王曉東　李峰

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，越來(lái)越多的醫(yī)用電氣設(shè)備應(yīng)用于對(duì)患者的監(jiān)護(hù)和診斷治療中。本文主要研究了醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)中關(guān)于屏蔽的一些常用方法，文中詳細(xì)介紹了電場(chǎng)屏蔽，磁場(chǎng)屏蔽，電磁場(chǎng)屏蔽的原理以及解決屏蔽體孔縫問(wèn)題的常用方法。通過(guò)研究希望能夠?qū)?shí)際應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)和參考作用。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容 屏蔽 孔縫

【Abstract】With the rapid development of science and technology， more and more medical electrical equipment is applied to the monitoring and diagnosis of patients.This paper mainly studied the mommonly used shielding methed in electromagnetic compatibility design of medical electrical equipment. In this paper， the principle of electric field shielding， magnetic field shielding， electromagnetic shielding and the commonly used method to solve the problem of aperture were introduced in detail. By studying， the research result was expected to play a guiding and reference role in practical application.

【Key words】Electromagnetic Compatibility；Shield；Aperture；

1 引言

當(dāng)前各種電氣設(shè)備應(yīng)用于同一空間勢(shì)必就會(huì)引起電磁干擾的問(wèn)題，一方面電氣設(shè)備本身會(huì)向外輻射各種電磁干擾信號(hào)，同時(shí)其也會(huì)遭受空間干擾信號(hào)的干擾。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的就是消除或減弱設(shè)備本身的電磁干擾同時(shí)提高其抗干擾能力，保證良好的電磁兼容性。屏蔽，濾波和接地是電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)的三種基本技術(shù)，本文主要針對(duì)醫(yī)用設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)中屏蔽方法進(jìn)行研究。

2 屏蔽的分類(lèi)

屏蔽通常意義是指利用屏蔽體阻斷或者減小空間電磁能量傳播的方法，是抑制電磁發(fā)射和防護(hù)電磁騷擾的重要手段。屏蔽技術(shù)根據(jù)其機(jī)理可以分為電場(chǎng)屏蔽，磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。

2.1 電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)屏蔽的實(shí)質(zhì)就是消除或抑制干擾源和被干擾電路或系統(tǒng)的電耦合，電場(chǎng)屏蔽又可以分為靜電場(chǎng)屏蔽和交變電場(chǎng)的屏蔽。

（1）靜電屏蔽。靜電場(chǎng)中處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體是一等位體，電荷均分布于導(dǎo)體表面，其內(nèi)部沒(méi)有靜電荷電場(chǎng)為零。所以若導(dǎo)體為空腔導(dǎo)體，則導(dǎo)體內(nèi)部腔體沒(méi)有電場(chǎng)，故可以起到隔絕外部靜電場(chǎng)的作用。若腔體內(nèi)部置有帶電體，靜電平衡時(shí)會(huì)在腔體內(nèi)表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，同時(shí)外表面也會(huì)有等量異號(hào)電荷，故而對(duì)外產(chǎn)生干擾。為了有效解決這一問(wèn)題，可以將腔體外表面接地處理，使外表面電荷流入大地，從而消除其對(duì)外的影響。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽的兩個(gè)主要條件：一是有完整的屏蔽體；二是屏蔽體接地良好。（2）交變電場(chǎng)屏蔽。在交變電場(chǎng)中導(dǎo)體之間的電場(chǎng)感應(yīng)主要是通過(guò)耦合電容產(chǎn)生的，要減小這種互相之間的干擾的前提就是減小耦合電容。

如圖1所示，假設(shè)A點(diǎn)為干擾源，B為被干擾對(duì)象，A和B的對(duì)地電位分別為UA和UB，則有：

式（1）中C1為A、B之間的分布電容；C2為被干擾對(duì)象的對(duì)地分布電容。所以由（1）式可見(jiàn)要想減弱被干擾對(duì)象B的電場(chǎng)感應(yīng)，一方面可以通過(guò)減小A、B間的分布電容C1實(shí)現(xiàn)，另一方面可以通過(guò)增大B的對(duì)地電容C2。如圖2所示，現(xiàn)在A、B之間插入屏蔽板，則A、B分別與屏蔽板之間形成新的分布電容C3和 C4，由于屏蔽板時(shí)接地的，所以此時(shí)電容C2 和C4是并列關(guān)系，C3對(duì)B不會(huì)產(chǎn)生影響，所以B點(diǎn)的感應(yīng)電壓為：

由式（1）和式（2）對(duì)比可見(jiàn)C2 與C4之和會(huì)遠(yuǎn)大于C2，同時(shí)也小于C1，所以可得在B點(diǎn)的感應(yīng)電壓大大的減小了，達(dá)到了屏蔽的目的。

