甚低频强电磁环境下机载监控设备传感器应用分析∗

毛姗姗

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

甚低频强电磁环境下机载监控设备传感器应用分析∗

毛姗姗

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

在甚低频强电磁干扰环境下，机载监控设备传感器的电磁兼容设计受到多方面的影响。文章从风险、环境因素等方面对检测传感器的选型进行了应用分析，并从传感器的使用策略和适用性角度进行考虑，对器件类型进行了择优选择。文章重点介绍了光纤光栅传感器的工作原理，并结合机载监控设备对检测元器件的应用需求，提出相对应传感器的外部构造形式。

甚低频；机载监控设备；电磁兼容；光纤光栅传感器

1 引言

在甚低频通信领域，由于甚低频设备具备发射功率容量大，电磁辐射能量强的特点，使得设备外围近场区处于特殊的强电磁环境中。处于这样特殊环境下的机载设备，所面临的电磁兼容性设计更为复杂。其中，为了确保通信系统稳定安全地运行，需要机载监控设备对各执行机构的功能指标与工作状态进行实时检测。因此，在实际工程设计中，应首先根据机载监控设备的应用需求，对所需要的检测传感器的选型应用进行分析与研究，使之能够适应甚低频辐射场下的强电磁环境。

2 传感器应用现状与分析

目前，适用于常规环境下的机载监控设备，其特性并不足以满足甚低频强电磁环境下的使用要求［12］。传感器件作为机载监控设备的重要组成部分，由于其工作方式的特殊性，能够采取的抗电磁干扰措施有限，不足以完全消除恶劣环境对其产生的干扰。由于常规传感器件较难以在机载甚低频电磁环境下进行实时工作，因此在进行检测传感器的选型设计时，应首先从应用环境等方面上对其进行分析。

2.1 风险分析

机载监控设备很大程度上依赖于载机平台，其工作运行条件受飞行环境制约，不可预见性风险极大。这种风险对于机载监控设备而言主要表现在与执行机构有着紧密联系的传感器件上，主要体现在三个方面。

1）甚低频强电磁环境下，机载设备的电磁兼容性设计在国内仍属于空白，与国外先进技术存在壁垒，缺乏适用于此环境下的检测传感器的应用案例［1］。国内民用领域类似的应用主要表现在高压输电、变电站等工作环境，这种工作环境下应用的器件类型与机载监控设备需求大不相同。由于机载环境的复杂性，采用类似形式的传感器件可能达不到令人满意的效果。

2）通过单纯的仿真设计不能提供足够的电磁兼容性预测［13］。由于甚低频电磁环境辐射分布的不规则性［11］，仅依靠仿真是不足以对实际可能发生的情况进行准确预计的。所以针对于该领域的研究需要边试验边摸索，现阶段也无法判断传感器件采取一定条件的屏蔽滤波措施后，能够将甚低频环境下的强电磁干扰衰减到何种程度。

3）强电磁干扰对传感器的毁伤作用无法评估。目前市场上的传感器件只适合常规环境下的抗电磁干扰设计，防护等级低。它们长期处于甚低频强电磁环境中，对于传感器的效能的影响尚未可知，可能会有热损耗和损毁这样的极端情况的发生。

2.2 环境制约因素

处于甚低频强电磁环境下的机载监控设备，它所选用的检测传感器除了体积、重量受到机载环境的严格限制外［6］，其应用还受到许多外界环境因素的制约，主要体现在恶劣环境、材料材质、屏蔽接地三个方面。

1）恶劣环境

处于甚低频强电磁干扰中的机载设备，一般是采用金属外壳接地屏蔽的电磁兼容设计方法。虽然为了实现电气隔离，将机载设备放置在完全的屏蔽壳体中，能够杜绝强电磁干扰对设备造成的影响。但是直接布置于屏蔽壳体外的各类检测元器件，仍然需要耐受此类恶劣环境。

2）材料材质

由于所处环境的复杂性，大功率通信组件和机体地之间容易产生电容耦合现状，这可能会造成附近空气被局部电离，并产生放电现象。这种放电现象容易造成附近的金属器件产生电击穿现象，使得器件本身受到损害。因此在进行检测传感器的选型时，需要对其材料材质进行特殊考虑，它的外壳封装宜具备非金属材料性质。

3）屏蔽接地

与地面设备的接地方式不同，在载机上并不能实现与大地连接同属性的零电位，所谓的“机体地”实际上只是同电位。因而对机载监控设备而言，采取屏蔽接地措施只能将干扰大大减轻，并不能完全消除干扰。所以在对检测传感器件进行抗电磁干扰设计时，需要重新评估“机体地”对电磁兼容设计的影响，着重考虑其他措施。在载机环境下，传感器件的布局受到空间限制，为了不影响其检测效果，许多抗电磁干扰措施的实施受到了制约。

