结构强度试验测控系统电磁兼容分析

文/米晓红

1　概述

近几十年来，电子科学技术方面取得巨大进步，为航空结构强度试验提供了强大的工具和手段。航空结构强度试验的规模也随之发展的需求不断扩大，整机试验及部件试验测量采集点和加载控制点常常多达上万。各种大规模测控设备的投入以及计算机系统及各种有线无线通讯设备的大量使用，在试验现场共同形成了极其复杂的电磁环境。因此对整个结构强度试验现场设备设计布局提出了更高的要求。因此，为满足试验任务的需要开展结构强度试验测控系统电磁兼容（EMC）问题的分析研究就尤显其重要性了。

2　电磁兼容

2.1　结构强度试验系统中电磁兼容

电磁兼容（EMC），通常包含两方面的内容：一方面是设备和系统的抗干扰能力（EMS），是指设备或系统在保证功能正常性能符合设计要求的情况下对电磁干扰可以容忍的程度。另一方面是设备或系统对其他设备或系统产生干扰的能力（EMI），主要是指设备或系统在运行状态下产生的电磁信号对周围其他设备产生不利影响的程度。

在航空结构强度试验系统中，大量高精度测量设备的使用，对系统EMS提出了更高的要求，整个系统的抗干扰水平在系统的稳定性和可靠性方面占据了重要的位置。虽然航空结构强度试验系统中也使用了一些开关器件、通讯网络等产生干扰的设备，实际应用之中其产生干扰的作用并不突出。由于电磁干扰传输的途径通常是可逆的，在测控系统设计和布置中提高抗干扰能力的大多数措施有效于降低系统自身产生的干扰信号对其他设备产生干扰。因此本文重点探讨测控系统的抗干扰问题。

表1：电缆分类

2.2　结构强度试验中电磁干扰的危害

在结构强度试验过程中，不同的电磁干扰造成的危害各不相同。雷击可能会摧毁试验设备；干扰信号进入测量系统前端与被测信号叠加会降低采集精度，严重时会使测量系统根本测不到有用信号；控制系统中浮动的地电位会使控制失灵、逻辑混乱；各种干扰可能使测控系统中各个部位中的CPU工作不稳定导致复位、死机；试验通讯网络被干扰会导致通讯速度降低、传送的数据和命令出错等等。这些危害严重时会导致试验件损坏造成重大损失。

3　电磁干扰信号的来源和传输方式

图1：干扰的来源

3.1　干扰的分类

干扰的种类繁多，从来源方面区分为外部干扰和内部干扰。外部干扰又可分为自然干扰和人为干扰。如图1所示。取决于信号的频率和介质特性以及干扰和被干扰设备的天线效应。

通过路传输的干扰：干扰源和被干扰设备之间存在电连接关系，干扰信号通过这种连接关系传输至被干扰设备产生干扰作用。这种电连接关系多数情况下是可以避免的，或者虽然连接关系不可避免但干扰的传输是能够阻断的。

结构强度试验系统中，干扰形成过程中的传输方式可能不止一种，路径也可能不止一条，这种多种传输方式加多种传输路径共同反复交叉作用的结果使得抑制电磁干扰必须多种措施同时采用才能取得比较好的效果。

外部干扰是指干扰信号来自测控系统外部，和测控系统本身无关。

内部干扰是指干扰信号来自测控系统内部，是系统内部设备、部件等相互之间的干扰。

自然干扰指干扰信号来自与自然界，大多为白噪声，有些为不规律的脉冲状，在时间上基本无规律。

人为干扰指干扰信号是人为产生的，信号来自于人工制造的各种设备，通常表现为一定的规律性，可能与方向有关，可能与位置有关，可能只存在于固定的某些频率上，也许和某些设备的工作状态有关等等。

