趙加鵬，龍希偉，宋春麗，李 芳，陳 寧，嚴(yán)奉軒

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(jì)

趙加鵬，龍希偉，宋春麗，李 芳，陳 寧，嚴(yán)奉軒

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(cè)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(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)艇員的正常生活和工作，甚至艦艇的作戰(zhàn)能力都會(huì)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(gè)方面對(duì)船用質(zhì)譜儀進(jìn)行電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(fù)雜的電磁環(huán)境下測(cè)量的準(zhǔn)確度、可靠性和穩(wěn)定性。

電磁兼容；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(fù)雜，電磁干擾問(wèn)題日益嚴(yán)重。所以，對(duì)于電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。否則，電子設(shè)備既無(wú)法保持自身的正常工作，也會(huì)使其他電子設(shè)備受到其電磁抗干擾而無(wú)法正常工作。同時(shí)，電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁環(huán)境會(huì)構(gòu)成電磁污染，容易對(duì)人體產(chǎn)生傷害，更為嚴(yán)重的可能泄露機(jī)要信息。

船用質(zhì)譜儀作為艦艇艙室氣體測(cè)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(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)艇員的正常生活和工作，甚至艦艇的作戰(zhàn)能力都會(huì)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(jì)方面對(duì)船用質(zhì)譜儀進(jìn)行的電磁兼容設(shè)計(jì)。

1 電磁兼容設(shè)計(jì)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(gè)方面的內(nèi)容[1]。電磁兼容設(shè)計(jì)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(duì)干擾的響應(yīng)。從而有效的最大限度降低設(shè)備對(duì)外的電磁干擾，降低設(shè)備對(duì)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(jì)方法有：優(yōu)化信號(hào)設(shè)計(jì)、完善線路設(shè)計(jì)、濾波、屏蔽、接地與搭接、合理布局等[1]。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(diǎn)針對(duì)屏蔽和線纜敷設(shè) 2 個(gè)方面對(duì)船用質(zhì)譜儀的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開論述。

2 船用質(zhì)譜儀的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 屏蔽設(shè)計(jì)

2.1.1 屏蔽設(shè)計(jì)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(duì)裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，對(duì)干擾源或感受器（敏感設(shè)備、電路或組件）進(jìn)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(jì)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(shí)質(zhì)是減小 2 個(gè)回路（或 2 個(gè)元件、組件）間電場(chǎng)感應(yīng)的影響。電屏蔽體利用良導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)率材料所具有的低磁阻特性起到磁分路作用，對(duì)低頻磁場(chǎng)進(jìn)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(yīng)有足夠的重疊。螺釘連接時(shí)，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(dá)到較高的屏蔽效果時(shí)，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(chǎng)在空間傳播的一種措施。通常通過(guò) 3 種不同機(jī)理進(jìn)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(fù)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(jì)

船用質(zhì)譜儀內(nèi)部包含電源、氣路、PLC 控制、質(zhì)譜分析、計(jì)算機(jī)以及紅外 CO 分析儀等功能單元。這些功能單元共同運(yùn)行在同一個(gè)機(jī)柜中，那么就要求這些功能單元在共同運(yùn)行過(guò)程中相互適應(yīng)。因而在船用質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽，來(lái)增強(qiáng)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(jī)柜材料選擇和形狀確定

在船用質(zhì)譜儀機(jī)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(wèn)題，不能偏重某一方面而忽視其他方面。

根據(jù)屏蔽設(shè)計(jì)原理，船用質(zhì)譜儀機(jī)柜應(yīng)使用高導(dǎo)電材料屏蔽電場(chǎng)，使用高導(dǎo)磁材料屏蔽磁場(chǎng)，使用電導(dǎo)率高的材料屏蔽電磁場(chǎng)[5–7]。船用質(zhì)譜儀機(jī)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(duì)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(jī)柜整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為機(jī)柜主體框架和 6 個(gè)可拆卸門板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式[8]。機(jī)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(jì)算機(jī)和水路、氣路接口的開孔，如圖 1 所示。

綜合考慮材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和電導(dǎo)率，以及盡量減少接縫的設(shè)計(jì)原則，機(jī)柜主體框架采用鋁合金鑄造成型，門板采用鋁合金板材機(jī)加工而成。機(jī)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(jì)為 20 mm。機(jī)柜主體框架和門板均要經(jīng)過(guò)導(dǎo)電氧化處理，防腐蝕的同時(shí)保證具有良好的導(dǎo)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(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。將各個(gè)功能單元分別封閉到不同的屏蔽盒中，形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的屏蔽模塊，各屏蔽模塊之間通過(guò)航插和屏蔽電纜進(jìn)行連接。機(jī)柜主體框架內(nèi)部相應(yīng)設(shè)計(jì)成分層結(jié)構(gòu)，方便各屏蔽模塊的安裝，如圖 2 所示。獨(dú)立的屏蔽模塊、屏蔽電纜和機(jī)柜形成了對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的雙層屏蔽，大幅提高了儀器的屏蔽效果。同時(shí)，屏蔽盒采用不銹鋼制作，可以彌補(bǔ)由鋁合金材料制成的機(jī)柜對(duì)低頻磁場(chǎng)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(jī)柜和獨(dú)立屏蔽盒對(duì)儀器進(jìn)行雙層屏蔽，那就需要分別對(duì)船用質(zhì)譜儀機(jī)柜和獨(dú)立屏蔽盒的接縫和開孔進(jìn)行屏蔽處理。

1）船用質(zhì)譜儀機(jī)柜接縫和開孔的屏蔽處理

船用質(zhì)譜儀機(jī)柜接縫包括：機(jī)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(zhǎng)度比較大，為提高屏蔽效果，在縮小螺釘間距的同時(shí)，在接縫處加裝彈性變形較大的屏蔽材料。同時(shí)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(shí)還起密封作用。

機(jī)柜主體框架開孔為安裝航插開孔，右前門開孔為安裝計(jì)算機(jī)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(dǎo)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(dǎo)電橡膠是將微細(xì)導(dǎo)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(dǎo)電性結(jié)合在一起，同時(shí)完成環(huán)境密封和電磁密封。

2）獨(dú)立屏蔽盒的接縫和開孔的屏蔽處理

獨(dú)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(dú)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(dǎo)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(jìn)行系統(tǒng)線纜敷設(shè)的設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)、模擬控制和解調(diào)器輸出信號(hào)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(jī)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(yǔ)

電磁兼容性是船用質(zhì)譜儀設(shè)計(jì)中不可忽略的問(wèn)題，直接影響到儀器測(cè)量的準(zhǔn)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(duì)船用質(zhì)譜儀進(jìn)行了電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)電磁兼容性試驗(yàn)檢驗(yàn)，船用質(zhì)譜儀的電磁兼容性的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)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(cè)試一次通過(guò)，證明該設(shè)計(jì)方法有效、可行。本次設(shè)計(jì)在從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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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)。