劉晨，沈介明

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電子產(chǎn)品應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，因此產(chǎn)品的安全性能需要引起重視。根據(jù)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的JJG 843-2007《泄漏電流測(cè)試儀檢定規(guī)程》，在對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)時(shí)，泄漏電流是必檢項(xiàng)目，泄漏電流是指設(shè)備在外界施加電壓的作用下，相互絕緣的金屬部件之間或帶電部件與接地部件之間，通過(guò)其周圍的介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流。泄漏電流的大小是衡量電子產(chǎn)品絕緣性能的指標(biāo)之一，同時(shí)也關(guān)系到使用者的人身安全。

在工業(yè)設(shè)備、信息設(shè)備和家用電器等國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，通常是使用泄漏電流測(cè)試儀來(lái)測(cè)量電子產(chǎn)品在工作狀態(tài)下通過(guò)絕緣或分布參數(shù)阻抗產(chǎn)生的與工作無(wú)關(guān)的泄漏電流，其輸入阻抗為模擬人體的阻抗[1]。在對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量時(shí)，通常通過(guò)模擬人體阻抗模型來(lái)模擬人體對(duì)泄漏電流的感知特性，當(dāng)人體觸摸到被測(cè)設(shè)備時(shí)流過(guò)的電流即為泄漏電流。測(cè)量泄漏電流時(shí)主要測(cè)量絕緣電阻、輸入阻抗和頻率特性等指標(biāo)[2]。內(nèi)置在泄漏電流測(cè)試儀的人體阻抗模型是不可拆卸的，無(wú)法取出對(duì)其進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。而根據(jù)不同的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，利用公式推導(dǎo)出不同頻率下的傳輸特性的方法，由于推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，并且沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算公式，因而也有一定的不足。因此，利用LABVIEW建立計(jì)算模型，提供一種快速且具備普適性的方法是十分必要的。

1 人體阻抗網(wǎng)絡(luò)模型

測(cè)量泄漏電流的原理是利用一個(gè)“電阻-電容”網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬人體阻抗，目前國(guó)際上對(duì)燈具、醫(yī)療設(shè)備、家用電器和電動(dòng)工具等進(jìn)行了人體阻抗模型的定義，隨著更加深入地對(duì)泄漏電流的研究，定義的人體阻抗模型需要更加科學(xué)、準(zhǔn)確地反映阻抗特性。人體阻抗主要分為皮膚阻抗和人體內(nèi)部阻抗，影響人的皮膚阻抗的因素有很多，包括：電壓、頻率、觸電時(shí)間、接觸面積、接觸力度和皮膚濕度等。因?yàn)槭悄M人體的阻抗，所以會(huì)有男性和女性的差異，同時(shí)健康狀態(tài)與生病狀態(tài)體現(xiàn)出的阻抗結(jié)構(gòu)也會(huì)有所不同。

根據(jù)人體對(duì)泄漏電流的不同反應(yīng)效應(yīng)，將泄漏電流分為4種：感知電流、反應(yīng)電流、擺脫電流和電灼傷電流。感知電流指通過(guò)人體引起感覺(jué)的最小電流，一般在0.5 mA左右。擺脫電流指人觸電后可以自主擺脫的最小電流，一般情況下電流超過(guò)10 mA時(shí)，觸電人會(huì)因肌肉收縮而抓緊帶電體，無(wú)法擺脫帶電體。電灼傷電流是指經(jīng)過(guò)人體時(shí)由于功率消耗而使人體產(chǎn)生電灼傷的地電流，一般電流密度在300～400 mA/cm2時(shí)人體會(huì)被灼傷。根據(jù)IEC 60990：1999《接觸電流保護(hù)導(dǎo)體電流的測(cè)試方法》[3]，電灼傷電流、感知電流、反應(yīng)電流和擺脫電流的人體模擬網(wǎng)絡(luò)如圖1-3所示。除此之外，不同行業(yè)對(duì)測(cè)試泄漏電流時(shí)模擬人體網(wǎng)絡(luò)也給出了各自的標(biāo)準(zhǔn)，例如：信息產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)IEC 60950、家用電器標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335、醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)IEC 60065、美國(guó)醫(yī)療和牙齒設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)UL 544等。

圖1 電灼傷電流的人體阻抗模型

圖2 感知電流、反應(yīng)電流的人體阻抗模型

圖3 擺脫電流的人體阻抗模型

在人體接觸電源頻率不高的情況下，人體阻抗可以看成是一種純電阻，但是，隨著接觸電源頻率的升高，人體阻抗不再是純電阻，而是隨著頻率的升高而不斷地變化。目前新型泄漏電流測(cè)試儀的泄漏電流測(cè)試范圍已達(dá)到1 MHz[4]，因此，根據(jù)實(shí)際情況確定好所選擇的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)后，需要對(duì)人體阻抗模型頻響進(jìn)行校準(zhǔn)，通常將此網(wǎng)絡(luò)在不同頻率下的輸入阻抗作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

