一种医用核酸检测仪的电快速瞬变脉冲群抗扰度研究

厦门市产品质量监督检验院 刘春华

厦门市产品质量监督检验院 刘春华

随着生命科学的发展，核酸检测仪作为一种新型仪器被广泛应用于快速检测蛋白、核酸和肽等生物大分子物质，具有准确、快速、便捷等优点。已被广泛应用于生物医疗中病毒分子检测、药物研究等，医疗单位或生物科研机构通过核酸检测仪对具有紫外吸收的样品做定性、定量分析，如新冠肺炎病毒快速检测等。

图1 核酸检测仪示意图

核酸检测仪主要由光源系统、单色器系统、样品室、检测器、数据处理和显示系统组成。如图1所示，为某一核酸检测仪示意图，可以把整个设备分为四个单元，分别是电源单元、样品提取单元、样品分析单元、显示单元。作为一种光谱分析类仪器，其分析结果的准确度和精确度直接决定着仪器的使用的可靠性。在我们的现代化生活中，由于各类电子电气设备的存在，每个设备都会受到来自外部的电磁干扰，如：设备开关操作和短路故障引起的瞬态脉冲；高电压、大电流导线或者设备附近的强电磁环境；大自然雷击；静电放电；谐波以及来自其他电子设备的工作信号和噪声等。核酸检测仪作为一种敏感检测设备，愈发容易受到外部电磁环境的干扰而影响到最终检测结果。因此，其电磁抗干扰（EMS）性能更加受到设备开发者重视。

电磁抗干扰性能测试中的电快速瞬变脉冲群（ETF/B-electrical fast transient/burst）是此类设备开发设计的一个难点。本文以一种典型的核酸检测仪为例，分析EFT对其影响，并提出相应的整改措施。

1 EFT/B试验目的及测试方法

电快速脉冲群一般是由于切换感性负载或者继电器触点弹跳而产生的。感性负载在接通或者断开的瞬间，开关处可能产生连续的瞬态脉冲骚扰。随着感性负载多次重复通断，能够连续多次重复重复出现。这种的骚扰主要特性是上升时间快，持续时间短，能量低，但重复频率较高。由于其能量较低，一般不会引起设备损坏，但是其骚扰的频谱分布较宽，对设备电路路中的半导体结电容单向连续充电，积累到一定程度就容易引起电路错误，从而导致设备误动作、测试误差偏大、功能失效等异常。电快速脉冲群试验的目的就是为了评估被测设备的电源端口、信号、控制和接地端口受这种干扰时的性能并确定一个共同的能再现的评定依据。

医用电气设备电磁兼容行业标准YY0505-2012中的EFT试验要求核酸检测仪设备和系统在交流和直流电源线的抗扰度试验电平为±2000V，信号电缆和互联电缆抗扰度试验电平为±1000V，在试验中设备和系统不能出现性能下降或功能异常。另外，电磁兼容基础标准GB/T 17626.4定义了EFT试验波形、试验等级、试验设置以及试验结果的评判，并提出了EFT/B抗扰度试验的等级要求。

2 核酸检测仪EFT/B试验失败分析

核酸蛋白检测仪在进行电快速瞬变脉冲群测试时其干扰主要是以共模方式作用于被测设备的电源端口、通信端口，由此进入被测设备系统的数字电路内部，对装置的正常运行造成影响。被测设备在施加干扰过程中常出现以下问题：运行程序出错、显示屏闪烁、显示错误、采样值不稳等。如某一品牌核酸蛋白综合检测仪在接受试验时出现如下异常：

（1）对电源端口施加±2000V的EFT/B干扰，设备液晶显示出错，出现乱码，设备核酸提取步骤错误，核酸数据分析异常。

（2）对通信端口（4824通信端口连接电脑）施加±1000V的EFT/B干扰，设备提取功能工作正常，但与电脑端通信错误，核酸数据分析异常。

由于EFT单个脉冲能量较小，一般不会导致设备在试验后损坏。但它是持续一段时间的单极性脉冲串，被测设备中的半导体结电容会得到充电，积累到一定程度是就可能超过设备中的其他芯片的抗扰度电平，这时就可能出现以上异常。如图2所示，从EFT干扰的途径分析，主要有如下几种途径导致设备异常：

