如何利用場地校準減少軌道交通車輛現場EMI測試的誤差

陳寧　邢亮

內容提要：本文以大型工業設備中最有代表性的軌道交通設備為例，探討了依據現有國際和國家標準開展的軌道交通列車和整車的原有射頻電磁騷擾在空曠地域開展測試的方法可否移植到車輛測試廠房內進行。然后有針對性的對有軌電車采用室內測試方法的優勢和劣勢進行了分析，并提出了利用場地校準的方法來彌補室內測試方法會存在的不足。

關鍵詞：軌道交通 列車和整車 射頻電磁騷擾 現場測試 現場校準

0. 引言

所謂大型工業設備（軌道交通設備）的電磁兼容試驗特殊性，一般來說是由于其不方便進入電波暗室的尺寸造成的，但是實際上很多A類（參照GB 4824-2019第5.3條定義）醫療電氣設備其功能特殊性（如需引入和輸出純凈水或特殊高壓氣體）也是其不能進入開闊場完成電磁輻射騷擾檢測的重要原因之一。如果將軌道交通設備布置到位后的整個系統視作被測物，要具備如此大的實驗室來進行標準電磁兼容實驗，需要投入的成本將十分高昂。

儀器校準的目的本來是想透過調整來消除被校準的檢測裝置在準確度方面的任何偏差。被用于現場檢測的儀器一般是被送至標準試驗室環境中進行逐個校準，一般情況下各自誤差都會在允許范圍之內，但是在測試現場將其整合之后所搭建的測試系統的誤差是否就是簡單地一個“合”的概念呢？再加上，離開了標準試驗環境后，外界帶來的測量結果不確定度究竟怎么評？又是一個對測試結果質量有追求的檢測機構最頭疼的問題。

針對上述情況，本文論述了一種對輻射發射測試系統和現場測量環境進行實地校準的方法，采用了直接縮短溯源鏈和替代發射信號的方法，來達到減少不確定度評定過程中需要引入的量，并把由測試環境造成的電磁波干涉和衍射誤差也一并修正的目的，最終將現場輻射發射測試結果的主要誤差修正到只與標準信號發生器這一獨立儀器相關。

1.對測試儀器開展現場校準的目標

如引言中提到的，現場測試結果總是有些不討喜的地方，但是開展現場測試又不能避免。依照我國現有國情，大型工業設備（軌道交通設備）都會被部署在城市居民、商業和工業集中區域，而這些大型工業設備，特別是軌道交通設備還會密集穿行在城市的人員活動密集區域。該區域不用于城市郊區，所謂無線電干擾背景除了調頻廣播和移動電話通訊以外，還有來自短距離無線數據網絡、安防對講機、出租車通訊電臺、中遠距離無線遙控設備和無法避免的非法干擾源。

國際無線電干擾特別委員會雖然在CISPR 11對工業，科學和醫療（ISM）設備指出了如何在非標場地進行，其對應國標GB 4824中也同樣給出了現場測試的方法和限值等信息，實際用于對軌道交通電氣設備電磁兼容項目進行檢測的標準恰逢新發布的GB/T 24338.1-2018《軌道交通 電磁兼容 第1部分：總則》、GB/T 24338.2-2018《軌道交通 電磁兼容 第2部分：整個軌道系統對外界的發射》、GB/T 24338.3-2018《軌道交通 電磁兼容 第3-1部分：機車車輛 列車和整車》和GB/T 24338.4-2018《軌道交通 電磁兼容 第3-2部分：機車車輛 設備》正式實施，所以對大型工業設備中最有代表性的軌道交通設備給出了從部件到整車、從單體到系統的全面測試方案。上述標準介直接引用GB 4824作為基礎方法標準進行現場測試依據。但是在實際測試過程中，即便是有了標準依據，即便是忽略現場布置過程的繁雜和儀器搬運的消耗，我們的檢測工程師們還是不喜歡所謂的“現場測試”，因為其結果相較于電波暗室來說會增加很多“可疑之處”。相較于電波暗室來說，測試現場有無法預見的背景干擾，不同于電波暗室有吸波材料來抑制無線電波反射的干涉和衍射，測試現場的無線電測試環境可以說是雜亂無章，正如圖1中所表示的，測量結果的不確定度來源太多造成了想使用現場測量檢品的真實輻射發射值難上加難。

軌道交通設備電磁兼容檢測在我國設定標準已超過10年，但是真正全面鋪開執行時間并不長，隨著相關法規執行力度的加強和相關企業對自身產品質量要求的進一步提高，針對軌道交通產品的電磁兼容檢測的嚴肅性和復雜性將驅使檢測數據與系統誤差和測量不確定度更緊密的結合。

