速度传感器的电磁兼容优化设计研究

吕明珠

(1.辽宁装备制造职业技术学院 自控学院，辽宁　沈阳　110161；2.辽宁广播电视大学，辽宁　沈阳　110034)



速度传感器的电磁兼容优化设计研究

吕明珠1,2

(1.辽宁装备制造职业技术学院 自控学院，辽宁沈阳110161；2.辽宁广播电视大学，辽宁沈阳110034)

针对某型速度传感器所面临的电磁兼容问题进行了优化设计，提出了减小电磁干扰的具体措施，采用模拟退火优化算法预测了传感器射频能量分布的聚集点或畸变点，使设计方案更具合理性和可行性。以汽车用速度传感器作为测试模型，进行了优化前后电场强度和磁场强度的仿真对比，并对优化后的产品按照GB/T17626.3(IEC61000-4-3)标准进行了射频电磁场辐射抗扰度测试，测试结果符合速度传感器电磁兼容通用技术条件的要求，说明所提出的电磁兼容设计可以进行推广和应用。

速度传感器；电磁兼容；模拟退火算法；优化设计

1　引言

传感器作为“感知层”的重要支撑，在各种试验条件下，尤其以电磁兼容性和环境适应性试验为重，其感应信号以及数据传输在带干扰的电磁环境以及恶劣安装使用环境的准确性，已经成为传感器检测的重要环节。也就是说，各类传感器输入输出的技术数据以及数据的传输情况才是真正有效评估传感器合格性的重要内容。传感器的电磁兼容性是指传感器在电磁环境中的适应性，保持其固有性能、完成规定功能的能力[1]。

速度传感器作为传感器的重要分支，广泛应用于汽车、火车、轮船等交通工具上，是保证整机稳定运行的重要控制元件之一。近年来，随着速度传感器朝着网络化、智能化、小型化的方向发展，对其抗电磁骚扰的能力提出了更高的要求，因此，研究新型速度传感器的电磁兼容优化设计问题具有长远和重要的现实意义。

2　速度传感器的电磁兼容测试标准

影响速度传感器正常工作的灵敏性和准确性准要是外界骚扰源对传感器本身的干扰，因此，在速度传感器的电磁兼容测试中，重点进行的是射频电磁场辐射抗扰度测试，目前普遍执行的标准是GB/T17626.3(IEC61000-4-3)。该试验应在发射天线垂直极化和水平极化两个方向分别进行。发射天线应对传感器的四个面分别进行测试。当传感器可以以不同的方向放置时，试验面增加到六个。

速度传感器的电磁兼容测试项的相关参数包括：

(1)测试项目：射频电磁场辐射抗扰度测试；

(2)严酷度等级：3级，对应的干扰源强度为10V/m；

(3)频率范围：80～1000MHz；

(4)合格判断依据[2]：测试中传感器应在额定电压下正常工作，且传感器信号输出变化不超过2%。

3　速度传感器的电磁兼容设计思路

3.1元器件的选择

这是传感器能够稳定可靠工作的首要因素，在设计时应谨慎选择每一个元件[3]。

对于速度传感器对严酷环境的要求，所有元件均应采用专用级。根据电路板的具体直径，传感器的电路设计建议采用表面贴装的元件，且封装尺寸不宜过小，以免造成元件过于密集，减少传感器内部的干扰。

3.2滤波设计

滤波是在频域上处理电磁噪声的技术，为电磁噪声提供一低阻抗的通路，以达到抑制电磁干扰的目的[4]。

可将速度传感器的电源线和信号线分别采用LC低通滤波电路和RC低通滤波电路，并在之后并联稳压管和小容量电容，使输出的电压更加稳定。

3.3电磁屏蔽

屏蔽主要运用各种导电材料，制造成各种壳体并与大地连接(俗称接地)，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径[5]。

速度传感器的机箱一般仅需要40dB左右的屏蔽效能，可采用在机箱上镀镍或铜的方法来实现屏蔽。

4　模拟退火优化算法

在速度传感器的电磁兼容设计中需要解决的一个关键技术就是结构的最优化问题，选取有效的计算方法可以显著减低产品的电磁发射水平、改善产品的性能指标、提高产品的工艺可行性。

由于电磁兼容涉及了电场强度(E场)和磁场强度(H场)的传导耦合、感应耦合、辐射耦合，情况较为复杂，无法套用计算公式且收索空间很大，所以可以选用智能优化算法寻求最优解。

目前比较常用的智能优化算法有神经网络算法、遗传算法和模拟退火算法等。其中，神经网络算法虽然具有很强的鲁棒性和记忆能力，但当数据不充分时，就无法继续进行[6]。遗传算法虽然可以处理较复杂的非线性问题，但其计算量大、稳定性差[7]。而模拟退火算法具有描述简单、运行效率高、较少受到初始条件约束等优点[8]，且不易陷入局部最优解，比较适合解决电磁兼容的最优化问题。

