抗强电磁干扰的光强监测装置

朱界平马欣鲍其莲/ .上海交通大学；.上海市计量测试技术研究院

抗强电磁干扰的光强监测装置

朱界平1,2马欣2鲍其莲1/ 1.上海交通大学；2.上海市计量测试技术研究院

设计了一种用于抗强电磁干扰的光强监测装置，解决了灯具产品在电磁兼容射频抗扰度试验中光参数定量监测问题。在近端和远端光强监测以及转速和运动速率监测上有实际应用性。并利用目视光度测量仪对装置测量范围进行了校准。

电磁干扰；光强监测；装置

0 引言

目前在灯具的电磁兼容试验中，对灯在抗扰度试验中照明参数变化进行定量分析是一大技术难点[1,2]。由于电磁兼容抗扰度试验场地内有较强的场强干扰（可达 200 V/m），如采用常规的照度计进行检测[3]，照度计本身将受到试验电磁场的干扰，无法准确读数甚至发生损坏。目前，灯具的电磁抗扰度试验主要采用摄像机拍摄后肉眼观测的方式进行监控[4]，但这种方式准确性较低，无法进行定量记录分析，而且对试验人员的视力存在损伤。

本文设计了一种抗强电磁干扰的光强监测装置，以解决灯具产品在电磁兼容射频抗扰度试验中光参数定量监测问题。

1 抗强电磁干扰的光强监测装置

研制的抗强电磁干扰的光强监测装置如图1所示。

图1 光强监测装置完整系统结构

该装置系统的工作流程是在测试试验进行时，光强监测装置安置于屏蔽电磁波的屏蔽壳体内，该屏蔽壳体在10 ～18×103kHz屏蔽效能典型值为60 dB，灯具发出的光源从屏蔽壳体上的采光孔进入屏蔽壳体内部，经采用光电二极管的感光模块采集光信号，并将光信号转化为电压信号，通过具有放大增益调节功能的放大模块，将电压信号放大。放大后的电压信号再经过同轴屏蔽高阻线传输至6位半或以上的数字多用表测量出电压值，通过数字多用表自带的数据通信端口，将测得的数据通过总线传输到计算机。控制计算机装有电磁兼容测试软件，用于电磁兼容测试设备的控制，以及监控数据的记录和存储，并能够将测试系统和监控系统联动，实现电磁敏感度的自动捕捉。

在一般情况下，为了更加方便地进行远距离控制试验，试验区域和控制区域并不在同一区域内进行，也为了更好地实现远距离监测与控制，可以在光强监测装置与数字多用表之间加装一套光电隔离发射器和光电隔离接收器，把由光强监测装置中产生的电信号传输至光电隔离发射器，进一步将电信号转化为光信号，通过光纤传输到试验区域以外，再由光电隔离接收器将光电隔离发射器产生的光信号转变为电信号，以实现在远距离的控制区域进行测量。

2 光强监测装置工作原理

光照可以使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差，即产生光伏效应，它首先由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量；继而形成电压。如果两者之间连通，就会形成电流的回路[5-7]。该光强监测装置主要利用光电二极管光伏效应设计，其电路结构如图2所示。

图2 光强监测装置电路结构

图中，D为光电二极管，工作范围覆盖可见光波长400 ～ 750 nm。当光强为0时，光电二极管截止，VS为0；当光电二极管接收到光强后反相电流增大，VS随光强的增强而增大。VS经过放大电路，得到输出电压V0。

VS与V0的换算关系为

通过调节可变电阻Rf，即可令输出电压V0进行调节。

3 光强监测装置的应用

为实现在不同光源条件下更加方便地进行试验监测，设计出不同的监测方法以供实际应用：如近端光强监测、远端光强监测，并拓展设计出配合定向光源（激光）实现测量转速和运动速率的监测方法。

3.1 近端光强监测

该监测方法直接将光强监测装置放置于电磁兼容试验区域内，装置将被测光源的光强度转化为电压信号，通过高阻线和光电隔离器，连接到试验场地以外，经过二次转换后，通过数字多用表进行测量和记录。本方法较为适用于单一光源的监测。

近端光强监测的系统结构如图3所示。

图3 近端光强监测

3.2 远端光强监测

该监测方法将光纤的一端固定于被测光源的表面，通过光纤将光信号传输到试验场地以外，通过光强监测装置将光纤传输的光信号转化为电压信号，再通过数字多用表进行测量和记录。本方法较为适用于多个光源的同时监测。

