刘日威 张冠文 倪树标 黎国标

摘  要：油液光谱分析仪利用2个电极之间的高压产生火花放电，激发油液样品中的金属元素从而产生发射光谱，对各谱线光强信号检测，得到多个元素的含量。火花光源电路本身是一个严重的电磁干扰源，因此控制系统中电磁兼容设计非常重要。该文讲述控制系统中提高电磁兼容性的设计思路，并对其实现方法和关键技术进行研究。

关键词：光谱;高压;火花放电;电磁兼容;传导

中图分类号：TG115                    文献标志码：A

0 引言

油液光谱分析仪是最早应用于油液监测的设备之一，也是最常用的油液监测设备，可对油液中的磨粒或污染物的成分和含量进行定性定量检测，帮助诊断磨损发生的部位和严重程度或诊断污染产生的途径，也可分析油液中主要添加剂的水平，从而判断油液的衰变程度。它利用2个电极之间的高压产生火花放电，激发油液样品中的金属元素从而产生发射光谱。经过光栅分光后，不同波长的光照射到不同的电荷耦合器（CCD）上，通过对各谱线光强信号检测和数字运算得出多个元素的含量。

1 油液光谱分析仪的结构原理

油液光谱分析仪包括光源部分、分光系统、控制电路（如图1所示）。光源部分由高压发生器和棒电极、转盘电极和用于光信号传输的通道光纤组成。分光系统采用帕邢-龙格装置，将入射间隙、凹面光栅和电荷耦合器固定安装在罗兰圆装置上。油液分析光谱仪在原理上属于原子发射光谱仪，其分光系统、检测器等部件与其他原子发射光谱仪原理上类似，而在火花光源系统上，为适用油液分析的需要，采用石墨圆盘和石墨棒作为工作电极，并由电机驱动圆盘电极按恒定转速转动，带动样品杯中的油液样品到达火花间隙中进行激发，从而实现了样品的直接进样。

2 电磁兼容设计的一般原则

电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括2个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

提高电磁兼容的主要措施有使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入该系统，也可防止该系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性，对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理，屏蔽体要有可靠的接地;设计合理的接地系统。小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地，接地电阻尽可能小。使用合适的滤波技术，滤波器的通带经过合理选择，尽量减小漏电损耗;使用限幅技术，限幅电平应高于工作电平，并且应双向限幅;正确选用连接电缆和布线方式，必要时可用光缆代替长电缆。采用平衡差动电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术。系统频率分配要恰当。当一个系统中有多个主频信号工作时，尽量使各信号频率避开，甚至避开对方的谐振频率。共用走廊的各种设备，在条件许可时应保持较大隔距，以减轻相互之间的影响。

3 针对本仪器的具体实施方案

油液光谱仪中的火花光源电路本身是一个严重的电磁干扰源，对控制电路存在干扰的可能。干扰方式有传导干扰，通过供电线和信号线传播，还有空间辐射干扰。因此电磁兼容的设计显得非常重要。该仪器的电磁兼容设计主要重点在3个方面：传导层面的干扰、空间辐射干扰还有接地。

（1）防止传导层面的干扰主要通过光纤传输信号（如图2所示），采用隔离变压器供电解决。

光纤收发器（如图3所示），其中发射端内部是LED，将电信号转为光信号，接收端内部是光电池，又将光信号转为电信号，中间采用光纤传输，转换速率可达5 MB/s。这样就实现了电气的隔离。

信号控制是用嵌入式系统中单片机的I/O口控制光纤发射器（如图4所示），光纤发射器与接收器之间采用光纤连接，光纤接收器的输出控制火花光源电路的输入。

光纤发射器的A脚通过限流电阻R1接电源VCC，光纤發射器的K脚连接三极管Q1的C脚，三极管的E脚接地，三极管的B脚通过限流电阻R2接单片机的I/O口。当单片机的I/O输出高电平，Q1的C脚和E脚导通，光纤发射器内部的LED就会发光。当单片机的I/O输出低电平，Q1的C脚和E脚截止，光纤发射器内部LED就不发光。

AC/DC模块将交流220 V转为直流5 V输出，给光纤接收器供电，当光纤发射器内部LED发光（如图5所示），光纤接收器输出低电平，反之输出高电平。光纤接收输出驱动火花光源电路，实现控制。

供电部分采用变压比为1︰1的隔离变压器（如图6所示），隔离变压器是指输入绕组与输出绕组带电气隔离的变压器，原、副绕组一般分置于不同的心柱上，在原、副绕组之间设置一片不闭合的铜片或非磁性导电纸，铜片或非磁性导电纸用导线与外壳连接。这样可以取得很好的屏蔽效果。

（2）空间辐射干扰通过屏蔽解决。屏蔽就是对2个空间区域之间进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因此仪器整机结构设计以一体式焊接型材框架结构为基础，用金属薄板将放电部分和控制部分隔开空间放置（如图7所示），可有效屏蔽内部的电磁干扰，再用钣金将框架四周密封，可起到屏蔽外部的电磁干扰的作用。缝隙用导电胶布黏贴，四周都要接触良好，钣金框架表面不能被阳极氧化或者被着色。门的四周贴上导电棉，把门的缝隙封住。

（3）接地是抑制噪声，防止干扰的主要方法。接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地干作。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和保证工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与接地良好，接地电阻不能超过规定值。该仪器采用的接地方式是单点接地，即在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点。其他各个需要接地的点都用宽铜带直接接到这一点上。

4 结语

油液分析光谱仪由于采用高压产生火花放电，电磁干扰非常大。电磁兼容设计非常重要。该仪器在采用光纤传输控制信号对高压放电源进行金属罩屏蔽隔离，所有部件单点接地等处理后，对低压部分嵌入控制电路的干扰就非常小了，整个系统一直运行正常。

参考文献

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