2.3 强电磁干扰影响

在甚低频通信所产生的辐射场中，处于同一平台环境中的机载设备及其他系统会出现超过规定限度的电磁干扰，使设备的工作性能降低乃至设备自身损毁。其中，根据机载监控设备的结构布局，与通信系统有着直接或者间接接触的检测传感器受电磁干扰的影响最大。因为当具有高精度、高灵敏度的传感器件接收到电磁能量后，会在线路中转化为大电流，在高阻处也可转化为高电压，使得器件局部遭受到电击穿，导致器件烧毁或者瞬间失效［10］。

基于上述考虑，在进行系统设计时，传感器件的必须具备耐受环境应力的特性。在常规环境中，可以采取在线路上搭接滤波器和启用屏蔽罩，或者加大空间距离等方法来抵消电磁感应产生的干扰。但是由于在机载环境中，检测传感器与发信设备之间距离很短，且甚低频通信发射功率强大，造成辐射能量很强，采取现有的屏蔽滤波措施不一定能够使这种强电磁干扰衰减到令人满意的效果。而且现阶段对于机载甚低频段传感元器件的电磁兼容性设计经验相对匮乏，对可能发生的电磁兼容性问题无法得到有效的评估。

3 传感器选型分析

机载监控设备所处的环境特性决定了传感器的工作原理和结构形式，因此在进行选型分析时，应首先从传感器的使用策略和类型两个方面来考虑［5］。

3.1 时间分隔策略的不足

为了间接提高各系统间的电磁兼容性能，使得机载设备能够在甚低频通信所产生的电磁环境中按照系统的设定期望正常运行，可以采取诸如合理布线、空间方位分离、时间闭锁分离、频率划分与回避、旁路等策略来辅助实现［7］。而对于机载监控设备而言，由于甚低频通信所造成的电磁干扰非常强且不易回避，故为了抑制干扰的传播宜采用时间分隔的策略形式。

时间分隔策略是指当强干扰信号发射时，使易受干扰的敏感设备短时间内关闭以避免受到损害。而在甚低频强电磁干扰环境下，即使监控设备不工作，直接或间接暴露于辐射场中的敏感元器件很大程度上会遭受毁伤。这是因为诸如电压、电感、电磁等形式的传感器件，其工作原理是将非电量的测量值转化为电量的输入信号值，它们是通过电缆将电信号传递给对应的指示仪表或者控制器的。这种机电式传感器为了获得精确的测量值，具有较高的灵敏度。当它们遭受外界电磁环境的干扰越恶劣时，所能感应出的电量越大，越容易受到冲击破坏，而一旦超过允许范围则会造成失效。在时间分隔策略下，常规机电式传感器件仍然难以适应机载甚低频强电磁环境。

3.2 传感器适用性分析

机载监控设备需对执行机构执行包括位移、速度、温度、压力、位置在内的物理量的实时测量［4］。由于常规传感器在强电磁干扰环境下的应用极少，不能满足机载设备实时监测的设计要求。因此，为了保证传感器件能够长时稳定工作在甚低频通信环境，尽量避免电气干扰对其产生的影响，应对实际应用中较为少见的非电量测量形式的新型传感器进行分析，从而选出适合甚低频强电磁环境下工作的传感器件类型。

1）无线传感器

无线传感器减少了复杂的走线，从而隔离了传导干扰，提高了器件的抗毁伤能力。但是此类传感器的传输信号途径采用的是超短波或者微波的电台传输形式，在甚低频强电磁干扰环境中，无线传输端口的天线将会被烧毁。

2）红外传感器

红外传感器具有无接触的特点，可应用于温度参数的测量，也可作为位置接近传感器，目前红外搜索跟踪传感器已成功应用于航空领域目标识别方面。但是红外传感器的检测效果受被测物体所产生的热源的影响，而在执行机构的有限空间内并不宜额外增加热源产生装置。

3）激光传感器

激光传感器可以作为位置接近传感器，该类型传感器主要应用有激光测距仪等等，且在超高压输电线路巡线机器人上也已成功应用。但是激光成套设备一般体积重量较大，且激光具有极强的方向性，造成激光传感器的检测覆盖面积小，所以该类型传感器的适用场合有限。

4）超声波传感器

超声波传感器可作为位置接近传感器进行使用，主要应用为超声波测距仪。但是超声波在空气中衰减程度大，且在机载环境下，需将超声波传感器布置于空气流场中，因此机身表面产生的音障和多普勒效应会影响到器件的检测效果。

