医用电气设备电磁兼容设计中屏蔽方法研究

王晓东　李峰

【摘 要】随着科学技术突飞猛进的发展，越来越多的医用电气设备应用于对患者的监护和诊断治疗中。本文主要研究了医用电气设备的电磁兼容设计中关于屏蔽的一些常用方法，文中详细介绍了电场屏蔽，磁场屏蔽，电磁场屏蔽的原理以及解决屏蔽体孔缝问题的常用方法。通过研究希望能够对实际应用起到一定的指导和参考作用。

【关键词】电磁兼容 屏蔽 孔缝

【Abstract】With the rapid development of science and technology， more and more medical electrical equipment is applied to the monitoring and diagnosis of patients.This paper mainly studied the mommonly used shielding methed in electromagnetic compatibility design of medical electrical equipment. In this paper， the principle of electric field shielding， magnetic field shielding， electromagnetic shielding and the commonly used method to solve the problem of aperture were introduced in detail. By studying， the research result was expected to play a guiding and reference role in practical application.

【Key words】Electromagnetic Compatibility；Shield；Aperture；

1 引言

当前各种电气设备应用于同一空间势必就会引起电磁干扰的问题，一方面电气设备本身会向外辐射各种电磁干扰信号，同时其也会遭受空间干扰信号的干扰。电磁兼容设计的目的就是消除或减弱设备本身的电磁干扰同时提高其抗干扰能力，保证良好的电磁兼容性。屏蔽，滤波和接地是电气设备电磁兼容设计的三种基本技术，本文主要针对医用设备电磁兼容设计中屏蔽方法进行研究。

2 屏蔽的分类

屏蔽通常意义是指利用屏蔽体阻断或者减小空间电磁能量传播的方法，是抑制电磁发射和防护电磁骚扰的重要手段。屏蔽技术根据其机理可以分为电场屏蔽，磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

2.1 电场屏蔽

电场屏蔽的实质就是消除或抑制干扰源和被干扰电路或系统的电耦合，电场屏蔽又可以分为静电场屏蔽和交变电场的屏蔽。

（1）静电屏蔽。静电场中处于静电平衡状态的导体是一等位体，电荷均分布于导体表面，其内部没有静电荷电场为零。所以若导体为空腔导体，则导体内部腔体没有电场，故可以起到隔绝外部静电场的作用。若腔体内部置有带电体，静电平衡时会在腔体内表面产生感应电荷，同时外表面也会有等量异号电荷，故而对外产生干扰。为了有效解决这一问题，可以将腔体外表面接地处理，使外表面电荷流入大地，从而消除其对外的影响。由此可见，实现静电屏蔽的两个主要条件：一是有完整的屏蔽体；二是屏蔽体接地良好。（2）交变电场屏蔽。在交变电场中导体之间的电场感应主要是通过耦合电容产生的，要减小这种互相之间的干扰的前提就是减小耦合电容。

如图1所示，假设A点为干扰源，B为被干扰对象，A和B的对地电位分别为UA和UB，则有：

式（1）中C1为A、B之间的分布电容；C2为被干扰对象的对地分布电容。所以由（1）式可见要想减弱被干扰对象B的电场感应，一方面可以通过减小A、B间的分布电容C1实现，另一方面可以通过增大B的对地电容C2。如图2所示，现在A、B之间插入屏蔽板，则A、B分别与屏蔽板之间形成新的分布电容C3和 C4，由于屏蔽板时接地的，所以此时电容C2 和C4是并列关系，C3对B不会产生影响，所以B点的感应电压为：

由式（1）和式（2）对比可见C2 与C4之和会远大于C2，同时也小于C1，所以可得在B点的感应电压大大的减小了，达到了屏蔽的目的。

2.2 磁场屏蔽

磁场干扰对医用电气系统的影响是非常严重的，尤其对于电子显微镜，生物脑电波扫描仪，核磁共振成像系统等对磁场比较敏感的设备。磁场屏蔽的主要目的就是减弱恒定或者交变磁场与被干扰对象之间的磁耦合。实际工程应用中主要通过两种方式，一种是利用高导磁材料进行磁场屏蔽，一种是利用导电材料产生反向磁场来实现磁场屏蔽。

如图3所示利用高导磁材料进行磁场屏蔽主要是利用了高导磁材料的低磁阻特性，将外部骚扰磁场进行分路，使被屏蔽体包围的区域磁场大大减弱即H1H0，以此达到消除磁场干扰的目的。但是利用高导磁材料进行屏蔽在应用过程中也有其局限性，一是超导材料的磁导率会随着频率的增加，磁导率会相应的下降；二是导磁材料本身具有饱和性，当外部磁场强度达到一定程度时，磁导率会下降；因此在应用中一定要考虑实际工作频率和外部骚扰磁场的强度。

当外部骚扰磁场频率较高时可以考虑采用导电材料作为屏蔽体。如图4所示，在高频磁场的作用下，导体表面会产生感应涡流，尤其如铜铝类的良导体，感应涡流较大，而涡流产生的磁场正好外部磁场方向相反，可抵消外部磁场，所以能够实现屏蔽的效果。涡流因为集肤效应只在导体表面流动，所以采用导电材料屏蔽时，不需要屏蔽体太厚，只需要很薄的一层金属即可达到屏蔽的效果。

