针对分析仪器辐射骚扰超标的整改实例

王欣媛　喻正宁　王圣金　张　涛　戴书俊

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州　310052)



针对分析仪器辐射骚扰超标的整改实例

王欣媛喻正宁王圣金张涛戴书俊

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州310052)

摘要：通过对电磁辐射骚扰超标案例的分析，针对仪器在正常运行过程中产生的高压、大电流信号而导致的辐射骚扰超标问题，提出了分析及解决辐射骚扰超标问题的方法。通过在特定位置加磁环、滤波器、金属网、导电胶带等整改措施，保证金属连接的有效性,最终使仪器的辐射骚扰测试结果满足标准要求。该分析对于低电压电流辐射的超标整改也同样具有指导意义。

关键词：分析仪器辐射骚扰超标高压大电流整改电磁干扰EMI测试骚扰信号滤波

0引言

近年来，随着国家“十二五”期间发布的《仪器仪表行业发展规划》，先进自动控制系统、大型精密测试设备、新型仪器仪表三大领域得到了大力发展。特别是仪器仪表行业中基于原子发射光谱原理[1-5]的直读光谱仪，凭借其分析速度快、精度高的优点，已成为金属分析领域必备的精密分析仪器，为大型装备制造、航空航天、铁路、汽车、建筑等关系国计民生的领域，提供了装备支持。

但随之而来的问题是直读光谱仪不同于普通低频信号分析仪表，其利用高频高压引燃、脉冲大电流激发的原理对金属样品进行分析，在正常工作中产生的高压最高可达13 000 V(持续时间5 μs)，大电流也可达200 A(持续时间20 μs)。

由此产生的电磁辐射骚扰已成为仪器在设计制造中需要克服的重大难题，也成为其在海外推广中的最大瓶颈，严重削弱了国产仪器的海外竞争力。

本文主要针对此类分析仪器在测量分析过程中产生的高电压、大电流而导致的辐射骚扰超标问题，进行实际案例的分析及整改解决，为此类问题提供了有效解决方案。

1 产品整改前的EMI测试

1.1试验依据

根据EMI测试标准要求，本次辐射骚扰试验参考标准《GB 9254-2008 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》和《GB-T 18268-2010测量、控制和试验室用的电设备电磁兼容性要求》，在标准的3 m法半波暗室中进行。

1.2试验要求

A类分析仪器根据要求定位为“A级”仪器等级，骚扰限值详见表1。

表1　A级类别辐射骚扰限值Tab.1　Limits of radiation disturbance (class A)

1.3试验数据及结论

虽然本分析仪器为金属质地外壳，但是由于屏蔽效果很差，各处泄漏较严重。第一次初测结果在30～1 000 MHz频率范围内高频、低频均超标，最高超标达25.53 dB，数据如图1所示。

图1　初始仪器辐射骚扰测试图Fig.1　The initial test chart of radiation disturbance

2EMI辐射源定位和整改

辐射骚扰整改的一般步骤是首先通过简单定位方法找到辐射超标点的辐射源，再采用相对应的辐射源抑制措施。初步定位方法如图2所示。

图2　骚扰定位初步判定方法示意图Fig.2　Preliminary judging method of harassment positioning

电磁骚扰[6-10]不仅是由外部线缆引起的，由于内部辐射骚扰较强，有相当一部分来自仪器的内部，并透过外壳缝隙泄漏。

根据以上分析结果，整改措施主要分为以下3个方面：① 内部骚扰信号的处理；② 金属外壳机箱的屏蔽处理；③ 外部接连线的处理。

下面就针对以上方面加以详细描述。

2.1内部骚扰信号处理

2.1.1根源分析

由于本次试验分析仪器为基于激发原理的光谱分析仪器，在仪器测试分析的过程中会产生较高的脉冲电压及脉冲电流，所以产生及传输此信号的线缆是造成辐射骚扰全频段超标的最大成因；另外仪器内部各种电路板间的电源线、信号线等也会受脉冲电压及脉冲电流信号线辐射，主动或被动地成为发射天线。所以，内部骚扰信号的处理主要针对以下3类线缆：