2.2 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)干擾對(duì)醫(yī)用電氣系統(tǒng)的影響是非常嚴(yán)重的，尤其對(duì)于電子顯微鏡，生物腦電波掃描儀，核磁共振成像系統(tǒng)等對(duì)磁場(chǎng)比較敏感的設(shè)備。磁場(chǎng)屏蔽的主要目的就是減弱恒定或者交變磁場(chǎng)與被干擾對(duì)象之間的磁耦合。實(shí)際工程應(yīng)用中主要通過(guò)兩種方式，一種是利用高導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，一種是利用導(dǎo)電材料產(chǎn)生反向磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽。

如圖3所示利用高導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽主要是利用了高導(dǎo)磁材料的低磁阻特性，將外部騷擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路，使被屏蔽體包圍的區(qū)域磁場(chǎng)大大減弱即H1H0，以此達(dá)到消除磁場(chǎng)干擾的目的。但是利用高導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽在應(yīng)用過(guò)程中也有其局限性，一是超導(dǎo)材料的磁導(dǎo)率會(huì)隨著頻率的增加，磁導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)的下降；二是導(dǎo)磁材料本身具有飽和性，當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，磁導(dǎo)率會(huì)下降；因此在應(yīng)用中一定要考慮實(shí)際工作頻率和外部騷擾磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

當(dāng)外部騷擾磁場(chǎng)頻率較高時(shí)可以考慮采用導(dǎo)電材料作為屏蔽體。如圖4所示，在高頻磁場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，尤其如銅鋁類(lèi)的良導(dǎo)體，感應(yīng)渦流較大，而渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好外部磁場(chǎng)方向相反，可抵消外部磁場(chǎng)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)屏蔽的效果。渦流因?yàn)榧w效應(yīng)只在導(dǎo)體表面流動(dòng)，所以采用導(dǎo)電材料屏蔽時(shí)，不需要屏蔽體太厚，只需要很薄的一層金屬即可達(dá)到屏蔽的效果。

2.3 電磁場(chǎng)屏蔽

電磁場(chǎng)屏蔽顧名思義就是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)的空間傳播，電磁波在穿越屏蔽體時(shí)會(huì)伴隨著反射和吸收，實(shí)現(xiàn)電磁波能量的衰減。

如圖5所示，當(dāng)電磁波傳播至屏蔽體時(shí)，由于空氣和屏蔽體的特性阻抗不同，所以電磁波在分界面會(huì)發(fā)生發(fā)射，致使進(jìn)入屏蔽體的電磁波能量減弱，這種因?yàn)榉瓷涠斐扇肷潆姶挪芰克p的情況即為反射衰減。反射衰減的大小主要取決于屏蔽體的特性阻抗和電磁波頻率，屏蔽體特性阻抗和空氣相差越大反射越大，電磁波頻率越低反射越強(qiáng)。當(dāng)然進(jìn)入屏蔽體的電磁波在穿出屏蔽體時(shí)同樣要發(fā)生反射，而且此反射波會(huì)在空氣和屏蔽體界面發(fā)生多次反射。電磁波在傳輸過(guò)程中除了發(fā)生反射衰減外進(jìn)入屏蔽體后會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流削弱了電磁場(chǎng)，進(jìn)一步使電磁波能量得到衰減，這種能量衰減方式稱(chēng)為吸收衰減。吸收衰減主要受電磁波頻率和屏蔽體厚度的影響，頻率越高，厚度越大，吸收衰減越大。

3 屏蔽體的設(shè)計(jì)

屏蔽體在實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛，如屏蔽室、設(shè)備機(jī)箱外殼、屏蔽線纜等。不同的設(shè)備特點(diǎn)，不同的工作環(huán)境，對(duì)屏蔽的要求是不同的，但是設(shè)計(jì)的總體原則和處理技巧是統(tǒng)一的。

3.1 屏蔽的設(shè)計(jì)原則

（1）明確屏蔽保護(hù)對(duì)象。如果屏蔽對(duì)象為外部電磁騷擾，則需了解所處環(huán)境可能造成干擾的電磁強(qiáng)度以及敏感電路的承受能力；如果屏蔽對(duì)象對(duì)內(nèi)部電磁場(chǎng)，則需估計(jì)可能產(chǎn)生的電磁強(qiáng)度以及外部環(huán)境對(duì)電磁輻射的限值要求。如此即可確定屏蔽體所要達(dá)到的屏蔽效能。（2）選擇屏蔽方式。由前面所述的屏蔽原理可知針對(duì)電場(chǎng)，磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的屏蔽方法是不同的。電場(chǎng)屏蔽中屏蔽體只需是良導(dǎo)體即可，對(duì)屏蔽體厚度無(wú)要求。磁場(chǎng)屏蔽中，若在低頻情況下則屏蔽體需采用高導(dǎo)磁材料同時(shí)要滿(mǎn)足一定的厚度；若再高頻情況下則需采用一定厚度的良導(dǎo)體作為屏蔽體。電磁場(chǎng)屏蔽中屏蔽體需采用良導(dǎo)體，屏蔽體的厚度取決于電磁波的頻率和強(qiáng)度。（3）屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用中的屏蔽體會(huì)根據(jù)設(shè)備不同的功能需要，在屏蔽體上必須有孔縫和電纜穿透等，并不是理想中的完整連續(xù)結(jié)構(gòu) ，所以需要采取一定的技術(shù)手段既保證設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)又不至于降低屏蔽體的屏蔽效果。