2.3 电磁场屏蔽

电磁场屏蔽顾名思义就是利用屏蔽体阻止电磁场的空间传播，电磁波在穿越屏蔽体时会伴随着反射和吸收，实现电磁波能量的衰减。

如图5所示，当电磁波传播至屏蔽体时，由于空气和屏蔽体的特性阻抗不同，所以电磁波在分界面会发生发射，致使进入屏蔽体的电磁波能量减弱，这种因为反射而造成入射电磁波能量衰减的情况即为反射衰减。反射衰减的大小主要取决于屏蔽体的特性阻抗和电磁波频率，屏蔽体特性阻抗和空气相差越大反射越大，电磁波频率越低反射越强。当然进入屏蔽体的电磁波在穿出屏蔽体时同样要发生反射，而且此反射波会在空气和屏蔽体界面发生多次反射。电磁波在传输过程中除了发生反射衰减外进入屏蔽体后会产生感应涡流削弱了电磁场，进一步使电磁波能量得到衰减，这种能量衰减方式称为吸收衰减。吸收衰减主要受电磁波频率和屏蔽体厚度的影响，频率越高，厚度越大，吸收衰减越大。

3 屏蔽体的设计

屏蔽体在实际中应用比较广泛，如屏蔽室、设备机箱外壳、屏蔽线缆等。不同的设备特点，不同的工作环境，对屏蔽的要求是不同的，但是设计的总体原则和处理技巧是统一的。

3.1 屏蔽的设计原则

（1）明确屏蔽保护对象。如果屏蔽对象为外部电磁骚扰，则需了解所处环境可能造成干扰的电磁强度以及敏感电路的承受能力；如果屏蔽对象对内部电磁场，则需估计可能产生的电磁强度以及外部环境对电磁辐射的限值要求。如此即可确定屏蔽体所要达到的屏蔽效能。（2）选择屏蔽方式。由前面所述的屏蔽原理可知针对电场，磁场，电磁场的屏蔽方法是不同的。电场屏蔽中屏蔽体只需是良导体即可，对屏蔽体厚度无要求。磁场屏蔽中，若在低频情况下则屏蔽体需采用高导磁材料同时要满足一定的厚度；若再高频情况下则需采用一定厚度的良导体作为屏蔽体。电磁场屏蔽中屏蔽体需采用良导体，屏蔽体的厚度取决于电磁波的频率和强度。（3）屏蔽体的结构设计。实际应用中的屏蔽体会根据设备不同的功能需要，在屏蔽体上必须有孔缝和电缆穿透等，并不是理想中的完整连续结构 ，所以需要采取一定的技术手段既保证设备功能的实现又不至于降低屏蔽体的屏蔽效果。

3.2 屏蔽设计中常用的处理方法

屏蔽体结构设计中影响其完整性主要有两方面：一是由于电缆线的出入引起的穿透；二是为了通风、开箱以及窥视等留下的孔缝。电缆的穿透引起的屏蔽性能降低可以通过滤波方法解决，本文主要介绍对孔缝的常见处理方法。

（1）缝隙的存在造成屏蔽体在结构上不连续不完整，势必会引起辐射泄漏，是导致屏蔽体屏蔽效能下降的主要因素之一。实际应用中通常会通过减小缝隙长度，增加缝隙的深度，在结合面使用电磁衬垫和增加紧固连接等手段解决缝隙问题。接缝处尽量采用连续焊接，如果实际情况不允许，也应当采用电焊、小间距铆接或者螺钉连接，铆钉间距应小于最高工作频率波长的1/20；若接缝不平整或者是可移动面板则需采用金属丝网、导电布、导电橡胶等衬垫进行电磁密封处理。（2）医用电气设备的外壳很多都会有显示窗，其中诸如发光二极管类的小显示器件一般不会产生严重的电磁泄漏。但是对于尺寸较大的显示窗就会引起明显的电磁泄漏，通常通过两种方法处理：一种是显示窗采用导电玻璃，透明聚酯膜等透明屏蔽材料；另一种是如果显示器本身不产生电磁辐射，则用隔离舱把内部电路和显示器隔离开，这样既不影响视觉效果又能有较高的屏蔽效能。（3）如果设备发热量较大就必须进行通风处理，这就要求在需要通风的部位设置通风窗，但是这就破坏了屏蔽体的完整性。这种情况一般会采用防尘屏蔽通风板进行电磁防护，如果EMC要求比较高也可采用截止波导通风板。（4）设备外壳经常会有操作杆或者控制轴，这也要求在外壳上开孔，这也会破坏屏蔽体的完整性。同样可以在轴与外壳之间使用圆柱形截止波导管或者隔舱解决问题，同时要是控制轴为金属器件则会成为潜在的电磁干扰的发射或接受天线，所以采用非金属轴为宜。

4 结语

本文主要对医用电器设备在电路设计中为防止电磁干扰而进行的屏蔽方式进行了系统的研究，文中系统的介绍了针对电场，磁场，电磁场的屏蔽原理以及常见的孔缝问题处理方法。文中研究内容对电磁兼容设计中的屏蔽设计具有一定的参考和指导意义。

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作者简介：王晓东（1984—），男，陕西西安人，研究生，毕业于燕山大学信息学院，工程师，研究方向：医疗器械检测。