廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院 劉春華

廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院 劉春華

隨著生命科學(xué)的發(fā)展，核酸檢測儀作為一種新型儀器被廣泛應(yīng)用于快速檢測蛋白、核酸和肽等生物大分子物質(zhì)，具有準(zhǔn)確、快速、便捷等優(yōu)點。已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療中病毒分子檢測、藥物研究等，醫(yī)療單位或生物科研機構(gòu)通過核酸檢測儀對具有紫外吸收的樣品做定性、定量分析，如新冠肺炎病毒快速檢測等。

圖1 核酸檢測儀示意圖

核酸檢測儀主要由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、樣品室、檢測器、數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)組成。如圖1所示，為某一核酸檢測儀示意圖，可以把整個設(shè)備分為四個單元，分別是電源單元、樣品提取單元、樣品分析單元、顯示單元。作為一種光譜分析類儀器，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度直接決定著儀器的使用的可靠性。在我們的現(xiàn)代化生活中，由于各類電子電氣設(shè)備的存在，每個設(shè)備都會受到來自外部的電磁干擾，如：設(shè)備開關(guān)操作和短路故障引起的瞬態(tài)脈沖；高電壓、大電流導(dǎo)線或者設(shè)備附近的強電磁環(huán)境；大自然雷擊；靜電放電；諧波以及來自其他電子設(shè)備的工作信號和噪聲等。核酸檢測儀作為一種敏感檢測設(shè)備，愈發(fā)容易受到外部電磁環(huán)境的干擾而影響到最終檢測結(jié)果。因此，其電磁抗干擾（EMS）性能更加受到設(shè)備開發(fā)者重視。

電磁抗干擾性能測試中的電快速瞬變脈沖群（ETF/B-electrical fast transient/burst）是此類設(shè)備開發(fā)設(shè)計的一個難點。本文以一種典型的核酸檢測儀為例，分析EFT對其影響，并提出相應(yīng)的整改措施。

1 EFT/B試驗?zāi)康募皽y試方法

電快速脈沖群一般是由于切換感性負(fù)載或者繼電器觸點彈跳而產(chǎn)生的。感性負(fù)載在接通或者斷開的瞬間，開關(guān)處可能產(chǎn)生連續(xù)的瞬態(tài)脈沖騷擾。隨著感性負(fù)載多次重復(fù)通斷，能夠連續(xù)多次重復(fù)重復(fù)出現(xiàn)。這種的騷擾主要特性是上升時間快，持續(xù)時間短，能量低，但重復(fù)頻率較高。由于其能量較低，一般不會引起設(shè)備損壞，但是其騷擾的頻譜分布較寬，對設(shè)備電路路中的半導(dǎo)體結(jié)電容單向連續(xù)充電，積累到一定程度就容易引起電路錯誤，從而導(dǎo)致設(shè)備誤動作、測試誤差偏大、功能失效等異常。電快速脈沖群試驗的目的就是為了評估被測設(shè)備的電源端口、信號、控制和接地端口受這種干擾時的性能并確定一個共同的能再現(xiàn)的評定依據(jù)。

醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0505-2012中的EFT試驗要求核酸檢測儀設(shè)備和系統(tǒng)在交流和直流電源線的抗擾度試驗電平為±2000V，信號電纜和互聯(lián)電纜抗擾度試驗電平為±1000V，在試驗中設(shè)備和系統(tǒng)不能出現(xiàn)性能下降或功能異常。另外，電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.4定義了EFT試驗波形、試驗等級、試驗設(shè)置以及試驗結(jié)果的評判，并提出了EFT/B抗擾度試驗的等級要求。

2 核酸檢測儀EFT/B試驗失敗分析

核酸蛋白檢測儀在進行電快速瞬變脈沖群測試時其干擾主要是以共模方式作用于被測設(shè)備的電源端口、通信端口，由此進入被測設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)字電路內(nèi)部，對裝置的正常運行造成影響。被測設(shè)備在施加干擾過程中常出現(xiàn)以下問題：運行程序出錯、顯示屏閃爍、顯示錯誤、采樣值不穩(wěn)等。如某一品牌核酸蛋白綜合檢測儀在接受試驗時出現(xiàn)如下異常：

（1）對電源端口施加±2000V的EFT/B干擾，設(shè)備液晶顯示出錯，出現(xiàn)亂碼，設(shè)備核酸提取步驟錯誤，核酸數(shù)據(jù)分析異常。

（2）對通信端口（4824通信端口連接電腦）施加±1000V的EFT/B干擾，設(shè)備提取功能工作正常，但與電腦端通信錯誤，核酸數(shù)據(jù)分析異常。

由于EFT單個脈沖能量較小，一般不會導(dǎo)致設(shè)備在試驗后損壞。但它是持續(xù)一段時間的單極性脈沖串，被測設(shè)備中的半導(dǎo)體結(jié)電容會得到充電，積累到一定程度是就可能超過設(shè)備中的其他芯片的抗擾度電平，這時就可能出現(xiàn)以上異常。如圖2所示，從EFT干擾的途徑分析，主要有如下幾種途徑導(dǎo)致設(shè)備異常：