远端光强监测的系统结构如图4所示。

图4 远端光强监测

3.3 转速监测

转速监测的系统结构如图5所示。系统采用激光发射器垂直照向旋转的叶片，在叶片的另一侧放置光强监测装置，并与激光发射器水平对齐。由于激光线会周期性地被旋转叶片遮挡，通过数字示波器测得电压也会呈现为高低电平交替的方波，通过数字示波器即可测得输出方波的频率f。通过f即可推算出叶片的转速vr：

图5 转速监测

式中：vr—— 叶片转速；

f—— 输出方波频率；

n—— 叶片数量

3.4 运动速率监测

运动速率监测的系统结构如图6所示。系统采用激光发射器垂直照向往复移动的物块，在物块的另一侧放置光强监测装置，并与激光发射器水平对齐。由于激光线会周期性地被旋转物块遮挡，被遮挡时通过数字示波器测得电压跳变为低电平，当物块离开激光照射范围时，输出电压跳变为高电平。通过数字示波器即可测得输出的低电平的持续时间t。通过t即可推算出物块的运动速率vm：

式中：d—— 物块平行于运动方向的最大几何尺寸；t—— 输出电压低电平的持续时间

图6 运动速率监测

4 光强监测装置的测量范围的判定

感光模块（光强监测探头）为装置的关键组件，为判定其采集光源发出的电压信号的准确性，对感光模块进行了校准测试，以探究光强监测装置的工作范围及可靠性。

以目视光度测量仪为校准装置，以光强为1 115 cd的标准光源，通过调整光源与光强监测探头的距离来获得标准照度值。其转换关系为

共采集了5组数据并制成图表，如图7所示。

由所得校准检测数据，得出以下结论：当照度值在30 ～ 300 Lux时，光照产生的输出电压与照度关系近似线性关系，当照度值超过300 Lux时，输出电压不随照度值的增大而明显提高。所以当使用该套装置进行试验时，还须考虑该光强监测装置的适用光照强度范围，确保所得试验数据有效。

图7 照度与输出电压关系

由于校准的照度点有限，结合30 ～ 100 Lux的近似线性关系，推测当照度值在200 ～ 300 Lux时，输出电压已近似极限。

5 结语

研制的光强监测装置可以将光强参数转化为易于测量的电压信号，并通过控制计算机进行记录。避免了试验人员用肉眼监测带来的准确性差和损伤视力的问题。应用拓展性较强，除了监测光强以外，还能配合定向光源（激光）实现对物体转速、运动速率等物理量在电磁兼容试验中的监控。

1）装置测量准确度主要由内置感光二极管的光伏特性决定，可控性较强，通过合理的选型和电路设计，可以将测量误差控制在+5%以内。

2）具有较强的抗电磁干扰能力，在200 V/m的干扰场强下正常工作。

3）对照度值为0 ～ 200 Lux的灯具光源有良好的检测准确度和可靠的试验结果。

[1]梁玉杰.工业环境中电源电磁兼容设计研究[D].上海交通大学，2008.

[2]刘骞.车载电子设备的电磁兼容研究[D].中南大学，2004.

[3]李璇.LED路灯路面照度测量及中间视觉的研究[D].中国计量学院，2012.

[4]马欣.核电仪控设备辐射抗扰度试验技术研究[D].天津大学，2012.

[5]胡培明.太阳能电池的发展与分析[D].上海交通大学，2008.

[6]卢小铃.氧化钒光伏特性及其应用研究[D].电子科技大学，2011.

[7]吴佳.光伏的自我介绍[J].商周刊，2009（03）：36.

Light intensity monitoring device against strong electromagnetic interference

Zhu Jieping1,2，Ma Xin2，Bao Qilian1
（1.Shanghai Jiao Tong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

In this paper, a light intensity monitoring device which was used to resist the strong electromagnetic interference was designed, to solved the problem of the quantitative monitoring of optical parameters in the electromagnetic compatibility test.There was practical application in the monitoring of near and far light intensity as well asrotation rate and movement velocity.Using the visual photometry measuring instrument calibrated the measuring range of the device.

electromagnetic interference(EMI); light intensity monitoring;device