傳感器EMC的重要性與研究進展*

劉桂雄 朱海兵 洪曉斌

（華南理工大學機械與汽車工程學院）

傳感器EMC的重要性與研究進展*

劉桂雄 朱海兵 洪曉斌

（華南理工大學機械與汽車工程學院）

針對現代信息技術對傳感器穩定性、靈敏性及精確度要求日益提高，以及日益復雜電磁環境下傳感器面臨的電磁兼容性問題，論述傳感器電磁兼容性內涵及特點，指出目前開展傳感器電磁兼容性研究工作重要性，從傳感器電磁抗干擾技術、PCB電磁兼容技術及傳感器電磁兼容預估技術三個方面介紹國內外傳感器電磁兼容性研究進展，最后對傳感器電磁兼容性研究提出一些建議。

傳感器；電磁兼容性；電磁抗干擾；電磁兼容預估

1 引言

傳感技術、通信技術和計算機技術是現代信息技術的三大支柱。傳感器是信息技術的前端，其性能和質量直接決定了信息系統的功能和質量。隨著城市人口不斷增長，科學技術不斷發展，各類電子電氣設備大量進入社會，傳感器外部工作電磁環境日益復雜[1-2]。同時，隨著半導體技術與集成技術的不斷發展，傳感器封裝尺寸越來越小，電路結構日益復雜，電子器件日益密集，工作頻率范圍越來越寬，傳感器內部電磁干擾日益顯著[3]。因此，開展傳感器電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）研究，提高傳感器在復雜電磁環境下工作的穩定性、靈敏性及精度已引起國內外學者的廣泛關注。本文通過分析傳感器電磁兼容性的內涵及特點，從傳感器電磁抗干擾技術、PCB電磁兼容性設計技術以及傳感器電磁兼容預估技術三個方面介紹國內外傳感器電磁兼容性研究進展，探討傳感器電磁兼容性設計方法，期望引起對傳感器電磁兼容性研究的重視。

2 傳感器電磁兼容性及研究意義

電磁兼容性EMC是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受電磁騷擾的能力[4]。傳感器電磁兼容性是指傳感器在電磁環境中的適應性，保持其固有性能、完成規定功能的能力。它包含兩個方面要求：一方面要求傳感器在正常運行過程中對所在環境產生電磁干擾不能超過一定限值；另一方面要求傳感器對所在環境中存在電磁干擾具有一定程度抗擾度。電磁兼容性作為傳感器性能指標，正受到越來越多重視。如TC65制定了IEC61000-4《工業過程測量和控制的電磁兼容性》標準，汽車用電子傳感器執行ISO11452系列汽車零部件電磁兼容測試標準等。

傳感器電磁兼容性問題具有一般電子設備的共性，電磁干擾行為產生需具備干擾源、耦合途徑及敏感源等電磁兼容三要素，如圖1所示。只要將這三個要素中的一個消除或抑制，電磁干擾問題就會隨之消除或抑制。因此，電磁兼容性研究也是圍繞三要素展開的，通過研究每個要素特點，提出消除或抑制每個要素方法，從而解決電子電氣設備或系統電磁兼容性問題。

圖1 電磁兼容三要素

就電磁敏感度（electromagnetic susceptibility, EMS）而言，兩方面原因使得傳感器EMS問題非常突出。首先，傳感器相比于通信系統或電力系統，尺寸較小、門限電壓較小，是低電平電子設備。數字電路邏輯元件有一定閥電平和與之相對應干擾容限，因而它不會響應低于容限的干擾，但對于其所受到高于容限的干擾卻沒有恢復功能。脈沖數字電路易受外界脈沖影響，同時也會向外界產生干擾脈沖；傳感器處理一般為較微弱信號，在復雜電磁環境下，外界極小電磁干擾都有可能給輸出結果帶來很大誤差，甚至錯誤結果。

就電磁干擾（electromagnetic interference, EMI）而言，傳統傳感器由于工作頻率較低，電路結構較簡單，電磁干擾問題不是特別明顯，但隨著半導體與集成技術不斷發展，傳感器EMI問題也不容忽視。數字計算技術、無線通信技術一直推動著半導體技術以摩爾定律[5]持續發展，高速高頻已成為電子設備發展必然趨勢。傳感器功能越來越多，電路結構也愈加復雜。

電磁干擾按頻段劃分如表1所示。從干擾途徑來分，0～300KHz并存著傳導干擾和交變電磁場引起的近場感應干擾；射頻和微波干擾都是遠場的輻射干擾。當設備、導線的長度比波長短時，主要問題是傳導干擾；當它們的尺寸比波長長時，主要問題是輻射干擾。傳感器通常為諧波干擾、傳導干擾及射頻干擾，但隨著電子設備向高速高頻發展，微波干擾也對傳感器產生影響，如Mica2、CC2430等無線通信傳感器。

