电磁兼容扫描平台探头及固定架改造_俞勇祥.pdf

试验与测试测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2022 09 13基金项目:国家自然科学基金项目(51577171)引用格式:俞勇祥，马皓 电磁兼容扫描平台探头及固定架改造 J 测控技术，2023，42(2):31 36YU Y X，MA H Optimization of EMC Scanner Probe and Fixing Frames J Measurement Control Technology，2023，42(2):31 36电磁兼容扫描平台探头及固定架改造俞勇祥，马皓(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州310027)摘要:提出了一种基于现有电磁兼容扫描平台的设备改造方案以解决在实际使用中出现的问题。增加了一组水平测试探头，使得探头可以在垂直或水平平面上测试，同时扩大了被测件内部可测纵深，满足更大体积的被测物件的检测。并搭建了对比平台，验证了增设的水平测试探头的测量精确度。同时，在X 轴两端增加两个新型冲孔固定支架，可固定各种大小不同的被测物件，通用性固定架为测试时被测件的固定方式提供了多样化的选择。经仿真，选取对空间磁场影响最小的材质来制作固定架。特殊设计的连接件可以有效利用原扫描平台滑轨进行固定架的移动及固定。改造后的平台扩大了被测件的测试范围及其使用灵活性，同时提高了大型设备的利用率。关键词:电磁兼容;探头改造;固定架中图分类号:TP206;TM937 3文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0031 06doi:10 19708/j ckjs 2023 02 006Optimization of EMC Scanner Probe and Fixing FramesYU Yong-xiang，MA Hao(College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)Abstract:A device optimization plan based on the existing electromagnetic compatibility(EMC)scanning plat-form is proposed to solve the problems in actual use A horizontal scanning probe which can enable the EMCscanner scanning on horizontal plans has been added，and the measurable depth in test objects are expanded tomeet the scanning requirements of larger volume test objects A comparison platform is built to verify the scan-ning accuracy of the horizontal scanning probe At the same time，two new-type punching fixing frames are add-ed at both ends of the X-axis The fixing frames which can fix various sizes of test objects provides a variety ofoptions for the fixing methods of the tested objects during scanning The material of the fixing frames is selectedby simulation to have the least impact on space magnetic field The specially designed connectors can effective-ly use the slide rail of the original scanning platform to move and fix the fixing frames The reformed platformexpands the test range and flexibility of test objects，and at the same time increases the utilization rate of large-scale equipmentKey words:EMC;probe modification;fixing frame一款成熟的电子产品，除了需要实现产品本身的功能设计，还需要考虑其电场、磁场和热分布等方面的特性。电场设计可以通过合理的安全距离和有效的绝缘手段来控制，热分布可以通过初期的热阻和损耗估算来控制，但电磁辐射的产生与电路的工作频率、功率、拓扑、线路布局甚至是材料都息息相关，在设计初期难以估算，且其出现的位置具有广泛性，除了常见的变压器、电机等磁性元件1 外，电磁辐射有时也会出13现在线缆2、散热器等部位。电磁辐射的出现对生物3 以及各种用电设备都存在一定的危害，随着电子设备的增多，电磁辐射在各行业引发的危险也日益显著。例如与医疗健康相关的植入式心脏起搏器4 和彩超诊断设备5、与定位和通信相关的 5G 基站6 和北斗卫星上行信道7、与交通相关的船舶8 和汽车9 10 等，都有可能会受到电磁辐射的干扰而出现工作异常。因此，进行电磁兼容(Electro Magnetic Compati-bility，EMC)研究具有重大意义11，其目的是查找电磁辐射源、降低电磁辐射、增强设备抗干扰性，使各种用电设备能够在一定的条件下实现共存，各自工作而不互相干扰。