① 产生及传输高脉冲电压、高脉冲电流的信号线；② 仪器内部电路板的电源线；③ 仪器内部其他信号电缆线。

2.1.2采取措施

为了破坏产生辐射的条件——天线，主要有两种方法：一是将电缆加屏蔽层并良好接地；二是在线缆两端加磁环隔离骚扰信号的传输及辐射。本仪器采用第二种方法。

磁环的材质一般有3种，依据其磁导率由高到低的顺序，分别是非晶材质、锰锌铁氧体、镍锌铁氧体。其主要工作原理为：在高速工作的器件处，通过增加电容和铁氧体材料来抑制辐射骚扰。在输入线上绕铁氧体磁环是一个普遍有效的方法。如果是一类电器，要火、零、地三根线一起绕，典型的处理方式是：抑制60 MHz以内的骚扰，可以把输入线绕2～3圈；抑制超过60 MHz的骚扰，绕1～2圈。本试验分析仪器在3类信号线的首尾均安装了磁环。

2.1.3整改后EMI测试结果

经过以上整改措施，测量仪器的辐射骚扰谱图如图3所示，可以看到在高频段有了10 dB左右的明显改善。

图3　整改内部骚扰信号后的测试图Fig.3　The test chart after rectifying internal disturbance signal

2.2金属外壳机箱的屏蔽处理

2.2.1根源分析

本分析仪器为试验室大型分析仪器，由于考虑到产生高压电源的散热及仪器本身的测量调试，仪器外壳预留了可翻转的分析台及多处散热孔、窗，其他部分壳体间的连接也仅靠螺钉固定，所以在试验初期存在金属部件搭接不良、接触阻抗小等问题。外壳虽然为金属质地，但没有起到应有的屏蔽效果。

为了进一步确定辐射骚扰泄漏的位置，以采取相对应的整改措施，本试验借助工具进一步进行诊断。细节诊断一般使用电磁场探头和频谱分析仪对设备外部及内部的电磁辐射进行分析，以精确地找到电磁骚扰的根源。

2.2.2采取措施

将电磁场探头通过信号放大器连到频谱分析仪上，被测设备处于正常工作状态，用探头在仪器外壳有可能产生泄漏的位置探测，观察频谱仪，寻找辐射信号最强的部位；待确认该部位后，利用金属网、导电胶带、导电布等临时屏蔽工具处理金属外壳。如果经过整改后该处电磁辐射降低较明显，则可判定此处外壳泄漏严重，须通过进一步结构整改来解决电磁辐射超标问题。

根据此判定方法，找到了仪器几处泄漏较严重的部分，并采用了以下方法整改金属外壳，大大提高了金属外壳的屏蔽性能。

①现象：仪器翻转台面外壳边缘与箱体外壳之间的间隙过大，没有有效连接。

措施：对翻转台面折边稍宽部分加贴导电海绵条、翻转台面折边较窄部分安装金属簧片，以增加台面与箱体外壳的连接。

②现象：仪器后面板调试窗为了观察方便采用玻璃视窗，没有屏蔽处理。

措施：观察窗通过安装金属网与仪器外壳连接，加强屏蔽效果。

③现象：机箱主体外壳与活动台面外壳连接处整体喷漆，导致不能有效金属连接。

措施：仪器外壳相互搭接处的金属裸露部分不能喷漆，严格按照设计要求实施。

2.2.3整改后EMI测试结果

经过以上整改措施，测量仪器的辐射骚扰谱图如图4所示，可以看到在高频段已经可以满足测试要求，低频段也有了明显的改善。

图4　整改金属外壳后的测试图Fig.4　The test chart after rectifying the metal shells

2.3外接连线的处理

2.3.1根源分析

由于本仪器内部EMI辐射泄漏较严重，导致仪器的外部连线转化为天线，向外辐射电磁能量。

2.3.2采取措施

本仪表外接连线主要有两种，一种为电源线，一种为网络通信线。本文主要针对这两类线缆进行整改及优化。

(1)电源线。

电源线主要依靠磁环和滤波器，阻断辐射信号由仪器内部向外传播。

①磁环的安装方式。

本试验分析仪器在仪器电源线靠近仪器的末梢安装了磁环。

②滤波器的安装方式。

滤波器是指对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。这里要强调的是，滤波器的安装一定要保证使滤波器的外壳与仪器机壳良好接触并良好接地，这样才能起到最好的抑制作用，而且最好安装在磁环与仪器电路板之间。