表1 電磁干擾按頻段劃分

傳感器外界干擾主要來源是工頻電源干擾、靜電干擾及雷電脈沖干擾等，內部干擾源主要為電源電路、脈沖數字電路、開關電路及信號調理電路和地線干擾等。

3 國內外傳感器電磁兼容性研究進展

下面從傳感器電磁抗干擾技術、PCB電磁兼容性優化設計技術和傳感器電磁兼容性預估三方面，介紹國內外傳感器EMC研究進展。

3.1 傳感器電磁抗干擾技術

屏蔽是提高傳感器電磁兼容性重要措施之一，它既可阻止或減少傳感器內部輻射電磁能對外傳輸，又可阻止或減少外部輻射電磁能對傳感器干擾。傳感器常用含孔縫金屬屏蔽體屏蔽外界干擾，屏蔽體屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）直接影響傳感器抵抗外界電磁干擾能力。電磁屏蔽由Bell實驗室Schelkunoff于1936年在“A Theory of Shielding ”中首次提出，并于1938年在“ The Impedance Concept and its Application to Problems of Reflection, Refraction, Shielding and Power Absorption ”第一次系統論述電磁屏蔽概念及應用。早期研究主要集中在不同屏蔽體屏蔽效能數學模型，以及含孔縫屏蔽體內電磁產分布情況。文獻[6]、文獻[7]給出了遠場、近電場及近磁場條件下單層金屬平板、帶孔陣金屬平板以及多層金屬屏蔽體三種典型屏蔽體的屏蔽效能。圖2單層為金屬板屏蔽示意圖，設R、A、B分別為邊界反射損耗能量、吸收能量、多次反射損耗能量；K1、K2、K3分別為與孔個數有關的修正項、由趨膚深度不同引入的低頻修正項、由相鄰孔相互耦合引入的修正項，n為金屬屏蔽體層數，t為金屬板厚度，那么單層金屬平板、帶孔陣金屬平板以及多層金屬屏蔽體屏蔽效能分別為：

圖2 金屬板屏蔽示意圖

屏蔽體開口的孔及縫直接影響屏蔽效能及屏蔽體內電磁場分布。北京理工大學杜恩祥等(2003)根據對偶原理，用對偶量代替基本振子再求解輻射場建立了傳感器屏蔽體縫隙泄漏電磁場數學模型，計算了屏蔽體泄漏電磁場分布情況[8]。屏蔽體內電場、磁場表達式分別為：

式中l、d分別為縫隙寬度與寬度（d<<λ），Et為電場切向分量，

最近的研究熱點為不同入射波形電磁波孔縫耦合以及不同孔縫耦合效應問題。如文獻[9]采用FDTD法研究核電脈沖、快上升前沿脈沖、超寬帶電磁脈沖對目標腔體孔縫耦合效應；文獻[10]通過定義能量耦合傳輸系數，應用FDTD法分析耦合能量隨窄縫寬度、厚度和時間變化關系，以及在正弦波調制的高斯脈沖源激勵下窄縫和窄縫腔體耦合共振特性。

傳感器電磁抗干擾其它方法還有接地、濾波等。除此之外，利用冗余技術、容錯技術、標志技術、數字濾波技術等軟件設計方法，都可有效提高傳感器電磁抗干擾能力。

3.2 PCB電磁兼容性優化設計

PCB作為傳感器電路載體，PCB上元器件布局、布線及分層對傳感器EMC有重要影響。PCB發生的電磁現象屬于近區感應場范圍，研究熱點主要為印制線的串擾及輻射問題以及電磁干擾抑制方法。對于線條問題，關鍵是確定信號線等電路參數及高頻時表征的分布參數，可用準靜態分析法來確定單位長度電容、電阻、電感及電導參數[11]。對于串擾問題，主要利用多導體傳輸線理論求解，弱耦合的兩線間串擾可用簡化公式計算[12]。此外，還可采用譜域方法求解出信號線上電流分布，進而得出線間串擾[13]。另外，修正的傳輸線方程能夠分析出任意角度軌跡線間串擾[14]。對于輻射問題，常規方法是先運用傳輸線理論求出線條上電流分布，再運用散射理論或格林函數進行積分求出輻射[15]。對于PCB電磁干擾，一種有效方法是采用旁路和退耦[16]。退耦裝置可有效分布PCB電源網絡，去耦電容位置及數量對PCB板EMI問題有重要影響[17-18]。其它PCB電磁干擾抑制技術還有基底介質補償[19]、地平面打孔、加屏蔽地線、樁柵欄等措施。