人在觸電時(shí)整個(gè)人身體的阻抗的大小，即為從模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端（A端-B端）輸入的阻抗的大小[5]。通過(guò)對(duì)IEC 60990：1999所規(guī)定的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究可得，為了滿足各種電器安全要求中的規(guī)定，輸入的阻抗值應(yīng)如表1所示。

表1 不同頻率下人體阻抗模型的輸入阻抗

2 基于LABVIEW的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)模型框架及計(jì)算過(guò)程

2.1 利用LABVIEW建立模型的優(yōu)勢(shì)

LABVIEW提供了一種圖形化編程方法，可直觀地顯示應(yīng)用的各個(gè)方面，包括硬件配置、測(cè)量數(shù)據(jù)和調(diào)試。這種可視化方法可讓用戶輕松地集成任何供應(yīng)商的測(cè)量硬件，使用程序框圖直觀地表示復(fù)雜的邏輯，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析算法，以及設(shè)計(jì)自定義工程用戶界面。根據(jù)上面對(duì)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的分析，評(píng)價(jià)泄漏電流的關(guān)鍵是對(duì)應(yīng)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗的性能分析，而實(shí)際上因?yàn)閭€(gè)體差異及環(huán)境因素等多方面的影響，模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)各不相同，而對(duì)應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)其計(jì)算也是十分復(fù)雜的，通過(guò)LABVIEW建立人體阻抗模型是快速、高效地計(jì)算人體阻抗網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)的重要途徑之一，其可節(jié)省計(jì)算時(shí)間，可以為測(cè)試提供不同的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 人體阻抗模型的搭建

2.2.1 程序設(shè)計(jì)

通過(guò)LABVIEW搭建計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)行主界面（前面板）包括模塊選擇、頻率設(shè)定、電路選擇和阻抗計(jì)算結(jié)果4個(gè)部分。人體阻抗模型可以簡(jiǎn)化成多個(gè)并聯(lián)電路串聯(lián)在一起，模塊選擇器選擇簡(jiǎn)化后并聯(lián)電路的數(shù)量，模塊數(shù)量最多可選3個(gè)。頻率設(shè)定選擇中系統(tǒng)設(shè)定默認(rèn)頻率為20 Hz～1 MHz，也可自定義頻率，計(jì)算特定頻率的傳輸阻抗。電路選擇部分是將人體網(wǎng)絡(luò)模型拆分為幾個(gè)模塊后，選擇每個(gè)模塊的電路，程序涵蓋所有可能的電路組成，包括單電阻串聯(lián)、電阻電容并聯(lián)、二階并聯(lián)含電容電阻串聯(lián)、三階并聯(lián)含電容電阻串聯(lián)、三階并聯(lián)和二階并聯(lián)-串并聯(lián)混合。選擇電路后，將各個(gè)元器件的參數(shù)輸入到表格中。結(jié)果顯示部分用來(lái)顯示所計(jì)算出的人體網(wǎng)絡(luò)模型的阻抗值。

2.2.2 結(jié)果分析

將圖1-3所示的電路圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，程序輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)行阻抗結(jié)果計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4-6所示。

圖4 電灼傷電流網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗計(jì)算結(jié)果

由結(jié)果可知，通過(guò)LABVIEW建立模型的方式計(jì)算出的人體網(wǎng)絡(luò)傳輸特性與IEC 60990：1999所給出的結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了模型建立的準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)的通過(guò)公式計(jì)算傳輸阻抗的方法相比，此建模方法不需要進(jìn)行繁瑣的公式推導(dǎo)，只需正確地分析電路并將其簡(jiǎn)化，即可快速地計(jì)算出傳輸特性。

圖5 感知電流、反應(yīng)電流網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗計(jì)算結(jié)果

圖6 擺脫電流網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的計(jì)算人體阻抗網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的、通過(guò)公式推導(dǎo)的計(jì)算方法。除以上人體阻抗模型外，當(dāng)需要根據(jù)身體的實(shí)際情況進(jìn)行模擬時(shí)，則人體阻抗模型里的參數(shù)需要適當(dāng)?shù)馗淖?，以更科學(xué)、實(shí)際地反映人體阻抗。此方法適用于任何人體阻抗模型傳輸阻抗的計(jì)算，為正確測(cè)量泄漏電流提供了有力的保障，對(duì)提高產(chǎn)品的安全性起到了至關(guān)重要的作用。