区分干扰信号的来源是为了采取针对性的措施。但无论干扰的来源是自然还是人工，也无论是内部还是外部，干扰信号由干扰源到被干扰设备的传输方式都是相同的。

3.2　干扰的传输方式及特点

干扰信号的传输实质是能量的传输，电磁干扰通过场和路两种路径进行传输。前者称作辐射，后者谓之传导。

通过场传输的干扰：干扰源由于自身的天线效应把能量辐射到空间，空间交变电磁信号通过场的形式传输至被干扰设备，由被干扰设备的天线效应偶合作用于设备，干扰设备和被干扰设备之间通过介质进行能量传输。只有交变信号能够通过这种方式传输，传输的特性

4　预防电磁干扰的措施

电磁干扰一旦发生，问题排查非常复杂，解决起来十分困难。因此在测控系统建立时就采取措施预防电磁干扰问题的发生显得比发生后再解决更经济、更有效。在航空结构强度试验的测控系统的设计中,抗干扰需要把各种技术手段结合起来使用，所有这些方法其目的都是基于抑制干扰源、屏蔽干扰源和被干扰设备阻断干扰传输路径、通过滤波消耗干扰信号能量等。

4.1　对试验厂房接地基础及电力电源的要求

试验厂房的接地基础是整个试验系统抗电磁干扰的基础，决定了整个系统的电磁兼容水平，良好的接地基础为整个测控系统提供了零电位基准，有利于试验设备和试验件静电电荷的释放，有利于减小系统内部设备和外部设备之间、系统内部设备之间干扰信号通过地线相互偶合，同时在设备出现故障时也有利于保证设备安全和操作人员的人身安全。因此，试验厂房要按国家有关要求安装防雷击设施，安全接地系统需满足《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010的要求。还要建立独立的电磁兼容接地系统，为设备安装布线提供良好的接地基础。安全接地和电磁兼容接地要隔离成独立的两个接地系统，防止防雷接地不良使雷击引入电磁兼容接地系统使雷击发生时损坏试验设备。综合考虑EMC要求和结构强度试验设备现实，通常使用如图2所示的TN-C-S接地系统。

图2：TN-C-S接地系统

图3：设备多点星型接地

电力供电系统常见的干扰表现有：

（1）电压变化范围过大；

（2）波形失真（或称谐波Waveform Distortion）；

（3）突波（或称电涌Power Surges）；

（4）尖波（或高压尖脉冲Spikes）；

（5）瞬态过电压（transient overvoltage）和暂态过电压（temporary overvoltage）；

（6）电压下陷/下降（SagsBrownouts）；

（7）三相电压不平衡；

（8）杂讯干扰（或称噪声Noises）。

供电电源是电磁干扰信号的主要来源，且干扰信号的种类很多，把所有的治理措施全部采用显然不是个经济的办法。通常需要对供电电源进行一段时间的观察和测量，然后根据主要的干扰形式选用以下方法中的若干使用：

（1）串联电抗器；

（2）有源滤波补偿；

（3）无源滤波补偿；

（4）增加整流设备的相数；

（5）安装各种突波吸收保护装置等；

（6）电源稳压装置。

无源滤波补偿在实际应用中采用的最多、效果较好、价格较为经济的解决方案，具体采用串联滤波、并联滤波和低通滤波要根据电网干扰信号的强度和成分综合考虑后决定。

4.2　测控系统对布线的抗干扰要求

在结构强度试验测控系统中的电缆种类繁多，为方便电磁兼容设计把电缆分为表1所示的几类。

依照表1中电缆的分类，不同类型的电缆要遵循不同的布线原则，不同类型电缆之间在布线时有不同的约束。

（1）1类电缆产生的干扰最强烈，要尽量远离2、3类电缆。通常1类电缆要敷设在电缆沟内，沟上要有金属盖板；产生干扰严重的电缆要单独穿钢管敷设，钢管连接处要保证电连接可靠，钢管两端均须接屏蔽地。

