车辆电磁场人体防护测试系统研究

赵延华 谢耀峰 王壮

摘要：国标GB/T 31730-2018是一本针对人体防护的车辆电磁兼容测试标准，规定了时域和频域两种评价方法，其中时域评价方法描述较为清晰，主流试验设备就能满足测试需求，而频域评价方法规定较为模糊，需要根据自身对标准理解搭建测试系统，不同参数的测试系统对试验结果产生影响也不同。据此，以一套车辆电磁场人体防护测试系统为例，分析系统各个参数，设计试验研究各参数不同设置对测试结果产生的影响，帮助读者更好地理解频域评价方式。

关键词：人体防护；车辆电磁场；频域评价

中图分类号：U472  收稿日期：2023-11-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.020

1 前言

目前国际上关于车辆电磁场人体防护测试方法的相关标准有JASO TP-13002：2013《汽车中人体曝露的电磁场测试方法》、IEC62764-1：2022《Measurement procedures of magnetic field levels generated by electronic and electrical equipment in the automotive environment with respect to human exposure—Part 1：Low-frequency magnetic fields》、GB/T 37130-2018《车辆电磁场相对于人体曝露的测量方法》。其中国标GB/T 37130-2018涵盖了车辆的所有状态，并且对车载电器设备的工作状态、车上测量点等进行了明确规定，可操作性高、实用性强，能够很好地指导企业进行产品研发[1]，在乘用车和商用车上都有很好地应用。

标准GB/T 37130-2018给出了时域和频域两种评价方法。一般在以ICNIRP导则作为测量参考限值标准时使用时域评价方法，该评价方法标准描述的较为详细，主流测试设备NARDA的ELT-400磁场曝露级别测试仪就能满足测试需求。频域评价方法通常在选定GB 8702-2014作为测量参考限值标准时采用，标准对其描述相对模糊，需要根据自己的理解来建立测试系统。对于频域评价方法测试系统建立，已经有较多的文献提出了自己的方法，但在测试系统的不同参数设置对试验结果影响方面研究较少，对此，笔者以一套车辆电磁场人体防护测试系统为例，分析系统各部分参数设置，设计试验研究不同设置下对频域评价测量结果影响。

2 车辆电磁场人体防护测试系统

2.1 测试系统组成

车辆电磁场人体防护测试系统（以下简称为测试系统）是由磁场测量探头、磁场测量主机、三线同轴线缆、示波器、网线、测试软件组成，连接方式如图1所示。其中各组成部分的生产单位及型号如下：磁场测量探头和主机为NARDA的ELT-400磁场曝露级别测试仪；示波器为Rohde&Schwarz的RTO 2024示波器；测试软件为Rohde&Schwarz的EMF测试软件。

2.2 测试系统工作原理

磁场测量探头和主机来接收数据，磁场探头中内置X-Y-Z三个相互正交的环形线圈，为各向同性，测试结果与探头的放置位置无关[2]，X、Y、Z三个环形线圈接收到数据通过三线同轴线缆传输到示波器，示波器将接收到的数据进行FFT转换后再做有效值计算并记录，记录的数据再通过网线传输给测试软件，由测试软件来生成测试结果频谱图。频域评价过程中，测试软件对每个频点测试结果与限值线做比较，全部频点测试结果都低于限值就表示频域评价合格。

3 测试系统参数设置分析

3.1 磁场曝露级别测试仪

ELT-400磁场曝露级别测试仪可调的参数有测量频率范围、检波器以及磁场测量范围，各参数可调选项见表1。其中测量频率范围中的30 Hz～400 kHz不能涵盖GB/T 37130-2018测量范围，该选择不予考虑。磁场测量范围中每个模式下都有LOW和HIGH两挡，80 mT模式背景噪声较高，通常采用320 μT模式进行测试。

3.2 示波器

3.2.1 输入通道

输入通道选择示波器的前三个通道，查看供应商提供的产品手册，输入通道的触发设置使用DC 1MΩ耦合。研究表明，当选择示波器的带宽10倍于被测信号的最高频率时，幅值测量误差很小，幅值达到最佳值[3]，GB/T 37130-2018测量范围为10 Hz～400 kHz，所以最低4 MHz的带宽就能使测试精度达到理想状态，设置更高的带宽会使幅度测量误差更小，但可能会产生更高的噪声。该测试系统中的示波器带宽有20 MHz、200 MHz、FULL（500 MHz）三种设置，均高于10倍的测量最高频率，带宽调整由测试软件进行控制。

3.2.2 采样

标准GB/T 37130-2018规定了频率分辨率最低要求（见表2），选择每频段规定的频率分辨率最大值，用下式计算各频段采样时间：

Δf = fs / N=1/t                               （1）

式中，Δf為频率分辨率；fs为采样率；N表为采样记录长度；t为采样时间。

可以得出各频段采样时间分别为1 s、200 ms、20 ms。选用该采样时间，取每频段频率最大值做采样率，这样设置符合标准要求，只是在采样过程可能会产生频率混淆，为使被测的原始信号能准确地还原，一般采样率取值为原始信号最高频率的2.5～10倍，按照这个取值方法可以算出各频段的采样率范围（见表3）。研究的测试系统的采样率、频率分辨率、采样时间见表4，可以看出采样率高于一般取值范围，采样时间高于前面提到的采样时间，这样采样点较多，频率分辨率较低。