3.3 傳感器電磁兼容預估

電磁兼容性預測分析是電磁兼容性設計重要一環。自從1968年W. R. Johnson和A. K. Thomas提出EMC計算機輔助分析以來，EMC預測分析得到長足發展。通過建立各種干擾源，傳輸路徑及接收器物理、數學模型及必要數據庫，利用電磁場數值計算方法即可從設計初始階段定量考慮傳感器EMC問題。常用數值計算方法有矩量法(MoM)、有限元法(FEM)、時域有限差分法(FDTD)及快速多極子法(FMM)等[20]。基于這些數值算法國外已開發出許多商用電磁仿真軟件包，如Sonnet、IE3D、Ansoft-HFSS及Microwave Office等。通過這些軟件包可以分析過孔、傳輸線等耦合，可以看出傳感器PCB電磁場分布情況，如圖3所示。由于電磁邊值問題的復雜性，很難用單個軟件獲取全部信息，通常需要結合幾個軟件包，即使如此，效果有時仍欠佳。

圖3 PCB電磁場分布圖

國內開展電磁兼容預測分析較晚，商用電磁兼容預測分析軟件尚不成熟。上世紀90年代由北京航空航天大學開發出國內首套電磁兼容應用軟件BHEMCAP。該軟件主要應用于飛機電磁兼容預測。陜西海泰電子有限責任公司于2007～2009年開發出應用于各類武器平臺上無線電設備間電磁兼容性分析與評估系統間電磁兼容預測分析軟件(HTEMC9502)、電磁兼容數據庫管理系統(HTEMC-DBMS v1.1)及設備級EMC測試平臺軟件EMC-ATS。

近幾年已有研究人員對器件級電磁兼容預測仿真軟件做出嘗試。電子科技大學李小春(2008)從屏蔽外殼對不同場源屏蔽、走線之間串擾耦合、外電磁場等三方面對傳感器信號調理電路電磁敏感性建立數學模型，并根據數學模型在Visual Studio2005開發環境下實現智能傳感器系統電磁干擾分析軟件，如圖4所示[21]。該軟件串擾模型在高頻時精度方面不夠理想，未能對整塊電路板進行預測分析，沒有考慮PCB上其它信號線對所分析信號線影響等。西安電子科技大學羅朋(2010)基于Mentor公司電磁兼容分析軟件開發一套電磁兼容分析及控制平臺，該軟件嵌入了改進等效電路理論、多導體傳輸線理論、微波技術和電磁場數值計算等算法，使其目的性更強，仿真過程更快速。由于該軟件更側重于電纜電線耦合問題，故無法整體預測評估PCB板電磁兼容性。

圖4 入射平面波對印制線的耦合模塊界面

4 結論

電磁兼容性研究作為一門迅速發展的交叉學科，國外已開展了大量研究，頒布了一系列標準。美國、歐盟、日本以及越來越多的國家和地區將電子產品的電磁兼容性要求納入認證管理體系之中。我國于2002年正式將電磁兼容性納入電子產品認證管理體系。作為獲取信息源頭的傳感器，其特性的好壞直接關系到整個系統質量。現代測量、控制與自動化技術的飛速發展，開展對傳感器電磁兼容性研究已成為時代發展的必然要求。由于起步較晚，我國在傳感器電磁兼容性研究目前尚處于初級階段。為此建議：

(1) 加深對傳感器電磁兼容性研究重要性的認識，加大投入力度，組織人力、物力開展對傳感器電磁兼容性研究；

(2) 加強對傳感器電磁兼容測試技術、測量方法研究，理論研究與測試手段、測試方法并重，推動傳感器電磁兼容性研究工作進程；

(3) 電磁兼容性設計理念貫穿傳感器及傳感器系統整個設計過程，做到預先設計、預先評估分析以及預先檢驗，不斷提高傳感器電磁兼容性性能。

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The Importance and Research Progress of EMC on the Sensor

Liu Guixiong Zhu Haibing Hong Xiaobin
(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology)

The demand of modern information technology for the stability, sensitivity, and accuracy of the sensor is increasing. Besides, the sensor faces electromagnetic compatibility issues in the increasingly complex electromagnetic environment. The characteristics of the sensor electromagnetic compatibility are discussed. Furthermore, the importance of the sensor electromagnetic compatibility is pointed out. The sensor electromagnetic compatibility progress both on domestic and abroad is introduced focusing on the three aspects: the sensor electromagnetic immunity technology, PCB EMC technology and the sensor electromagnetic compatibility prediction technology. Finally, some suggestions on the research of sensor electromagnetic compatibility are putted forward.

Sensors; Electromagnetic Compatibility; Electromagnetic Immunity; Prediction

教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET—08—0212）項目廣東省高等學校高層次人才項目資助

14 *基金項目：國家自然科學基金項目（61074147）；廣東省自然科學基金團隊項目（83510090010 00002）

劉桂雄，男，1968年生，華南理工大學教授，博導，主要從事現代傳感與檢測技術研究。

朱海兵，男，1986年生，華南理工大學碩士研究生，主要從事現代傳感與檢測技術研究。

洪曉斌，男，1979年生，華南理工大學副研究員、博士，主要從事現代傳感與檢測技術研究。