机载4-20mA传感器电磁敏感度防护设计

机载4-20mA传感器电磁敏感度防护设计

周晔

天津航空机电有限公司 300308

引言

4-20mA电流信号传感器具有高精度低幅值的特点，与电磁干扰量值相比其信号幅值较小，在电磁环境作用下易出现敏感现象，目前军用航空平台的电磁环境越来越复杂，考核标准逐步提升，加上电缆的长距离传输过程中也较易耦合干扰信号，基于以上要求提出了适用于该类型电流信号传感器的电磁防护设计方案，并得出试验结论。

1电磁环境要求

    目前，军用航空设备执行的电磁兼容标准普遍升级为GJB151B-2013，试验量值存在一定程度的提高，考核抗电磁干扰的试验项目包括传导敏感度试验和辐射敏感度试验。按照设备在安装平台中的装机位置区分不同量值，目前普遍将传感器考核量值提升到空军飞机外部，具体要求如下所示。传感器电路避免使用能够产生干扰源的器件，辐射发射和传导发射存在的技术风险较低，本文不再赘述。

表1  电磁敏感度考核项目及具体量值

 2 传感器工作原理   

4-20mA电流信号传感器的调理电路种类主要包括模拟式原理和数字式原理，传感器信号调理电路能完成传感器信号的放大、温度补偿或非线性补偿、模数转换等功能。目前应用较多的为数字式调理电路，内部包含可编程传感器激励、可编程增益放大器、运算放大器以及温度传感器等。

典型传感器包含敏感元件、信号转换电路板和接口滤波电路板，信号转换电路板实现敏感元件信号采集、调理放大和温度补偿等功能，接口滤波电路板就近安装于传感器电气接口处，用于对电磁干扰信号进行滤波、以及起到供电特性防护功能。

3电磁防护设计

3.1屏蔽设计

    电磁屏蔽的作用是切断电磁能量从空间传播的路径，达到消除电磁干扰的目的。电磁能量通过空间传播的方式，在近场区表现为电场耦合或磁场耦合，在远场区表现为电磁波的传播[1]。屏蔽体的有效性用屏蔽效能SE来度量，表示为屏蔽前与屏蔽后的场强之比，在工程计算中通常使用dB为单位，计算公式如下所示。

                      （1）

式中，E1为屏蔽前的场强，E2为屏蔽后的场强。

    壳体材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，为了提高传感器的屏蔽效能，外壳采用不锈钢材质。如果在屏蔽体上存在缝隙，金属构件在结合处不可能完全解除，在搭接面上产生一系列的孔洞阵列，该孔洞阵列中的阻抗等效为电容与电阻并联，低频时电阻分量起主要作用，高频时电容分量起主要作用[2]，缝隙的存在加大了屏蔽体的接触阻抗。

为了避免影响传感器壳体的屏蔽效能，各结构体之间通过采取提高接触面光洁度、增加接触面积、增加安装紧固力和填充导电材料等方式减小缝隙阻抗，而最为有效地方式为直接采用焊接方法连接两接触面，消除缝隙在屏蔽体上形成的导电不连续点，提高屏蔽体的连续性，进而提高屏蔽效能。

另外，电缆作为屏蔽体的一部分，外部电缆采用屏蔽双绞线进一步减小电缆传送信号的环路面积，降低传输过程中耦合的电磁干扰，屏蔽层两端进行环接以消除屏蔽泄漏对电缆屏蔽效能的影响。

3.2  滤波设计

    传感器处于电磁辐射环境中，由于外壳不存在开孔或缝隙，因此电磁干扰的主要途径是通过外接电缆耦合到电气接口进而作用到内部电路。在靠近电气接口处设计滤波电路，对端口耦合的电磁干扰进行抑制，包含共模滤波、差模滤波和瞬态尖峰抑制电路。

（1）共模滤波

电缆线传导敏感度的考核机理是直接将共模干扰注入到电缆上，电场辐射敏感度试验项目由外接电缆耦合接收到的共模干扰，对传感器信号端口处设置共模滤波电路，可以抑制电气接口前级的共模干扰，避免外界电磁干扰进入传感器内部腔体。共模滤波电路采用低通滤波原理，可以通过有用的直流模拟信号而衰减交流高频干扰信号。

当传感器电缆搭接不良或导致屏蔽效能下降时，采用一级共模滤波电路无法满足抗电磁干扰要求，受传感器尺寸空间限值无法采用体积较大的滤波器件，该电路由电容与电感构成。由于电感与电容在高频下受寄生参数影响，导致该滤波电路在谐振频率点后衰减作用减弱，因此电路中采用多级电容并联方式，电容容值大小区取决于耦合外界电磁干扰的频率。

（2）差模滤波

传感器与外接电缆暴露于电磁环境中，共模干扰电流分别通过电源线和信号线耦合进入电缆，ICM1为通过电源线耦合进入电缆内芯的共模干扰电流， ICM2为通过信号线耦合进入电缆内芯的共模干扰电流，电源线与信号线

均为屏蔽线，大多共模干扰电流通过屏蔽层流入大地，当共模电流不平衡时，在电路内部进行差模电流转化，因此需要根据敏感频率点在电路中设置差模滤波电路，本方案利用电容进行差模滤波。

（3）瞬态尖峰抑制

    电源线尖峰信号传导敏感度为400V正脉冲后跟随120V负脉冲，当电源线出现尖峰脉冲干扰时，瞬态抑制二极管被击穿，由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降后箝位电压亦下降，恢复到原来状态，将尖峰信号抑制到安全电压，该安全电压低于功能电路最高工作电压极限，从而起到保护作用。另外通过合理的器件选型能够满足功率降额要求。 

3.3  PCB设计

    传感器空间尺寸较小，印制电路板尺寸设计直径为21mm，为便于安装尽可能采用贴片式元器件，其余布局和布线设计遵循以下要求：

1）元器件布局充分考虑元器件的信号流向，按照供电信号与输出信号进行区分，避免信号走线交叉耦合干扰；

2）滤波电容通常放置在被滤波器件的相应引脚附近，或在共模电流泄放的路径中，所有滤波电容的连接不能用长线方式，而要保证低阻抗的连接；[3]

3）防护器件为功率电阻和瞬态电压抑制管，保护器件体积较大，布局设计时尽量靠近接口；

4）保护地焊盘通过铺地连接到一起，做到连线尽量粗短且均匀；保护地仅与保护器件相连且与其他器件不导通；保护地与其他器件之间留有安全距离；

5）传感器功能电路处理芯片外围的去耦电容应靠近相应的管脚放置，并保证最短布线原则。

4试验情况

    依据GJB151B-2013规定的要求与试验方法，对传感器开展电磁敏感度项目测试。试验过程中，模拟飞机上传感器实际装机电缆状态和接地状态，尽可能消除实验室环境与实际安装环境条件的不同，试验结论均合格，传感器在上述测试项目中输出信号精度保持在±1%FS范围内。

5结束语

    本文结合4-20mA传感器的信号与原理特点，阐述了该类型传感器电磁环境防护措施，通过采取合理的屏蔽设计和滤波设计等手段提高抗电磁干扰能力，在实验室验证该设计方案可行。由于传感器空间结构与电路布局影响内部电磁场的分布，实际工程应用过程中结合实际情况可进行方案调整。

参考文献

1  杨继深 电磁兼容（EMC）技术之产品研发及认证 电子工业出版社

2  杜恩祥 高灵敏度传感器系统的抗电磁干扰技术研究探测与控制学报 2003年3月

3  郑军奇 EMC设计分析方法与风险评估技术 电子工业出版社