模拟退火算法寻优方法的具体步骤如图1所示。

图1　模拟退火寻优方法迭代框图

5　速度传感器的电磁兼容仿真结果分析

5.1测试模型的选取

汽车用速度传感器主要负责检测汽车的运行速度，是汽车上电子控制系统的重要组成部分，在工程实际中具有典型的代表作用。因此，本文选取该传感器作为测试元件，考虑到电机转速为固定值，不同应用场合的传感器，监测转速量级的差异性，特加装变频器来调整电机转速，以期达到能够满足一定范围内速度要求的试验目的，如图2所示。

图2　速度传感器测试模型

5.2优化前后测试结果对比

图3和图4为普通(结构优化前)汽车用速度传感器的电场强度(E场)和磁场强度(H场)测试结果，根据辐射耦合原理，当交变电压通过网络导体产生交变电流时，产生电磁(EM)波，E场和H场互为正交同时传播，由图中可以看出，此时E场和H场的辐射范围均较大，射频能量高，很难满足速度传感器通用技术条件的整体误差标准[10]。

图3　优化前车速传感器的电场强度分布情况

图4　优化前车速传感器的磁场强度分布情况

图5　优化后车速传感器的电场强度分布情况

图6　优化后车速传感器的磁场强度分布情况

图5 和图6分别为优化后汽车用速度传感器的电场强度(E场)和磁场强度(H场)测试结果，通过与图3和图4的对比，不难发现，优化后的射频电场和磁场的聚集点范围明显缩小，辐射强度大大削弱。辽宁出入境检验检疫局对其进行了射频电磁场辐射抗扰度测试，实际测试结果如表1所示，数据表明，优化后的产品能够满足速度传感器电磁兼容设计的要求。

表1　优化后速度传感器射频电磁场辐射抗扰度试验数据

6　结束语

速度传感器作为交通运输工具上常用的监测和控制元件，其电磁兼容问题尤为重要。针对某型速度传感器提出了电磁兼容设计方案，并以模拟退火算法寻

求了结构设计上的最优解，为该方案提出了理论基础，将改进前后的传感器的E场和H场分布进行了仿真对比，并将改进后的传感器送到辽宁出入境检验检疫局进行GB/T17626.3(IEC61000-4-3)标准的电磁兼容测试。实验结果表明该电磁兼容设计可以使辐射骚扰的强度显著减弱，说明所提出的方案正确、有效，效果令人满意。

[1]曹智，赵刚，赵健.汽车车速传感器的电磁兼容设计[J].沈阳航空工业学院学报,2008,25(2):35-38.

[2]李青侠，冷毅，董天临等.汽车用油压传感器的电磁兼容设计[J].仪表技术与传感器,2006,9:10-12.

[3]李彦芳，张晓海.传感器的电磁兼容技术研究[J].电子设计工程,2013,21(15):134-136.

[4]梁锦,石安乐，周京广，等.光电传感器的电磁兼容设计[J].传感器技术,2002,3:77-80.

[5]刘桂雄,朱海兵，洪晓斌，等.传感器EMC的重 要性与研究进展[J].自动化与信息工程,2011,1:99-102.

[6]孙凌逸，黄先祥，蔡伟，等.基于神经网络的无线传感器网络数据融合算法[J].传感技术学报,2011,24(1):122-124.

[7]贾杰,陈剑，常桂然，等.无线传感器网络中基于遗传算法的优化覆盖机制[J].控制与决策,2007,11:208-212.

[8]李芳芳,王靖.一种基于模拟退火算法的无线传感器网络最优簇类求解方案[J].传感技术学报,2011,24(6):900-904.

Research on Optimization Design of Electromagnetism Compatibility for Speed Sensor

LV Ming-zhu1,2

(1.Department of Automatic Control,Liaoning Equipment Manufacturing Professional Technology Institute,Shenyang 110161,China;2.Liaoning TV& Radio University,Shenyang 110034,China)

For the electromagnetic compatibility problem of an speed sensor,an EMC optimization design is conducted in this paper,and measures to reduce the electromagnetic interference are presented.The simulated annealing optimization algorithm is used to predict the accumulation point or the distortion point of radio frequency energy distribution for the sensor,which makes the optimization design method more reasonable and feasible.Take the vehicle speed sensor as the test mode,the simulation results of the electric field strength and the magnetic field strength before and after optimization are compared.The RF electromagnetic field radiated immunity test is conducted according to the GB/T17626.3(IEC61000-4-3)standards for the sensor after optimization,and the test results met the requirements of general technology for the electromagnetic compatibility of speed sensor.It shows that the proposed electromagnetic compatibility design can be extended and applied.

speed sensor;electromagnetic compatibility;simulated annealing algorithm;optimization design

1004-289X(2016)01-0014-04

学校应用性专项研究课题(2015YYYJ-4)

TP212

B

2015-12-02

吕明珠(1980-),女,辽宁沈阳人，研究生学历,硕士学位，讲师,主要从事电气工程和自动控制领域的教学和研究。