3.2 屏蔽設(shè)計(jì)中常用的處理方法

屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響其完整性主要有兩方面：一是由于電纜線的出入引起的穿透；二是為了通風(fēng)、開(kāi)箱以及窺視等留下的孔縫。電纜的穿透引起的屏蔽性能降低可以通過(guò)濾波方法解決，本文主要介紹對(duì)孔縫的常見(jiàn)處理方法。

（1）縫隙的存在造成屏蔽體在結(jié)構(gòu)上不連續(xù)不完整，勢(shì)必會(huì)引起輻射泄漏，是導(dǎo)致屏蔽體屏蔽效能下降的主要因素之一。實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)通過(guò)減小縫隙長(zhǎng)度，增加縫隙的深度，在結(jié)合面使用電磁襯墊和增加緊固連接等手段解決縫隙問(wèn)題。接縫處盡量采用連續(xù)焊接，如果實(shí)際情況不允許，也應(yīng)當(dāng)采用電焊、小間距鉚接或者螺釘連接，鉚釘間距應(yīng)小于最高工作頻率波長(zhǎng)的1/20；若接縫不平整或者是可移動(dòng)面板則需采用金屬絲網(wǎng)、導(dǎo)電布、導(dǎo)電橡膠等襯墊進(jìn)行電磁密封處理。（2）醫(yī)用電氣設(shè)備的外殼很多都會(huì)有顯示窗，其中諸如發(fā)光二極管類(lèi)的小顯示器件一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁泄漏。但是對(duì)于尺寸較大的顯示窗就會(huì)引起明顯的電磁泄漏，通常通過(guò)兩種方法處理：一種是顯示窗采用導(dǎo)電玻璃，透明聚酯膜等透明屏蔽材料；另一種是如果顯示器本身不產(chǎn)生電磁輻射，則用隔離艙把內(nèi)部電路和顯示器隔離開(kāi)，這樣既不影響視覺(jué)效果又能有較高的屏蔽效能。（3）如果設(shè)備發(fā)熱量較大就必須進(jìn)行通風(fēng)處理，這就要求在需要通風(fēng)的部位設(shè)置通風(fēng)窗，但是這就破壞了屏蔽體的完整性。這種情況一般會(huì)采用防塵屏蔽通風(fēng)板進(jìn)行電磁防護(hù)，如果EMC要求比較高也可采用截止波導(dǎo)通風(fēng)板。（4）設(shè)備外殼經(jīng)常會(huì)有操作桿或者控制軸，這也要求在外殼上開(kāi)孔，這也會(huì)破壞屏蔽體的完整性。同樣可以在軸與外殼之間使用圓柱形截止波導(dǎo)管或者隔艙解決問(wèn)題，同時(shí)要是控制軸為金屬器件則會(huì)成為潛在的電磁干擾的發(fā)射或接受天線，所以采用非金屬軸為宜。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)醫(yī)用電器設(shè)備在電路設(shè)計(jì)中為防止電磁干擾而進(jìn)行的屏蔽方式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，文中系統(tǒng)的介紹了針對(duì)電場(chǎng)，磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的屏蔽原理以及常見(jiàn)的孔縫問(wèn)題處理方法。文中研究?jī)?nèi)容對(duì)電磁兼容設(shè)計(jì)中的屏蔽設(shè)計(jì)具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Schulz. Shielding theory and practice[J].IEEE Transactions EMC，1988（3）：187.

[2] 聶世東.低頻磁屏蔽膜的制備和性能研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 李雪，劉泰康，姜云.電磁屏蔽技術(shù)分析[J].電子工藝技術(shù)，2007（1）：114-117.

[4] 杜宗祥.電磁屏蔽中的一般概念和技術(shù)方法[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2007（8）：13-15.

[5] 張亮.電磁兼容技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014（4）.

[6] 梁振光.電磁兼容原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007（6）.

作者簡(jiǎn)介：王曉東（1984—），男，陜西西安人，研究生，畢業(yè)于燕山大學(xué)信息學(xué)院，工程師，研究方向：醫(yī)療器械檢測(cè)。