（2）2类电缆产生的干扰成分最丰富，其本身也容易被其他干扰源干扰或互相干扰；这类电缆要使用带有屏蔽层的电缆，电缆需要接续时要使用带屏蔽的插接件进行连接，屏蔽层和插接件要可靠连接，电缆屏蔽层的两端均接屏蔽地。必要时敷设在金属屏蔽盒内，屏蔽盒两端接屏蔽地。在可能的情况下使用光纤通讯，在减少通讯线路电磁辐射的同时也提高了自身的抗干扰能力。

（3）3类电缆在结构强度试验中使用量大而且布置非常分散，这类电缆中的信号对电磁干扰最敏感，易受1、2类电缆内的信号干扰，因此要尽量远离1、2类电缆。3类电缆必须采用高等级的屏蔽电缆，并且要尽量短，同时电缆屏蔽层的两端要就近可靠接地，接地线也要尽可能的短。

（4）1、2、3类电缆要尽可能不要近距离平行敷设，需要交叉时应采用90°角交叉。

4.3　设备接地布置的抗干扰要求

通过地线形成干扰的机理很复杂，接地不良形成传导和辐射干扰均有可能。为达到较好的电磁兼容水平，结构强度试验系统不同设备和部件的接地方法及接地拓扑结构均不同。

4.3.1设备接地

考虑到系统使用设备多且布置分散，设备使用多点星型接地。设备的PE、N不能混接。如图3所示。

4.3.2屏蔽层接地

屏蔽接地的目的通常有静电屏蔽、电场屏蔽、磁场屏蔽等，因此就有不同的接地方式。根据接地的目的不同可选择不同的接地方式，通常有单点接地、两点接地、多点接地等。但是只有实现全程屏蔽，才能实现在整个信号链路中没有干扰可进入系统的地方，才能达到最好的屏蔽结果。

如图4所示为电缆屏蔽层单端接地。

使用屏蔽层单端接地时，电缆接地的另一端对地之间可能会有感应电压存在，电缆越长感应电压越高，但屏蔽层不会和“大地”之间形成环流。这种接地方式有一定的天线效应存在，适合电缆长度不是很长、试验现场电磁辐射干扰强度较弱的试验环境。

如图5所示为电缆屏蔽层双端接地。

使用屏蔽层双端接地时，电缆屏蔽层的两端不会产生感应电压，但由于金属屏蔽层和“大地”形成了环路，容易受干扰磁通影响产生屏蔽环流，如果在两个接地点的电势不相等，将形成很大的电势环流，环流会对电缆中传输的信号产生抵消衰减效果。采用双端接地几乎没有天线效应，对阻断辐射干扰十分有利。当电缆特别长干扰特别严重时，也可以考虑使用整条电缆多点接地。

实际应用中，试验现场信号采集和控制点位置千差万别，接地的处理方式要根据具体的现场情况来分析和选用。

图4：电缆单端接地

图5：电缆双端接地

4.4　电磁兼容维护

对于每一个具有一定年限的工业厂房，其初始的设计安装都会发生一定变化，当采用了新技术、更换了电力设备、升级了数据采集系统、更新了控制系统设备、发生故障后进行了修复、连接器损坏松动等，都可能使电磁兼容性发生变化。定期按照最初的设计要求进行电磁兼容维护对保证电磁兼容措施的可靠落实是十分必要的。主要有以下三方面的工作：

（1）电磁兼容记录：描述一年中系统使用状况，如电源质量、电磁场强度、电气连接性能、浪涌、设备故障等。

（2）电磁兼容指南：描述系统采取的电磁兼容技术、方法、措施及要求等。

（3）定期检查电磁兼容措施是否完好可靠。

5　结束语

电磁兼容问题十分复杂，需要技术人员具有较强的专业知识和丰富的实践经验，我们只有不断地学习和总结，才能够正确分析结构强度试验系统的电磁兼容性问题，进而掌握降低电磁干扰的有效途径，使结构强度试验更加稳定、可靠。