船用質(zhì)譜儀電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙加鵬，龍希偉，宋春麗，李 芳，陳 寧，嚴奉軒

(中國船舶重工集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

船用質(zhì)譜儀電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙加鵬，龍希偉，宋春麗，李 芳，陳 寧，嚴奉軒

(中國船舶重工集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

船用質(zhì)譜儀作為艦艇艙室氣體測量的主要設(shè)備，其電磁兼容性能的好壞直接關(guān)系到艦艇艙室環(huán)境檢測的準確性，對艇員的正常生活和工作，甚至艦艇的作戰(zhàn)能力都會產(chǎn)生很大的影響。本文依據(jù)電磁兼容的基本原理，從屏蔽和線纜敷設(shè) 2 個方面對船用質(zhì)譜儀進行電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計，使儀器滿足 GJB151B《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求》的相關(guān)規(guī)定，從而保證儀器在復雜的電磁環(huán)境下測量的準確度、可靠性和穩(wěn)定性。

電磁兼容；結(jié)構(gòu)設(shè)計；屏蔽；線纜敷設(shè)

0 引 言

隨著電子設(shè)備和系統(tǒng)在艦艇上的大量使用，艦艇的電磁環(huán)境日趨復雜，電磁干擾問題日益嚴重。所以，對于電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的要求越來越高。否則，電子設(shè)備既無法保持自身的正常工作，也會使其他電子設(shè)備受到其電磁抗干擾而無法正常工作。同時，電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁環(huán)境會構(gòu)成電磁污染，容易對人體產(chǎn)生傷害，更為嚴重的可能泄露機要信息。

船用質(zhì)譜儀作為艦艇艙室氣體測量的主要設(shè)備，其電磁兼容性能的好壞直接關(guān)系到艦艇艙室環(huán)境檢測的準確性，對艇員的正常生活和工作，甚至艦艇的作戰(zhàn)能力都會產(chǎn)生很大的影響。因此，船用質(zhì)譜儀必須滿足 GJB151B《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的相關(guān)規(guī)定。本文著重介紹從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面對船用質(zhì)譜儀進行的電磁兼容設(shè)計。

1 電磁兼容設(shè)計原理

設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容能力，可稱為“電磁兼容性”，包括電磁干擾、耦合路徑和電磁敏感度 3 個方面的內(nèi)容[1]。電磁兼容設(shè)計的原則是：分析電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備，采取有效的技術(shù)手段，抑制干擾源、消除或減弱干擾的耦合，降低敏感設(shè)備對干擾的響應。從而有效的最大限度降低設(shè)備對外的電磁干擾，降低設(shè)備對外界電磁干擾的敏感度，提高產(chǎn)品的電磁兼容性。

常見的電磁兼容設(shè)計方法有：優(yōu)化信號設(shè)計、完善線路設(shè)計、濾波、屏蔽、接地與搭接、合理布局等[1]。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，最主要的是考慮屏蔽、接地與搭接、合理布局等3方面的內(nèi)容。本文重點針對屏蔽和線纜敷設(shè) 2 個方面對船用質(zhì)譜儀的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計展開論述。

2 船用質(zhì)譜儀的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 屏蔽設(shè)計

2.1.1 屏蔽設(shè)計原理

屏蔽是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層，對干擾源或感受器（敏感設(shè)備、電路或組件）進行屏蔽，能有效地抑制干擾并提高電子系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容性，是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的重要措施之一[1–2]。

2.1.2 屏蔽的種類

根據(jù)其抑制功能不同，屏蔽可分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。

1）電屏蔽的實質(zhì)是減小 2 個回路（或 2 個元件、組件）間電場感應的影響。電屏蔽體利用良導體制成，既可阻止屏蔽體內(nèi)腔干擾源產(chǎn)生的電力線泄漏到外部去，也可阻止屏蔽體外的電力線進入到屏蔽體內(nèi)腔[1–6]。為獲得高屏蔽效能，要盡量縮小開孔面積和減少開孔數(shù)量。根據(jù)屏蔽效能的要求，可采用單層屏蔽、雙層屏蔽等多種結(jié)構(gòu)形式。

2）磁屏蔽主要是依賴高磁導率材料所具有的低磁阻特性起到磁分路作用，對低頻磁場進行屏蔽[1–7]。根據(jù)使用要求選擇合適的連接方式，在接縫處應有足夠的重疊。螺釘連接時，還要盡可能減小螺釘間距，并在接縫處加裝輔助屏蔽材料。若要求達到較高的屏蔽效果時，一般采用雙層或多層屏蔽。

