2.4GHz微功率無線MEMS傳感器基本安全性能要求

北京必創科技股份有限公司,北京100085

關鍵字：MEMS傳感器；微功率；安全性能

一、背景

目前，國內尚無對無線微功率電子產品安全性能測試標準，筆者在研究國內外相關電子產品安全性能、無線射頻技術、電池安全性能、電磁兼容技術等標準基礎上，結合無線電子產品CE認證測試、防爆認證測試等實踐基礎上，對2.4GHz微功率無線MEMS傳感器安全性能要求做了詳盡的闡述，鑒于文章篇幅的限制，本文沒對具體測試方法給出詳細的論述，但可依據文中相關測試標準進行。

本文論述了無線MEMS傳感器基本安全性能要求，適用于微功率（短距離）無線MEMS傳感器，不適用于大功率無線設備，是無線MEMS傳感器安全性能的必要條件，可做為無線傳感器質量性能的充分條件使用，亦可用于2.4GHz微功率（短距離）無線電其他設備。

二、適用的傳感器定義和結構

1、2.4GHz微功率無線MEMS傳感器

采用IEEE 802.15.4標準通訊技術，使用一次性電池、可充電電池供電，內部集成MEMS敏感元件或具備低電壓或低電流模擬信號采集接口或數字信號采集接口外接MEMS敏感元件，能感知被測設備物理或化學特性的設備。

2、無線傳感器節點特征

本類設備是指工作于（2400～2483.5）MHz 頻段，除數字無繩電話、藍牙設備和無線局域網設備以外的其它短距離無線電設備。

3、無線MEMS傳感器基本結構

無線MEMS傳感器有MEMS敏感元件、數據處理單元、射頻單元及電池管理單元組成。基本結構如圖1所示。

三、射頻性能要求[1-5]

1、全向發射功率：對于無線通訊技術采用FHSS和DSSS等跳頻或擴頻技術，其全向發射功率≤100mW；其他調制技術，其全向發射功率≤10mW；

2、最大功率譜密度：≤10mW/MHz；

3、載頻容限：±75kHz；

4、占用帶寬（功率能量99%）：≤2MHz；

5、頻率范圍：峰值下30dB的帶寬邊沿必須處于2400MHz～2483.5MHz之間；

6、發射機雜散輻射要求滿足表1；

7、接受機雜散輻射限值滿足表2。

表1 發射機雜散輻射限值

表2 接收機雜散輻射

四、EMC性能要求[6～8]

1、輻射連續騷擾測試

1GHz以下限值要求：無線傳感器節點測試距離10m處，1GHz以下輻射騷擾限值滿足表3。

1GHz以上限值要求：無線傳感器節點測試距離3m處，1GHz以上輻射騷擾限值滿足表4。

表3 無線傳感器節點測試距離10m處的輻射騷擾限值

表4 無線傳感器節點測試距離3m處的輻射騷擾限值

2、輻射騷擾抗擾度

試驗等級：無線傳感器節點按表5試驗等級進行測試。

輻射騷擾抗擾度要求：用1kHz的正弦波對未調制的載波信號進行80%的幅度調制后，在預定的80MHz～1GHz，1.4GHz～2.7GHz頻率范圍內對設備前、后、左、右進行橫向、豎向掃頻試驗。最后給出測試滿足要求的試驗等級。

表5 輻射騷擾抗擾度試驗等級

3、靜電放電抗擾度

試驗等級：無線傳感器節點按表6試驗等級進行測試。

靜電放電抗擾度要求：選擇合適的試驗等級進行接觸和非接觸靜電放電試驗。試驗方法見GB/T17626.3，給出試驗通過的等級。

表6 靜電放電抗擾度試驗等級

五、防護外殼要求[9,10]

外殼防護：無線傳感器節點外殼依據其產品技術規范，按GB4208-2008相關試驗條件做防護等級測試；

外殼防爆性能：對于使用于存在爆炸性環境的危險場所，其外殼材質、熱穩定性、耐光性、絕緣電阻、阻燃性、結構等按GB3836相關試驗要求進行測試，符合防爆產品防護外殼要求。

六、發熱要求[11]

