计表现一致：读数都很低，非常稳定，无明显上下波动，平均功率分别为0.03和0.02 mW，这也说明测试环境背景光稳定在较低水平。

而当功率计在承受3 V/m的80 MHz~2.5 GHz范围内的干扰时，表现非常不同：功率计1的读数与未施加干扰时基本没有差异；而功率计2在受到干扰时，在80~200 MHz频段内的波动非常大，基本处于无法正常工作的状态。具体结果见图2。这说明不同功率计本身的抗扰度有非常大的差异，在进行基本性能测量时，必须关注所选用的测量设备的性能。

图2 激光功率计的功率曲线图

2.2 对不同光源进行测量情况下功率计的抗扰情况

分别在两种光源有输出的情况下，对两个功率计在不施加任何电磁干扰以及施加上述电磁干扰的情况下进行背景光读数。结果发现，在未施加干扰，运行时间20 min（与施加干扰工作时间相同）时，两个功率计的表现一致：读数稳定，无明显上下波动，光源1平均功率为3.04 mW，波动标准差为0.017；光源2平均功率为2.08 mW，波动标准差为0.009。这说明两个光源长时间工作的稳定性比较好，可以排除下一步干扰试验中光源本身变化的影响。

而当功率计在承受3 V/m的80 MHz~2.5 GHz范围内的干扰时，表现也非常不同：功率计1在两种光源输出情况下，读数与未施加干扰时的差异都较小，最大波动度标准差为0.057。而功率计2在两种光源输出情况下受到干扰时，在80~200 MHz频段内的波动非常大，最大波动度标准差为2.004，变化极值为7.88 mW，这相对于标称输出2.0 mW来说是无法接受的，如果按照一般功率变化不超过±20％的准则，则可能把符合抗扰度要求的设备误判为不符合。也就是说，功率计2基本处于无法正常工作的状态。具体结构见图3。这说明使用不符合抗扰度要求的功率计对设备进行测量时，会造成试验结果错误。

图3 激光功率计的测量功率曲线

3 结果与讨论

通过试验研究发现，不同激光功率计的辐射抗扰度差别较大，但这应该不是一个个案，因此在医用电气设备的电磁兼容试验中，为保证测试数据的准确性，应在试验前对检测设备进行抗扰度摸底测试，以避免检测时因检测设备本身受到电磁场的影响而引发的对实验结果的误判[5]。

在本研究中，表现较差的功率计2只是在某一特定频段内所受干扰较大，并不是全频段受扰，因此可能是这一频段内该功率计中接收信号的电路板与辐射产生的电磁波耦合而干扰到功率计的正确采样[6]。从结构上看，该激光功率计外壳是金属的，但是主面板并不是金属，而且整个设备缝隙较大，这都给电磁耦合干扰提供了条件。而功率计1在整个频段内基本不受干扰，抗扰能力很强，主要是整个设备的密封性能很好，设备抗干扰措施做得比较规范，能够达到具有稳定输出的目的。因此，在对医用电气设备进行测量的时候，可以考虑采用屏蔽技术对配合使用的检测设备进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波对检测设备的感应和辐射，比如将检测设备或系统用屏蔽体包围起来，防止受外界磁场的干扰。因为屏蔽体对来自外部或内部的电磁场有着吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，从而达到减弱干扰的目的。例如当干扰电磁场频率较低时，吸收损耗较小，屏蔽作用以反射损耗为主，可采用高导磁材料做屏蔽层，使磁力线限制在屏蔽体内，防止向外扩散。当干扰电磁场频率较高时，吸收损耗随频率上升而增加，反射损耗随频率上升而下降，则宜采用导电良好的金属材料做屏蔽层，利用高频干扰电磁场，在屏蔽金属内产生涡流，形成对外来电磁波的抵消作用[7-8]。

综上所述，在对医用电气设备进行电磁兼容抗扰度测试时，需要关注基本性能测试实验设计的科学性和可行性，尤其需要对基本性能检测设备的抗扰性能进行验证研究，以确保试验的科学性和准确性

[1]YY 0505-2012,医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验[S]．

[2]徐锋,高光煌.激光功率计设计概述[J].医疗卫生装备,1998, (5）：19-21．

[3]范品.小型氦氖激光器[J].激光与光电子学进展,2001,(3）：43-44.

[4]GB 4824-2013,工业、科学和医疗(ISM）射频设备 骚扰特性 限值和测量方法[S]．

[5]饶远.医用高风险设备的电气安全检测及分析[J].中国医疗设备,2014,29(7）：55-56.

[6]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社, 2004.

[7]冯晓国,张舸,汤洋.薄膜型金属网栅的电磁屏蔽特性[J].光学精密工程,2015(3）：686-691．

[8]杨显清.电磁场与电磁波[M].国防工业出版社,2003.

Research on EMC Anti-interference of Laser Power M eter

WANG Quan, LI Shu, SU Zongwen, REN Hai-ping
Institute for M edical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Objective To make a research on the anti-interference situation of laser power meter during EMC anti-interference test so as to improve the testing accuracy. Methods Two kinds of commonly-used laser power meters were used to measure the output light in the EMC anti-interference test respectively for He-Ne laser and optical fi ber laryngoscope. The power inspection situation of different laser power meter was observed in variant output conditions. Results Radiated anti-interference of different laser power meter differed quite a lot under the same environmental conditions. Conclusion The radiated anti-interference test on laser power meter should be made before the entire test in order to reduce m isjudgment of experiment result caused by the effect of electromagnetic fi eld on the test equipment.

anti-interference laser power meter；electromagnetic compatibility；anti-interference degree；He-Ne laser；optical fi ber laryngoscope

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.008

1674-1633(2015）09-0031-03

2015-05-21

作者邮箱：guangjidian@nifdc.org.cn