3.2.3 FFT

示波器接收的信号通过快速傅里叶变换（FFT）转换为频域信号，为抑制频谱泄漏，需要加窗函数后进行检测分析，窗函数可以选用Hamming窗或者Hanning窗，其中Hamming窗的主瓣峰值较高，但是旁瓣衰减速率较小，抑制频谱泄漏的效果不如Hanning窗[4]，研究的测试系统采用是Hanning窗。对3个通道经过FFT转换后的结果进行平方求和再开方，可得到每个频点的测量电压值，计算公式如下：

[U=（FFT（x））2+（FFT（y））2+（FFT（z））2]       （2）

3.3 测试软件

示波器输出的电压值需要转换为场强值，前文中提到磁场曝露级别测试仪的磁场测量范围通常采用320 μT模式，模式有LOW和HIGH两个挡，查供应商提供的产品手册得到电压与场强关系公式如下：

sensitivity=0.8 V/overload limit               （3）

可以计算出在320 μT模式的LOW挡和HIGH挡下，sensitivity分别为0.025和0.0025，研究的测试系统在测試软件操作界面将该其表述为Probe Sensitivity（见图2），根据选择的测量范围档位填写对应的值。

4 试验及结果分析

4.1 试验系统搭建

使用磁场抗扰测试系统设备搭建研究试验平台（见图3），信号源输出200 Hz频率的正弦波信号，经过音频功放进行放大后通过辐射环天线输出，用ELT-400场强测试仪来监控辐射环天线输出，场强测试仪的探头中心对准辐射环天线中心，距离50 mm。调整信号源输出直到场强测试仪显示场强为10 μT，调整完毕后，各设备参数如下：信号源（Rohde&Schwarz HMF2525）为-30 dBm；音频功放（AE TECHRON 7224）为78%增益；辐射环天线（Schwarzbeck FESP 5132）。

4.2 试验表建立

研究的测试系统中可调参数有测量频率范围、检波器、磁场测量范围、示波器带宽和Probe Sensitivity，其中磁场测量范围选的档位和Probe Sensitivity存在数学关系，所以具有很强的对应性。用图3所示的试验布置，在320 μT模式下，使用磁场测量范围选的挡位和Probe Sensitivity不对应的设置，其测试结果如图4和图5所示，可以看出，实际测试过程中这两个参数设置错误会产生很大的数据偏离。

根据前文分析，除去示波器带宽有3个选项外，其余参数均有两个选项，这里用磁场测量范围来代表磁场测量范围和Probe Sensitivity，取示波器带宽中的最低值20 MHz和最高值FULL两个值来设计试验，可以满足正交表试验设计，表5为设计的正交表。

表5 正交表

[试验序号 测量频率范围，Hz 磁场测量范围 检波器 带宽，MHz 1 1 to 400 k LOW PEAK 20 2 1 to 400 k LOW PEAK FULL 3 1 to 400 k HIGH RMS 20 4 1 to 400 k HIGH RMS FULL 5 10 to 400 k LOW RMS 20 6 10 to 400 k LOW RMS FULL 7 10 to 400 k HIGH PEAK 20 8 10 to 400 k HIGH PEAK FULL ]

4.3 试验

依据4.2建立的正交试验表进行试验的测试结果如图6～图13所示。

4.4 结果分析

通过1、2、3、4组数据分别与5、6、7、8组数据对比，可以直观地看出测量频率范围和检波器设置对测试结果并没什么太大影响，数据差异微弱。场强测量范围方面不管是LOW挡或是HIGH挡，都可以准确地测量出200 Hz频点给定的10 μT场强，在背景噪声方面LOW挡更低，但其测量范围上限比HIGH挡低。通过1组与2组、5组与6组相比，在场强测量范围LOW挡、示波器带宽20 MHz时情况下，高频段的噪声更低一些。通过3组与4组、7组与8组相比，可以看出在场强测量范围HIGH挡、示波器带宽20 MHz时，频段3～10 kHz能接收到更丰富的骚扰，其他测试频段结果噪声更低一些。

通过上述分析可以得出结论，磁场曝露级别测试仪上的测量频率范围和检波器设置对测试结果无明显影响，场强测量范围、示波器带宽设置越高，测试系统的背景噪声越高，该结论与前文中测试系统参数设置分析的结果一致。

5 结语

通过分析车辆电磁场人体防护测试系统各组成部分的参数设置，设计试验来研究测试系统中不同参数设置对试验结果产生的影响，实际测试过程中要根据场景需求来对系统参数进行调整，对人体防护测试频域评价方法研究有一定的积极意义。

参考文献

[1]张旭，蒋莉，刘欣，等.解析GB/T 37130-2018[J].安全与电磁兼容，2019（2）：27-32.

[2]蔡淑蓉，高建龙，蒋莉.车辆电磁场人体防护测试系统设计与研究[J].中国汽车，2022（4）：46-51.

[3]郑元.数字示波器技术指标参数设置对信号波形的影响[J].课程教育研究，2015（10）：201-202.

[4]黄冬梅，唐志涛，张晋轩，等.基于FFT的电力谐波分析方法[J].电工技术，2022（20）：213-216.

作者简介：

赵延华，男，1990年生，工程师，研究方向为汽车电磁兼容、检测。

基金项目：中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司科研项目“车辆电磁场人体防护测试系统研究”（202301）