速度傳感器的電磁兼容優化設計研究

呂明珠

(1.遼寧裝備制造職業技術學院 自控學院，遼寧　沈陽　110161；2.遼寧廣播電視大學，遼寧　沈陽　110034)

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速度傳感器的電磁兼容優化設計研究

呂明珠1,2

(1.遼寧裝備制造職業技術學院 自控學院，遼寧沈陽110161；2.遼寧廣播電視大學，遼寧沈陽110034)

針對某型速度傳感器所面臨的電磁兼容問題進行了優化設計，提出了減小電磁干擾的具體措施，采用模擬退火優化算法預測了傳感器射頻能量分布的聚集點或畸變點，使設計方案更具合理性和可行性。以汽車用速度傳感器作為測試模型，進行了優化前后電場強度和磁場強度的仿真對比，并對優化后的產品按照GB/T17626.3(IEC61000-4-3)標準進行了射頻電磁場輻射抗擾度測試，測試結果符合速度傳感器電磁兼容通用技術條件的要求，說明所提出的電磁兼容設計可以進行推廣和應用。

速度傳感器；電磁兼容；模擬退火算法；優化設計

1　引言

傳感器作為“感知層”的重要支撐，在各種試驗條件下，尤其以電磁兼容性和環境適應性試驗為重，其感應信號以及數據傳輸在帶干擾的電磁環境以及惡劣安裝使用環境的準確性，已經成為傳感器檢測的重要環節。也就是說，各類傳感器輸入輸出的技術數據以及數據的傳輸情況才是真正有效評估傳感器合格性的重要內容。傳感器的電磁兼容性是指傳感器在電磁環境中的適應性，保持其固有性能、完成規定功能的能力[1]。

速度傳感器作為傳感器的重要分支，廣泛應用于汽車、火車、輪船等交通工具上，是保證整機穩定運行的重要控制元件之一。近年來，隨著速度傳感器朝著網絡化、智能化、小型化的方向發展，對其抗電磁騷擾的能力提出了更高的要求，因此，研究新型速度傳感器的電磁兼容優化設計問題具有長遠和重要的現實意義。

2　速度傳感器的電磁兼容測試標準

影響速度傳感器正常工作的靈敏性和準確性準要是外界騷擾源對傳感器本身的干擾，因此，在速度傳感器的電磁兼容測試中，重點進行的是射頻電磁場輻射抗擾度測試，目前普遍執行的標準是GB/T17626.3(IEC61000-4-3)。該試驗應在發射天線垂直極化和水平極化兩個方向分別進行。發射天線應對傳感器的四個面分別進行測試。當傳感器可以以不同的方向放置時，試驗面增加到六個。

速度傳感器的電磁兼容測試項的相關參數包括：

(1)測試項目：射頻電磁場輻射抗擾度測試；

(2)嚴酷度等級：3級，對應的干擾源強度為10V/m；

(3)頻率范圍：80～1000MHz；

(4)合格判斷依據[2]：測試中傳感器應在額定電壓下正常工作，且傳感器信號輸出變化不超過2%。

3　速度傳感器的電磁兼容設計思路

3.1元器件的選擇

這是傳感器能夠穩定可靠工作的首要因素，在設計時應謹慎選擇每一個元件[3]。

對于速度傳感器對嚴酷環境的要求，所有元件均應采用專用級。根據電路板的具體直徑，傳感器的電路設計建議采用表面貼裝的元件，且封裝尺寸不宜過小，以免造成元件過于密集，減少傳感器內部的干擾。

3.2濾波設計

濾波是在頻域上處理電磁噪聲的技術，為電磁噪聲提供一低阻抗的通路，以達到抑制電磁干擾的目的[4]。

可將速度傳感器的電源線和信號線分別采用LC低通濾波電路和RC低通濾波電路，并在之后并聯穩壓管和小容量電容，使輸出的電壓更加穩定。

3.3電磁屏蔽

屏蔽主要運用各種導電材料，制造成各種殼體并與大地連接(俗稱接地)，以切斷通過空間的靜電耦合、感應耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑[5]。

速度傳感器的機箱一般僅需要40dB左右的屏蔽效能，可采用在機箱上鍍鎳或銅的方法來實現屏蔽。

4　模擬退火優化算法

在速度傳感器的電磁兼容設計中需要解決的一個關鍵技術就是結構的最優化問題，選取有效的計算方法可以顯著減低產品的電磁發射水平、改善產品的性能指標、提高產品的工藝可行性。

由于電磁兼容涉及了電場強度(E場)和磁場強度(H場)的傳導耦合、感應耦合、輻射耦合，情況較為復雜，無法套用計算公式且收索空間很大，所以可以選用智能優化算法尋求最優解。