（1）EFT干擾通過耦合單元進入被測樣品的電源線或者控制信號線，脈沖能量沿著線纜進入到核酸檢測儀的提取控制電路面板和分析控制面板，進而影響核酸檢測儀顯示系統(tǒng)的正常工作，最終導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常。

（2）由于EFT干擾脈沖含有較多的高頻成分，當(dāng)對被測樣品線纜上的干擾在傳導(dǎo)過程中同時會向空間輻射。核酸綜合檢測儀內(nèi)部布線較為復(fù)雜，這些線纜容易接收來自空間輻射的脈沖能量，進而傳導(dǎo)到內(nèi)部電路板的結(jié)電容，當(dāng)能量積累到一定程度就可能使得核酸檢測儀的內(nèi)部電路出現(xiàn)錯誤指令，最終使得設(shè)備工作異常。

（3）當(dāng)EFT干擾沿著線纜進入設(shè)備內(nèi)部以后，直接通過空間輻射被內(nèi)部電路接收，比如可能直接影響核酸檢測儀的光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)的正常工作，導(dǎo)致設(shè)備分析出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差。

以上分析從EFT傳導(dǎo)的途徑上進行拆解分析了可能存在的路徑，在設(shè)備測試的過程中往往是這幾種途徑綜合產(chǎn)生的結(jié)果。

圖2 EFT傳輸環(huán)路示意圖

3 核酸檢測儀通過EFT/B試驗的對策

針對設(shè)備EFT試驗出現(xiàn)的異常分別給出如下幾點改進對策：

（1）根據(jù)EFT的測試機理，可以發(fā)現(xiàn)這種干擾屬于對大地的共模注入方式，因此對直接傳導(dǎo)的干擾應(yīng)該以共模抑制為主。在電源入口端可先采用對地的脈沖吸收器來吸收大部分脈沖能量，再配合使用吸收式共模濾波器效果更佳。需要注意濾波器的金屬外殼與金屬機箱或者設(shè)備底部的金屬板接觸良好。

（2）針對空間輻射部分的脈沖能量，除了在進口端進行濾波外，還需對敏感電路的導(dǎo)線進行屏蔽，必要時采用屏蔽導(dǎo)線。

（3）對于線纜進入設(shè)備內(nèi)部以后形成的輻射干擾，一方面應(yīng)對設(shè)備內(nèi)部的敏感部分做好隔絕措施，另一方面內(nèi)部的線路走向應(yīng)該引起重視，比如電源線與信號線不應(yīng)捆綁一起，否則容易形成共模干擾。

一款新產(chǎn)品的開發(fā)，應(yīng)該在產(chǎn)品的設(shè)計研制階段就應(yīng)該考慮到電磁兼容的要求，進行電磁兼容性能考核，這樣最終定型的產(chǎn)品才更容易通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)注意如下幾個方面：

①如把設(shè)備整體外殼設(shè)計成金屬制品，相較于非金屬制品，金屬外殼更容易隔離EFT干擾的空間輻射，能夠有效保護內(nèi)部電路。同時，金屬機箱與大地之間能夠形成較大的雜散電容，能夠為EFT共模電路提供比較固定的通路。

②把設(shè)備整體外殼設(shè)計成非金屬制品，這樣相對金屬制品成本更低廉。但耦合進設(shè)備的EFT干擾只能通過內(nèi)部電路與大地之間形成較小的雜散電容，被測樣品對地就會產(chǎn)生較大的EFT干擾電壓。這時就應(yīng)該在整個機箱底部加一塊金屬板以增加設(shè)備對地的雜散電容。

③合理布局。對外部干擾較為敏感的光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等應(yīng)遠(yuǎn)離電源模件和電流互感器或者電壓互感器模件。若機箱體積小，可用金屬板將它們屏蔽隔離。濾波器應(yīng)安裝在金屬外殼或者底部金屬板上，接觸應(yīng)良好，且離電源輸入口要盡量近。另外選擇輸入、輸出線分兩端的適配電源效果更好。

結(jié)束語：新冠肺炎以來，各類核酸類病毒檢測儀需求快速增長，同時在設(shè)備穩(wěn)定性方面有更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。各地區(qū)對產(chǎn)品的EMC標(biāo)準(zhǔn)要求基本也都包含EFT抗擾度測試這個項目。其本身結(jié)構(gòu)決定了這類產(chǎn)品對EFT干擾較為敏感，因此產(chǎn)品在EFT測試時較易出現(xiàn)異常。企業(yè)在對產(chǎn)品設(shè)計的階段就應(yīng)該根據(jù)EFT干擾的特點，采取相應(yīng)的抑制措施，這樣才能更加高效的節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本。