要求無線傳感器節點防止：可觸及零部件超過某一規定的溫度；元器件、零部件、絕緣和塑料材料超過可能會減低設備預期壽命的正常使用期間的電氣、機械或其他性能的溫度；電路出現火花，電路燃燒的溫度。

1、溫升要求

無線傳感器節點正常工作時，對其可能產生熱量的元器件、零部件、材料等進行溫升測試，符合GB4943-2001中第4.5.1要求。

2、阻燃要求

電路出現火花，電路及最小元器件均不出現點燃。

3、表面溫度要求

在正常和故障狀態下，所有元件、導線等最高表面溫度不超過135℃。（注：特殊要求，依據無線傳感器節點技術規范）

4、耐異常熱要求

（1）無線傳感器帶危險電壓零部件的熱塑性塑料件應耐異常熱；

（2）使該塑料件按照IEC60695-10-2承受球壓試驗來檢驗其是否合格。如果根據對材料物理特新的檢查已清楚表明該材料能滿足本試驗的要求，則本試驗不必進行；

（3）試驗應在加熱箱內進行，試驗溫度要比在進行本節第1條“溫升要求”中所涉及的溫升試驗時所測得的該塑料件的最高溫升高40±2K。但是，支撐一次電路零部件的熱塑料件應在至少為125℃ 的溫度下進行試驗。

七、機械性能要求

1、設備應具有足夠的機械強度，而且其結構應能經受在預期使用時可能遇到操作和搬運的考驗；

2、設備的結構應能防止諸如螺絲釘無意間的松動而使危險帶電零部件與可觸及導電零部件，或者與可觸及導電零部件導電連接的零部件之間的絕緣發生短路；

3、外殼無尖銳的邊緣。

八、電源性能要求[12]

1、過流保護功能

當負載之間放電電流達到過流保護電流并且電流維持時間達到過流保護延時時間時，保護電路動作，切斷放電回路，實現過流保護功能，只要斷開下負載就可以恢復放電。

2、短路保護

當負載短路時，保護電路立即動作，切斷放電回路，實現短路保護。

3、電池

（1）電池和電池組短路電流限制在1.2A以下，即使短路，電池或電池組不會發生爆炸、泄露、著火；

（2）對于鋰離子電池和電池組，除滿足（1）項要求，還應滿足GB31241相關要求。

注：對于特殊電池和電池組短路電流限值及其他類型電池，按產品技術規格書要求。

九、安全標記[13]

1、安全標記要求

（1）有關安全的標記，應在無線傳感器節點整個壽命期間保持字跡清晰、易于辨認；

（2）用浸水、浸酒精、浸汽油的布分別擦拭標記，應保持字跡清晰、易于辨認；

（3）當暴露于陽光時，標記不能因褪色而難于辨認；

（4）標記的文字應采用漢字。為避免語言問題使用符號時，應采用GB9159附錄B規定的符號；

（5）為保證安全而專門設置的開關和隔離器，應有明顯的標記，以防與其他開關混淆。標記符合（4）的要求；

（6）用于防止有害輻射并在維修期間可拆卸的部件，應標以適當的警告標記。

2、警告標記要求

（1）警告標記清晰可見，如果警告標識針對某一特定部分，標識應放置在此部件或附近；

（2）符號應該至少2.75mm高，文字至少1.5mm高，且與背景有顏色對比區分；

（3）符號或文字若模印或刻在材料上則至少2.0mm，如果與背景沒有顏色對比，應至少有應至少有0.5mm深的槽或凸起高度。

十、結語

鑒于國內尚無針對無線微功率MEMS傳感器安全性能的專門測試標準，本文以工程實踐為基礎的原則，結合無線微功率MEMS傳感器在工程機械、石油化工等多領域的實際應用要求以及對無線微功率MEMS傳感器的CE認證、防爆認證、無線電設備型號核準認證及型式檢驗等多種測試要求，綜合提出針對無線微功率MEMS傳感器安全性能的測試要求。

本文測試對象為2.4GHz微功率無線傳感器，旨在研究制定我國無線微功率傳感器安全性能要求的國家標準，對2.4GHz微功率無線傳感器安全性能進行通用規定，是傳感器網絡專業的產品標準，對于推進無線傳感器網絡的標準化程度有重要意義。