3）電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻電磁場在空間傳播的一種措施。通常通過 3 種不同機理進行衰減：渦流引起的吸收損耗，屏蔽體表面反射引起的反射損耗，屏蔽體各表面多次反復反射引起的多重反射損耗。

2.1.3 船用質(zhì)譜儀的屏蔽設(shè)計

船用質(zhì)譜儀內(nèi)部包含電源、氣路、PLC 控制、質(zhì)譜分析、計算機以及紅外 CO 分析儀等功能單元。這些功能單元共同運行在同一個機柜中，那么就要求這些功能單元在共同運行過程中相互適應。因而在船用質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計中首先要考慮控制各功能單元的電磁輻射，保證各功能單元互不干擾和不干擾外部其他設(shè)備，其次也要保證各功能單元不受外界電磁輻射的干擾。

船用質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計從材料選擇、形狀、結(jié)構(gòu)形式以及接縫和開孔的屏蔽處理等方面充分考慮，進行電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽，來增強設(shè)備的抗電磁干擾能力，提高設(shè)備的電磁兼容性。

2.1.3.1 船用質(zhì)譜儀機柜材料選擇和形狀確定

在船用質(zhì)譜儀機柜材料的選擇和形狀確定上，要綜合考慮電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽三者的兼容問題，不能偏重某一方面而忽視其他方面。

根據(jù)屏蔽設(shè)計原理，船用質(zhì)譜儀機柜應使用高導電材料屏蔽電場，使用高導磁材料屏蔽磁場，使用電導率高的材料屏蔽電磁場[5–7]。船用質(zhì)譜儀機柜形狀要盡量減少接縫和開孔，接縫處理及開孔形狀、布置要符合屏蔽要求，以降低對屏蔽效果的影響。

根據(jù)安裝、使用和維修的需要，船用質(zhì)譜儀機柜整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為機柜主體框架和 6 個可拆卸門板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式[8]。機柜主體框架留有安裝氣路模塊、操作面板和航插的開孔，門板分別留有安裝計算機和水路、氣路接口的開孔，如圖 1 所示。

綜合考慮材料的導電性、導磁性和電導率，以及盡量減少接縫的設(shè)計原則，機柜主體框架采用鋁合金鑄造成型，門板采用鋁合金板材機加工而成。機柜主體框架和門板、氣路模塊以及操作面板的接縫寬度設(shè)計為 20 mm。機柜主體框架和門板均要經(jīng)過導電氧化處理，防腐蝕的同時保證具有良好的導電性。

2.1.3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式

為保證船用質(zhì)譜儀內(nèi)部各功能單元正常工作，不產(chǎn)生互相干擾，將內(nèi)部各功能單元進行模塊化設(shè)計。將各個功能單元分別封閉到不同的屏蔽盒中，形成一個個獨立的屏蔽模塊，各屏蔽模塊之間通過航插和屏蔽電纜進行連接。機柜主體框架內(nèi)部相應設(shè)計成分層結(jié)構(gòu)，方便各屏蔽模塊的安裝，如圖 2 所示。獨立的屏蔽模塊、屏蔽電纜和機柜形成了對電場、磁場和電磁場的雙層屏蔽，大幅提高了儀器的屏蔽效果。同時，屏蔽盒采用不銹鋼制作，可以彌補由鋁合金材料制成的機柜對低頻磁場屏蔽的不足。

2.1.3.3 接縫和開孔的屏蔽處理

船用質(zhì)譜儀采用機柜和獨立屏蔽盒對儀器進行雙層屏蔽，那就需要分別對船用質(zhì)譜儀機柜和獨立屏蔽盒的接縫和開孔進行屏蔽處理。

1）船用質(zhì)譜儀機柜接縫和開孔的屏蔽處理

船用質(zhì)譜儀機柜接縫包括：機柜主體框架和各門板、氣路模塊以及操控面板的接縫，接縫連接方式為螺釘連接?？紤]到接縫長度比較大，為提高屏蔽效果，在縮小螺釘間距的同時，在接縫處加裝彈性變形較大的屏蔽材料。同時考慮到儀器的水氣密性，選用泰派斯特公司的環(huán)境絲網(wǎng)組合襯墊，如圖 3 所示。選用的環(huán)境絲網(wǎng)組合襯墊由鍍錫磷青銅材料的編織金屬絲網(wǎng)條和硅橡膠結(jié)合而成，這種結(jié)合不僅提供電磁屏蔽，同時還起密封作用。