我們了解誤差來源之后，也就明白了為什么我們的測試設備或系統一定要在測試現場做一個系統性的校準。雖然EUT（被測物）自身的不確定性可以通過多次測量來找尋折中結果，但是現場測試過程中的布置是不可能完全按照標準來進行的，至于測量設備和設施和試驗場地的性能是息息相關的，最后環境帶來的影響，特別是現場電磁環境、溫濕度和空氣質量也是造成無線電信號測試結果不準確的干擾來源。要解決這些問題就要將我們的檢測系統放置在測試現場，按照測試現場的布置、場地和環境來校準以消除引入誤差。

2. 對測試儀器開展現場校準的技術方法

執行現場校準的必要性等到證明后，我們還需要一套簡單、易行的方法，如果現場校準方法僅停留在理論層面，不具備可操作性和實用性，是不會對檢測人員有幫助的。

造成無線電干擾試驗結果在測試現場發生系統性誤差的原因主要有以下幾點：第一、在我們的測試頻率段之內有較大干擾信號在持續發送，測試現場無線電環境背景不佳，造成測試結果真實性較低;第二、測試現場可以造成無線電發射的金屬器件較多，且擺放無序，我們的測試結果被無線電及其反射波的干涉和衍射放大或減小了，造成測試結果誤差較大;第三、測試現場空氣質量、溫濕度等自然環境波動范圍較大，空氣中的固體和水分子等顆粒加大了無線電波的衰減，造成測試結果偏小于真值等。

現場校準目的就是要提出會引起測量誤差的干擾。我們采取的方法其實很直觀，就是在測試現場利用一個只和最高基準溯源的信號發生器，它的信號發射值一定要在最高計量單位進行校準，將其緊貼被測物外立面（被測物暫不通電工作），并在測試頻率段內不間斷的發送穩定的信號，假定這個信號發生器的發射值可以參考為基準值，此時在測試距離上已完成布置的測試系統（圖2）所接收到的值和信號發生器的發射值之差就是在測試現場需要修正的誤差值。下面我們可以分別通過數學和計算機程序兩種方法來直觀呈現：

2.1數學模式

——公式1

公式1中Fstar和Fend分別是測試的開始與終止頻率點，n+1為全部測試的頻率點數（此處按照1%步進計算頻率點，且不存在第零點，取樣點不能少于測試頻率點），f（n）是信號發生器與國家基準溯源后的發射值，ff（n）是信號發生器在現場被測量得到的發射值，F為測試現場各對應頻率點的校準結果。實際情況中需要注意的是，在測試現場測量系統與被測物直接的距離一定要與信號發生器溯源時保持一致，也就是說信號發生器如果在國家計量院溯源時的測試距離是3m、10m甚至30m，那么在進行現場測試的過程中，我們的天線尖端也要和被測物的外擴保持對應距離。F是一個數學集合，其元素個數與試驗頻率點個數保持一致，可被視作天線系數或線纜系數添加在測量接收機中。

2.2計算機程序模式

F_star=30;

F_end=1000;

n=ceil（log（F_end/F_star）/log（1.01））+1;

i=0;

Frequency_list=F_star;

for i=1：n

Frequency_list（i）=F_star*（1+0.01）^（i-1）;

end

Original_Signal=xlsread（'Signal_Generator.xls'）;

Receiver_data=xlsread（'data.xls'）;

cali_data=Original_Signal-Receiver_data;

xlswrite（'C：＼Rohde & Schwarz＼EMC32＼Correction.xls'，data，'cali_data'）;

程序編寫的依據是數學關系，因為常用接收機操作軟件能導入的參數類型一般都是excel的xls或xlsx格式，所以當工程師依照個人習慣利用不同語言編寫程序時，請一定要將運算后的數據保存成excel可識別格式。

3. 總結

理論上來說現場校準會增加檢測人員在現場停留的時間，會增加現場測試的時間成本，但是其測試結果對檢品來說會相對公平一些。檢品的輻射發射值，特別是在進行100MHz以上頻率段測試的過程中，該頻率范圍內波長較短，就算可以人為消除周邊FM調頻廣播、WIFI數據通訊、對講機通訊和移動電話通訊等干擾頻率，100MHz以上無線電波波長均在3m以內，在10m甚至30m的測試距離內，因為沒有了電波暗室的吸波功能，如果遭遇環境引起的無線電波干涉或衍射，其波峰或者波谷的疊加和抵消很有可能會出現很多次，那么只會造成測試結果的倍增和倍減。如果遇到倍增，那么檢品輻射發射值超過限值被判定不合格，對企業來說是不公平的。如果遇到無線電波干涉造成了測試值偏低，那么對周邊其他設備或人員活動來說這個電磁環境就不夠公平了，因為大家很有可能被這個“合格品”干擾了，不能正常工作。

從現場測試的常見問題來分析，其實現場校準的性價比是很高的，其關鍵在于作為模擬基準的信號發生器一定要送至最高計量機構進行校準，一般來說可以將中國計量科學研究院的開闊場認定為輻射發射測試的基準，如果有這樣的校準結果，測試結果的質量和可行度都會比較高，也更方便檢測人員對于檢品的無線電輻射在各頻率點的發射值進行合格判定。

參考文獻

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基金項目：2018KJJH03