油液光譜分析儀控制系統(tǒng)中的電磁兼容設計

劉日威 張冠文 倪樹標 黎國標

摘? 要：油液光譜分析儀利用2個電極之間的高壓產(chǎn)生火花放電，激發(fā)油液樣品中的金屬元素從而產(chǎn)生發(fā)射光譜，對各譜線光強信號檢測，得到多個元素的含量。火花光源電路本身是一個嚴重的電磁干擾源，因此控制系統(tǒng)中電磁兼容設計非常重要。該文講述控制系統(tǒng)中提高電磁兼容性的設計思路，并對其實現(xiàn)方法和關鍵技術進行研究。

關鍵詞：光譜;高壓;火花放電;電磁兼容;傳導

中圖分類號：TG115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

油液光譜分析儀是最早應用于油液監(jiān)測的設備之一，也是最常用的油液監(jiān)測設備，可對油液中的磨?；蛭廴疚锏某煞趾秃窟M行定性定量檢測，幫助診斷磨損發(fā)生的部位和嚴重程度或診斷污染產(chǎn)生的途徑，也可分析油液中主要添加劑的水平，從而判斷油液的衰變程度。它利用2個電極之間的高壓產(chǎn)生火花放電，激發(fā)油液樣品中的金屬元素從而產(chǎn)生發(fā)射光譜。經(jīng)過光柵分光后，不同波長的光照射到不同的電荷耦合器（CCD）上，通過對各譜線光強信號檢測和數(shù)字運算得出多個元素的含量。

1 油液光譜分析儀的結構原理

油液光譜分析儀包括光源部分、分光系統(tǒng)、控制電路（如圖1所示）。光源部分由高壓發(fā)生器和棒電極、轉盤電極和用于光信號傳輸?shù)耐ǖ拦饫w組成。分光系統(tǒng)采用帕邢-龍格裝置，將入射間隙、凹面光柵和電荷耦合器固定安裝在羅蘭圓裝置上。油液分析光譜儀在原理上屬于原子發(fā)射光譜儀，其分光系統(tǒng)、檢測器等部件與其他原子發(fā)射光譜儀原理上類似，而在火花光源系統(tǒng)上，為適用油液分析的需要，采用石墨圓盤和石墨棒作為工作電極，并由電機驅動圓盤電極按恒定轉速轉動，帶動樣品杯中的油液樣品到達火花間隙中進行激發(fā)，從而實現(xiàn)了樣品的直接進樣。

2 電磁兼容設計的一般原則

電磁兼容性（EMC）是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括2個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

提高電磁兼容的主要措施有使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進入該系統(tǒng)，也可防止該系統(tǒng)的干擾能量向外輻射。屏蔽體應保持完整性，對必不可少的門、縫、通風孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地;設計合理的接地系統(tǒng)。小信號、大信號和產(chǎn)生干擾的電路盡量分開接地，接地電阻盡可能小。使用合適的濾波技術，濾波器的通帶經(jīng)過合理選擇，盡量減小漏電損耗;使用限幅技術，限幅電平應高于工作電平，并且應雙向限幅;正確選用連接電纜和布線方式，必要時可用光纜代替長電纜。采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術。系統(tǒng)頻率分配要恰當。當一個系統(tǒng)中有多個主頻信號工作時，盡量使各信號頻率避開，甚至避開對方的諧振頻率。共用走廊的各種設備，在條件許可時應保持較大隔距，以減輕相互之間的影響。

3 針對本儀器的具體實施方案

油液光譜儀中的火花光源電路本身是一個嚴重的電磁干擾源，對控制電路存在干擾的可能。干擾方式有傳導干擾，通過供電線和信號線傳播，還有空間輻射干擾。因此電磁兼容的設計顯得非常重要。該儀器的電磁兼容設計主要重點在3個方面：傳導層面的干擾、空間輻射干擾還有接地。

（1）防止傳導層面的干擾主要通過光纖傳輸信號（如圖2所示），采用隔離變壓器供電解決。

光纖收發(fā)器（如圖3所示），其中發(fā)射端內部是LED，將電信號轉為光信號，接收端內部是光電池，又將光信號轉為電信號，中間采用光纖傳輸，轉換速率可達5 MB/s。這樣就實現(xiàn)了電氣的隔離。

信號控制是用嵌入式系統(tǒng)中單片機的I/O口控制光纖發(fā)射器（如圖4所示），光纖發(fā)射器與接收器之間采用光纖連接，光纖接收器的輸出控制火花光源電路的輸入。

光纖發(fā)射器的A腳通過限流電阻R1接電源VCC，光纖發(fā)射器的K腳連接三極管Q1的C腳，三極管的E腳接地，三極管的B腳通過限流電阻R2接單片機的I/O口。當單片機的I/O輸出高電平，Q1的C腳和E腳導通，光纖發(fā)射器內部的LED就會發(fā)光。當單片機的I/O輸出低電平，Q1的C腳和E腳截止，光纖發(fā)射器內部LED就不發(fā)光。

AC/DC模塊將交流220 V轉為直流5 V輸出，給光纖接收器供電，當光纖發(fā)射器內部LED發(fā)光（如圖5所示），光纖接收器輸出低電平，反之輸出高電平。光纖接收輸出驅動火花光源電路，實現(xiàn)控制。

供電部分采用變壓比為1︰1的隔離變壓器（如圖6所示），隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組帶電氣隔離的變壓器，原、副繞組一般分置于不同的心柱上，在原、副繞組之間設置一片不閉合的銅片或非磁性導電紙，銅片或非磁性導電紙用導線與外殼連接。這樣可以取得很好的屏蔽效果。

（2）空間輻射干擾通過屏蔽解決。屏蔽就是對2個空間區(qū)域之間進行金屬隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域對另一個區(qū)域的感應和輻射。具體講就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散;用屏蔽體將接收電路、設備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。因此儀器整機結構設計以一體式焊接型材框架結構為基礎，用金屬薄板將放電部分和控制部分隔開空間放置（如圖7所示），可有效屏蔽內部的電磁干擾，再用鈑金將框架四周密封，可起到屏蔽外部的電磁干擾的作用?？p隙用導電膠布黏貼，四周都要接觸良好，鈑金框架表面不能被陽極氧化或者被著色。門的四周貼上導電棉，把門的縫隙封住。

（3）接地是抑制噪聲，防止干擾的主要方法。接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和保證工作人員的人身安全，電子設備的機殼和機房的金屬構件等，必須與接地良好，接地電阻不能超過規(guī)定值。該儀器采用的接地方式是單點接地，即在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點。其他各個需要接地的點都用寬銅帶直接接到這一點上。

4 結語

油液分析光譜儀由于采用高壓產(chǎn)生火花放電，電磁干擾非常大。電磁兼容設計非常重要。該儀器在采用光纖傳輸控制信號對高壓放電源進行金屬罩屏蔽隔離，所有部件單點接地等處理后，對低壓部分嵌入控制電路的干擾就非常小了，整個系統(tǒng)一直運行正常。

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