機柜主體框架開孔為安裝航插開孔，右前門開孔為安裝計算機開孔，左側(cè)門開有氣路、水路連接接口。由于開孔尺寸較小，故依據(jù)所安裝零部件的安裝尺寸定做銅鍍銀導電橡膠材料的屏蔽襯墊，如圖 4 所示，安裝于連接處，采用螺釘連接。銅鍍銀導電橡膠是將微細導電顆粒（銅鍍銀）按一定比例填充于硅橡膠的新型高分子材料，很好地將水氣密性能和高導電性結(jié)合在一起，同時完成環(huán)境密封和電磁密封。

2）獨立屏蔽盒的接縫和開孔的屏蔽處理

獨立屏蔽盒由不銹鋼焊接而成，除安裝操作面外，其余接縫均采用與本體材料相同的焊條滿焊焊接處理。安裝操作面接縫采用螺釘連接，接縫處加裝環(huán)境絲網(wǎng)組合襯墊。

獨立屏蔽盒的開孔為安裝航插開孔，采用螺釘連接，結(jié)合面加裝定制的銅鍍銀導電橡膠材料屏蔽襯墊。

2.2 線纜敷設(shè)

2.2.1 線纜敷設(shè)的要求

在進行系統(tǒng)線纜敷設(shè)的設(shè)計時，要保證敏感電路和感受電路之間的充分隔離。傳統(tǒng)的做法是把電線電纜按其端口功能，功率電平，電壓、電流容量和頻率進行分類編排，把可兼容的線纜歸在一組內(nèi)[1 - 2]。

2.2.2 船用質(zhì)譜儀線纜敷設(shè)

按其端口功能，船用質(zhì)譜儀電線電纜可分為以下4 類：1）220 V 交流電源線路；2）5 V，12 V，24 V直流電源線路；3）控制線路，包括連接繼電器和含有開關(guān)及其他斷續(xù)工作器件的線路；4）敏感線路，包括數(shù)字數(shù)據(jù)、模擬控制和解調(diào)器輸出信號的線路。

所有線纜均采用屏蔽線，并按上述分類方法捆扎成束，固定于儀器機柜主體框架上的走線槽內(nèi)，各類線束之間間距不小于 150 mm。

3 結(jié) 語

電磁兼容性是船用質(zhì)譜儀設(shè)計中不可忽略的問題，直接影響到儀器測量的準確度、可靠性和穩(wěn)定性。本文從屏蔽和線纜敷設(shè)等方面考慮，對船用質(zhì)譜儀進行了電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)電磁兼容性試驗檢驗，船用質(zhì)譜儀的電磁兼容性的各項指標均達到了GJB151B《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求》的相關(guān)規(guī)定，電磁兼容性測試一次通過，證明該設(shè)計方法有效、可行。本次設(shè)計在從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提高儀器電磁兼容性能做了一次有益的嘗試，也為今后相關(guān)方向的設(shè)計提供了寶貴經(jīng)驗。

[1]邱成悌, 趙惇殳, 將全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M]. 南京: 東南大學出版社, 2001.

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The structure design of the electromagnetic compatibility of marine mass spectrometer

ZHAO Jia-peng, LONG Xi-wei, SONG Chun-li, LI Fang, CHEN Ning, YAN Feng-xuan
(The 718 Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

Marine mass spectrometer as the main equipment of warship cabin gas measurement. The electromagnetic compatibility is directly related to the accuracy of warship cabin environment detection. The crew’s normal life and work, even the warship combat capability will have a great impact. In this paper, based on the basic principles of electromagnetic compatibility. The structure design of the electromagnetic compatibility of marine mass spectrometer is carried out from two aspects, such as shielding and cable laying. To enable the instrument to meet the relevant provisions of GJB151B,In order to ensure the accuracy, reliability and stability of instrument in the complex electromagnetic environment.

electromagnetic compatibility；structure design；shielding；cable laying

TH122

A

1672–7619(2017)05–0129–03

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.025

2016–10–13；

2016–11–21

趙加鵬(1981–)，男，碩士，工程師，主要從事分析儀器研發(fā)。