目前比較常用的智能優化算法有神經網絡算法、遺傳算法和模擬退火算法等。其中，神經網絡算法雖然具有很強的魯棒性和記憶能力，但當數據不充分時，就無法繼續進行[6]。遺傳算法雖然可以處理較復雜的非線性問題，但其計算量大、穩定性差[7]。而模擬退火算法具有描述簡單、運行效率高、較少受到初始條件約束等優點[8]，且不易陷入局部最優解，比較適合解決電磁兼容的最優化問題。

模擬退火算法尋優方法的具體步驟如圖1所示。

圖1　模擬退火尋優方法迭代框圖

5　速度傳感器的電磁兼容仿真結果分析

5.1測試模型的選取

汽車用速度傳感器主要負責檢測汽車的運行速度，是汽車上電子控制系統的重要組成部分，在工程實際中具有典型的代表作用。因此，本文選取該傳感器作為測試元件，考慮到電機轉速為固定值，不同應用場合的傳感器，監測轉速量級的差異性，特加裝變頻器來調整電機轉速，以期達到能夠滿足一定范圍內速度要求的試驗目的，如圖2所示。

圖2　速度傳感器測試模型

5.2優化前后測試結果對比

圖3和圖4為普通(結構優化前)汽車用速度傳感器的電場強度(E場)和磁場強度(H場)測試結果，根據輻射耦合原理，當交變電壓通過網絡導體產生交變電流時，產生電磁(EM)波，E場和H場互為正交同時傳播，由圖中可以看出，此時E場和H場的輻射范圍均較大，射頻能量高，很難滿足速度傳感器通用技術條件的整體誤差標準[10]。

圖3　優化前車速傳感器的電場強度分布情況

圖4　優化前車速傳感器的磁場強度分布情況

圖5　優化后車速傳感器的電場強度分布情況

圖6　優化后車速傳感器的磁場強度分布情況

圖5 和圖6分別為優化后汽車用速度傳感器的電場強度(E場)和磁場強度(H場)測試結果，通過與圖3和圖4的對比，不難發現，優化后的射頻電場和磁場的聚集點范圍明顯縮小，輻射強度大大削弱。遼寧出入境檢驗檢疫局對其進行了射頻電磁場輻射抗擾度測試，實際測試結果如表1所示，數據表明，優化后的產品能夠滿足速度傳感器電磁兼容設計的要求。

表1　優化后速度傳感器射頻電磁場輻射抗擾度試驗數據

6　結束語

速度傳感器作為交通運輸工具上常用的監測和控制元件，其電磁兼容問題尤為重要。針對某型速度傳感器提出了電磁兼容設計方案，并以模擬退火算法尋

求了結構設計上的最優解，為該方案提出了理論基礎，將改進前后的傳感器的E場和H場分布進行了仿真對比，并將改進后的傳感器送到遼寧出入境檢驗檢疫局進行GB/T17626.3(IEC61000-4-3)標準的電磁兼容測試。實驗結果表明該電磁兼容設計可以使輻射騷擾的強度顯著減弱，說明所提出的方案正確、有效，效果令人滿意。

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Research on Optimization Design of Electromagnetism Compatibility for Speed Sensor

LV Ming-zhu1,2

(1.Department of Automatic Control,Liaoning Equipment Manufacturing Professional Technology Institute,Shenyang 110161,China;2.Liaoning TV& Radio University,Shenyang 110034,China)

For the electromagnetic compatibility problem of an speed sensor,an EMC optimization design is conducted in this paper,and measures to reduce the electromagnetic interference are presented.The simulated annealing optimization algorithm is used to predict the accumulation point or the distortion point of radio frequency energy distribution for the sensor,which makes the optimization design method more reasonable and feasible.Take the vehicle speed sensor as the test mode,the simulation results of the electric field strength and the magnetic field strength before and after optimization are compared.The RF electromagnetic field radiated immunity test is conducted according to the GB/T17626.3(IEC61000-4-3)standards for the sensor after optimization,and the test results met the requirements of general technology for the electromagnetic compatibility of speed sensor.It shows that the proposed electromagnetic compatibility design can be extended and applied.

speed sensor;electromagnetic compatibility;simulated annealing algorithm;optimization design

1004-289X(2016)01-0014-04

學校應用性專項研究課題(2015YYYJ-4)

TP212

B

2015-12-02

呂明珠(1980-),女,遼寧沈陽人，研究生學歷,碩士學位，講師,主要從事電氣工程和自動控制領域的教學和研究。