5）光纤光栅传感器

光纤光栅传感器具备电绝缘、不受电磁干扰、抗腐蚀、耐高温高压、精度高、稳定性好的特点。它是将被测参数转换为光信号传输，所以能够在甚低频强电磁干扰环境下进行实时检测。目前这种类型的温度传感器已经在变电站、高压输电上成熟运用，应变传感器也在桥梁健康检测领域成熟应用［8］。

综上所述，适用于甚低频通信条件下的机载监控设备用传感器，应具有非电转换并传输的原理形式。符合此类原理形式的传感器件即为光纤光栅传感器，它是机载监控设备所能采用的最为理想的传感器类型［2］。光纤光栅传感器是一种不受电磁干扰，并能实现实时监测的器件，它能直接切断干扰传播途径，从而有效减少大量实际效果有限的电磁兼容防护措施。

4 光纤光栅传感器

光纤光栅传感器具备不受电磁干扰且不产生电磁干扰的优良特性，它的成功运用能够从根源上解决强电磁干扰带来的电磁兼容问题。

4.1 工作原理

光纤光栅传感器是一种利用光纤本身的敏感特性而制成的光纤传感器。这种由玻璃纤维构成的新型器件，具有许多光纤具备的优异性能：在光纤中传输的光信号不会受到电磁干扰的影响，同时可以进行长距离传输而不受损耗［9］。光纤光栅是工程领域应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器，目前在高压超高压输电系统、变电站开关柜中均采用此类传感器进行在线监控。

图1 光纤光栅传感器原理图

光纤光栅传感器的工作原理如图1所示，当宽带光经过光纤光栅传感器后，只有满足反射条件的相应波长被反射，其余波段的光则透过光栅传播，因此反射光谱只是带宽很窄的一束光。通过测量反射光谱的光波长范围，经过转化即可得到被测量的测量参数。

4.2 构型设计

根据国内外具备竞争力的光纤光栅传感器生产企业提供的产品资料，目前市场上可提供的成熟、成型光纤光栅传感器包括应变计、温度计、位移计等等，可满足机载监控设备对于压力［3］、温度、位移在内的物理量的测量。除此之外，为了实现对于执行机构速度、位置参数的检测，需要自行设计对之配套类型的光纤光栅传感器，以便满足机载监控设备的设计需求。

图2 光纤光栅微应变传感器结构示意图

光纤光栅微应变传感器的结构示意图如图2所示，当圆柱形的压头受到自上而下的压力后，产生了沿着压力方向的位移，传感器内部承载压力的简支梁会发生弯曲形变，使得粘贴在简支梁底部的光纤光栅薄膜发生一定程度的拉伸，从而使经过光纤光栅的反射波的波长向着长波方向进行漂移。光纤光栅微应变传感器可构成实现位置参数检测的位置接近传感器，并可利用该类型传感器实现计数功能。

图3 计数传感器与位置接近传感器

在鼓轮机构中，将光纤光栅微应变传感器安装在鼓轮轴承盒顶部，并在鼓轮外侧安装与之位置匹配的挡块，从而构成计数传感器。当鼓轮每转动一周时，挡块就会触发传感器的压头一次，如图3所示。通过光纤光栅解调仪，可得到这种传感器反射波长的周期性变化情况，通过累计波长变化的峰值时间间隔和次数，就可以得知鼓轮的转动速度。这种通过应变来实现计数的光纤光栅传感器是根据压力信号峰值的出现次数来实现鼓轮轴的计数功能。

5 结语

本文根据机载监控设备传感器的应用需求，多角度分析了适用于甚低频强电磁环境下的器件应具备的工作特性和类型特点；提出了在机载监控设备上应用新型的光纤光栅传感器，该类型器件的应用能够从根源上解决强电磁干扰带来的检测传感器的电磁兼容问题。最后从光纤光栅传感器的工程应用角度着手，提出相应器件的外部构造形式并进行分析。

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Application and Analysis of Airborne Monitoring Equipment in VLF Strong Electromagnetic Environment

MAO Shanshan
（No.722 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430079）

In extremely low frequency and highly strong electromagnetic environments，the design of electromagnetic compatibility of airborne monitoring sensors is seriously affected by many factors.After analyzing the problem of sensor selection from the perspective of risks and environmental aspects，this paper selects the most suitable device type by taking using strategies and feasibility into account.Following this，the paper gives a detailed description of the principles of fiber grating sensor and proposes specific structure forms for each sensor according to the requirement of the airborne monitoring units to sensing devices.

VLF，airborne monitoring equipment，electromagnetic compatibility，fiber grating sensor

TN97

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.034

Class Number TN97

2017年5月14日，

2017年6月15日

毛姗姗，女，硕士，工程师，研究方向：舰船通信天线控制系统设计。