③网络通信线。

网络通信线主要通过屏蔽来破坏天线效应。在使用网线来通信时，建议首先采用屏蔽网线，并保证在网线接口处的良好接地，才能真正实现屏蔽功能。如果仪器对网线数据传输要求不高，可采用加磁环方式，但这种方式有可能导致数据丢失，要视情况选用。本分析仪器由于对网络数据传输要求不高，故采用第二种方法。

2.3.3整改后EMI测试结果

经过以上整改措施，测量仪器的辐射骚扰谱图如图5所示，可以看到在高频段已经可以满足测试要求，低频段也仅超出了5 dB左右。

图5　整改外接连线后测试图Fig.5　The test chart after rectifying the external connections

2.4综合整改结果

经过不断的分析和整改测试，将以上整改措施都很好地施加到仪器上。经过测试可以看到，分析仪器的辐射骚扰超标得到了很好的解决，无论是在高频段还是低频段，都已经达标。综合整改后测试图如图6所示。

图6　综合整改后测试图Fig.6　The test chart after comprehensive rectification

3结束语

综上所述，如果仪器的辐射骚扰测试没有达到要求，应按诊断步骤分析原因，定位骚扰源，再采用相对应的骚扰源抑制措施。通过对电磁干扰问题的整改，可以有效改善产品的电磁兼容特性，提高产品竞争力，顺利通过认证，实现海外销售。

值得一提的是，在处理电磁辐射骚扰问题时，不论是从电路上还是外部构造上进行补救，事后的对策都不是根本的办法，不仅费时费力，而且花费很大。只有在设计之初便考虑到电磁干扰问题，才能以较低的成本、较好的效果，达到电磁辐射骚扰测试要求。

参考文献：

[1] 葛欣宏，郭立红，孟范江.大功率TEA CO2激光器的电磁辐射测试及屏蔽方舱设计[J].光学精密工程，2011，19(5)：983-991.

[2] 阮星.信息技术设备辐射骚扰诊断与对策研究[J].电子质量，2011(4)：68-71.

[3] 吴敏.电能表电磁兼容辐射干扰问题探讨[J].环境技术，2012(10)：29-31.

[4] 李思雄，徐毅敏.辐射骚扰整改方法与案例[J].电子质量，2006(3)：55-59.

[5] 刘萍，沙斐.共模骚扰的成因与对策[J].继电器，2002，30(11)：41-47.

[6] 董新纲，余军红.屏蔽在高压大电流环境中抑制电磁干扰的应用[J].信息与电子工程，2006，4(4)：317-320.

[7] 李同丽.浅谈高频开关电源电磁兼容设计[J].铁路通信信号工程技术，2009，6(5)：47-49.

[8] 冯翠花，方敏.浅谈抑制电磁辐射干扰的方法[J].制冷与空调，2008，8(1)：92-94.

[9] 谢玉明.液晶显示器辐射骚扰的诊断及抑制[J].电磁干扰抑制技术，2002(1)：27-30.

[10]宋维嘉，孟志平.医用电气设备电磁骚扰测试与整改案例分析[J].医疗装备，2010，23(3)：3-5.

中图分类号：TH89;TP202

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607025

Examples of Rectification for Excessive Radiation Disturbance of Analytical Instrument

Abstract：Through the analysis of the cases of excessive radiation disturbance of analytical instruments,especially for the excessive radiation disturbance caused by radiation source of high voltage high current signals in normal operation of the instruments,the methods for analyzing and solving the problems are provided.By putting in magnetic ring,filters,metal mesh,conductive tape at specific positions,and other providing rectification measures to ensure the effectiveness of metal connection,the test results of radiation disturbance of the instrument satisfy the requirement of standard.The analysis also possesses guiding significance to excessive radiation rectification of low voltage,current radiation.

Keywords:Analysis instrumentExceeded radiation disturbanceHigh voltage high currentRectificationElectromagnetic interference

修改稿收到日期：2015-06-02。

第一作者王欣媛(1982—)，女，2007年毕业于西安电子科技大学光电工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事仪器仪表可靠性的研究。