（1）EFT干扰通过耦合单元进入被测样品的电源线或者控制信号线，脉冲能量沿着线缆进入到核酸检测仪的提取控制电路面板和分析控制面板，进而影响核酸检测仪显示系统的正常工作，最终导致设备出现异常。

（2）由于EFT干扰脉冲含有较多的高频成分，当对被测样品线缆上的干扰在传导过程中同时会向空间辐射。核酸综合检测仪内部布线较为复杂，这些线缆容易接收来自空间辐射的脉冲能量，进而传导到内部电路板的结电容，当能量积累到一定程度就可能使得核酸检测仪的内部电路出现错误指令，最终使得设备工作异常。

（3）当EFT干扰沿着线缆进入设备内部以后，直接通过空间辐射被内部电路接收，比如可能直接影响核酸检测仪的光源系统、单色器系统的正常工作，导致设备分析出的数据出现较大的偏差。

以上分析从EFT传导的途径上进行拆解分析了可能存在的路径，在设备测试的过程中往往是这几种途径综合产生的结果。

图2 EFT传输环路示意图

3 核酸检测仪通过EFT/B试验的对策

针对设备EFT试验出现的异常分别给出如下几点改进对策：

（1）根据EFT的测试机理，可以发现这种干扰属于对大地的共模注入方式，因此对直接传导的干扰应该以共模抑制为主。在电源入口端可先采用对地的脉冲吸收器来吸收大部分脉冲能量，再配合使用吸收式共模滤波器效果更佳。需要注意滤波器的金属外壳与金属机箱或者设备底部的金属板接触良好。

（2）针对空间辐射部分的脉冲能量，除了在进口端进行滤波外，还需对敏感电路的导线进行屏蔽，必要时采用屏蔽导线。

（3）对于线缆进入设备内部以后形成的辐射干扰，一方面应对设备内部的敏感部分做好隔绝措施，另一方面内部的线路走向应该引起重视，比如电源线与信号线不应捆绑一起，否则容易形成共模干扰。

一款新产品的开发，应该在产品的设计研制阶段就应该考虑到电磁兼容的要求，进行电磁兼容性能考核，这样最终定型的产品才更容易通过标准规定的要求。在产品结构设计方面应注意如下几个方面：

①如把设备整体外壳设计成金属制品，相较于非金属制品，金属外壳更容易隔离EFT干扰的空间辐射，能够有效保护内部电路。同时，金属机箱与大地之间能够形成较大的杂散电容，能够为EFT共模电路提供比较固定的通路。

②把设备整体外壳设计成非金属制品，这样相对金属制品成本更低廉。但耦合进设备的EFT干扰只能通过内部电路与大地之间形成较小的杂散电容，被测样品对地就会产生较大的EFT干扰电压。这时就应该在整个机箱底部加一块金属板以增加设备对地的杂散电容。

③合理布局。对外部干扰较为敏感的光源系统、单色器系统、显示系统等应远离电源模件和电流互感器或者电压互感器模件。若机箱体积小，可用金属板将它们屏蔽隔离。滤波器应安装在金属外壳或者底部金属板上，接触应良好，且离电源输入口要尽量近。另外选择输入、输出线分两端的适配电源效果更好。

结束语：新冠肺炎以来，各类核酸类病毒检测仪需求快速增长，同时在设备稳定性方面有更严峻的挑战。各地区对产品的EMC标准要求基本也都包含EFT抗扰度测试这个项目。其本身结构决定了这类产品对EFT干扰较为敏感，因此产品在EFT测试时较易出现异常。企业在对产品设计的阶段就应该根据EFT干扰的特点，采取相应的抑制措施，这样才能更加高效的节省产品开发成本。