作为电磁兼容的一个重要分支，电磁兼容测试是查找电磁辐射源、评估电磁干扰等级的一种有效手段12 13。利用电磁兼容扫描平台(EMC Scanner)，可以对小到单个电子元器件、电路板，大到设备整机进行周边磁场精确测量，通过正常工作状态下被测设备周边电磁场信号的强弱来反映其对周围电子设备干扰的强弱，能够快速定位电磁辐射来源，是电器产品设计和研发过程中非常重要的设备仪器。本文改造的电磁兼容扫描平台如图 1 所示，该平台是从瑞典引进的大型贵重仪器设备。该设备自投入运行以来，虽情况良好，但在实际使用中还存在一些问题，例如探头进行设备内部辐射扫描时，只能沿 Z 轴伸长，最大的测量面积和设备内部探测深度有限;没有用于固定被测物件的支架，在每次进行测试时，只能进行临时的固定，造成固定位置的不精确甚至出现被测设备被探头推倒的情况，会直接影响测试效果。由于这些问题的存在，使得电磁兼容扫描平台的正常使用受到了很大的制约。针对市场上电磁兼容被测件的测量尺寸、深度、方向等方面开展了调研，在原有设备的基础上增加了一组水平测量探头，多组探头之间切换快捷、结构牢固、角度精确。通过软件参数匹配，改造后的探头测量速度快且精准。同时增设了一对通用性固定架，采用可移动轨道方式，可在任意位置固定被测件，极大地提高了设备灵活性。图 1电磁兼容扫描平台原探头及机构1EMC 扫描平台改进方案1 1测量范围及灵活性优化从图 1 可以看出，传统 EMC 扫描平台的测试探头沿 Z 轴(空间垂直轴)放置，测试时探头会在 XY 轴平面进行移动扫描。若被测件由多块电路板平行组装而成，当精确查找被测件内部 EMC 辐射源时，需要探入被测件内部电路板之间进行扫描。但是很多这类被测设备都有金属外壳，探头只能通过拆除前置面板后探入，所以需要将设备翻转让前置面板朝上。这样一来，往往在设备背面的散热风扇就会被测试平台挡住，从而影响设备运行。且 EMC 扫描平台的 Z 轴测试范围内最大移动距离为 20 cm，对被测设备的纵深限制较大。为了提高 EMC 扫描平台的测试范围和测试适应性，在原有 EMC 扫描平台的基础上增加了一组与扫描平台 XY 轴平面平行的探头，具体结构如图 2 所示，使之不仅可以沿 Z 轴伸入设备进行扫描，同时也可以沿X 轴或 Y 轴进行被测件内部扫描，且最大测量纵深限制由原来的 20 cm 扩大至 60 cm。图 2与扫描台面平行的探头结构示意图现有的 EMC 扫描平台所附带的配件都经过专门的阻抗匹配和软件参数调整匹配，确保了测量结果的精确度。为了在保证测量精度的前提下达到改造目的，探头的改造不能破坏现有设备配件的屏蔽层以免引入测量误差，应以最小的改动实现探头转向。同时为了便于 EMC 扫描平台在探头垂直和水平测量模式之间快捷切换，本文基于 BNC 直角转接口进行探头改造，而转接头带来的系统软件参数匹配以及测量精度影响将会在第 2 节详细分析。1 2被测件固定方案优化(1)固定架材料特性分析。根据材料的电磁特性，多数材料存在于磁场中时会对磁场的分布造成一定的影响。利用 EMC 扫描平台测试了被测件固定在磁芯、钢板、铝板、环氧板等常见材料上时的电磁场分布情况，可以发现当固定材料为钢板、铝板等金属材料以及磁芯等高磁导率材料时，23测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期一旦被测件辐射源靠近固定架，则其周边的磁场强度会存在一定程度的变化，且磁场分布也随之改变。本文以圆环线圈为辐射源，利用 ANSYS 3D 有限元仿真软件对辐射源周边放置不同材料时的空间磁场强度进行了仿真，如图 3 所示。图 3圆环线圈辐射源在不同材质附近时空间磁场强度分布图当圆环线圈周边无遮挡物时，即辐射源周边仅为空气或真空状态，其空间磁场强度分布呈对称结构;当圆环线圈附近有高电导率的金属材料(如铝等)时，则会在铝板上产生感应涡流，且铝板本身会对电磁场进行反射和折射，最终表现为铝板对磁场具有屏蔽效果;当圆环线圈附近放置软磁铁氧体等高磁导率材料时，则会因高磁导率材料提供的低磁阻磁通路径而改变磁场传播方向。对多种材料进行磁场影响测试和强度检验后，最终选定环氧板作为固定架的制作材料，该材料具有高电阻率和高磁阻率，对磁场不存在干扰，同时具备耐高温性和高强度特性。将辐射源放置在环氧板上的空间磁场特性与辐射源周边为空气时一致，如图3(a)所示。(2)固定夹具结构设计。使用 EMC 扫描平台时多数被测件为成品电路板，一般会设计螺丝孔，便于组装时用螺丝固定到机箱内部，所以固定架可以采取开孔设计将环氧板改造成冲孔环氧板。进行 EMC 扫描时可以根据电路板上的螺丝孔位置选取固定架上对应的冲孔，并用绝缘塑料螺柱进行固定。一些不规则形状的被测件也可以采用塑料螺柱作为支撑杆的方式进行固定。对于一些单一的小型元件，测量时可以用塑料扎带进行固定。通过对冲孔板孔洞大小和间距进行调研可知，选择30 mm 的间距以便于不同被测件的固定，从而提高了系统适应性和便捷性。确定固定架材质和被测件固定方式后，需要对固定架与扫描平台连接进行连接件结构设计，在确保固定架稳固且具有一定的固定强度基础上提高固定架的可移动性和位置精确度。为了增强固定架的位置灵活性，固定架被增设在了 EMC 扫描平台上移动范围最大的 X 轴方向的两端，如图 4 中的 A、B 件所示。图 4EMC 扫描平台两端增加固定被测物件的通用性固定架 A、B2EMC 扫描平台具体改造2 1探头改造EMC 扫描平台原有探头如图 5(a)所示，由于其33电磁兼容扫描平台探头及固定架改造本身的机械结构特性，原有探头比较适合测试被测物体的表面磁场强度。若是需要测量图 5(b)所示的设备内部磁场辐射源，则需要将设备倒置，将探头从 Z轴伸入设备内部。但如前所述，由于设备存在风道设计、最大纵向深度等问题，部分被测件(如带机箱被测件)工作时要求设备只能平放，工作时不允许倒置，会给 EMC 扫描带来难度。图 6(a)为改造后的探头结构，在探头接口处增加了一个直角转换接头，使探头可以在水平方向上延展，所以可以在水平范围内深入到被测件内部进行测量，同样的多层结构被测件就不需要倒置进