車輛電磁場人體防護測試系統研究

趙延華 謝耀峰 王壯

摘要：國標GB/T 31730-2018是一本針對人體防護的車輛電磁兼容測試標準，規定了時域和頻域兩種評價方法，其中時域評價方法描述較為清晰，主流試驗設備就能滿足測試需求，而頻域評價方法規定較為模糊，需要根據自身對標準理解搭建測試系統，不同參數的測試系統對試驗結果產生影響也不同。據此，以一套車輛電磁場人體防護測試系統為例，分析系統各個參數，設計試驗研究各參數不同設置對測試結果產生的影響，幫助讀者更好地理解頻域評價方式。

關鍵詞：人體防護；車輛電磁場；頻域評價

中圖分類號：U472 ?收稿日期：2023-11-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.020

1 前言

目前國際上關于車輛電磁場人體防護測試方法的相關標準有JASO TP-13002：2013《汽車中人體曝露的電磁場測試方法》、IEC62764-1：2022《Measurement procedures of magnetic field levels generated by electronic and electrical equipment in the automotive environment with respect to human exposure—Part 1：Low-frequency magnetic fields》、GB/T 37130-2018《車輛電磁場相對于人體曝露的測量方法》。其中國標GB/T 37130-2018涵蓋了車輛的所有狀態，并且對車載電器設備的工作狀態、車上測量點等進行了明確規定，可操作性高、實用性強，能夠很好地指導企業進行產品研發[1]，在乘用車和商用車上都有很好地應用。

標準GB/T 37130-2018給出了時域和頻域兩種評價方法。一般在以ICNIRP導則作為測量參考限值標準時使用時域評價方法，該評價方法標準描述的較為詳細，主流測試設備NARDA的ELT-400磁場曝露級別測試儀就能滿足測試需求。頻域評價方法通常在選定GB 8702-2014作為測量參考限值標準時采用，標準對其描述相對模糊，需要根據自己的理解來建立測試系統。對于頻域評價方法測試系統建立，已經有較多的文獻提出了自己的方法，但在測試系統的不同參數設置對試驗結果影響方面研究較少，對此，筆者以一套車輛電磁場人體防護測試系統為例，分析系統各部分參數設置，設計試驗研究不同設置下對頻域評價測量結果影響。

2 車輛電磁場人體防護測試系統

2.1 測試系統組成

車輛電磁場人體防護測試系統（以下簡稱為測試系統）是由磁場測量探頭、磁場測量主機、三線同軸線纜、示波器、網線、測試軟件組成，連接方式如圖1所示。其中各組成部分的生產單位及型號如下：磁場測量探頭和主機為NARDA的ELT-400磁場曝露級別測試儀；示波器為Rohde&Schwarz的RTO 2024示波器；測試軟件為Rohde&Schwarz的EMF測試軟件。

2.2 測試系統工作原理

磁場測量探頭和主機來接收數據，磁場探頭中內置X-Y-Z三個相互正交的環形線圈，為各向同性，測試結果與探頭的放置位置無關[2]，X、Y、Z三個環形線圈接收到數據通過三線同軸線纜傳輸到示波器，示波器將接收到的數據進行FFT轉換后再做有效值計算并記錄，記錄的數據再通過網線傳輸給測試軟件，由測試軟件來生成測試結果頻譜圖。頻域評價過程中，測試軟件對每個頻點測試結果與限值線做比較，全部頻點測試結果都低于限值就表示頻域評價合格。

3 測試系統參數設置分析

3.1 磁場曝露級別測試儀

ELT-400磁場曝露級別測試儀可調的參數有測量頻率范圍、檢波器以及磁場測量范圍，各參數可調選項見表1。其中測量頻率范圍中的30 Hz～400 kHz不能涵蓋GB/T 37130-2018測量范圍，該選擇不予考慮。磁場測量范圍中每個模式下都有LOW和HIGH兩擋，80 mT模式背景噪聲較高，通常采用320 μT模式進行測試。

3.2 示波器

3.2.1 輸入通道

輸入通道選擇示波器的前三個通道，查看供應商提供的產品手冊，輸入通道的觸發設置使用DC 1MΩ耦合。研究表明，當選擇示波器的帶寬10倍于被測信號的最高頻率時，幅值測量誤差很小，幅值達到最佳值[3]，GB/T 37130-2018測量范圍為10 Hz～400 kHz，所以最低4 MHz的帶寬就能使測試精度達到理想狀態，設置更高的帶寬會使幅度測量誤差更小，但可能會產生更高的噪聲。該測試系統中的示波器帶寬有20 MHz、200 MHz、FULL（500 MHz）三種設置，均高于10倍的測量最高頻率，帶寬調整由測試軟件進行控制。

3.2.2 采樣

標準GB/T 37130-2018規定了頻率分辨率最低要求（見表2），選擇每頻段規定的頻率分辨率最大值，用下式計算各頻段采樣時間：

Δf = fs / N=1/t ??????????????????????????????（1）

式中，Δf為頻率分辨率；fs為采樣率；N表為采樣記錄長度；t為采樣時間。

可以得出各頻段采樣時間分別為1 s、200 ms、20 ms。選用該采樣時間，取每頻段頻率最大值做采樣率，這樣設置符合標準要求，只是在采樣過程可能會產生頻率混淆，為使被測的原始信號能準確地還原，一般采樣率取值為原始信號最高頻率的2.5～10倍，按照這個取值方法可以算出各頻段的采樣率范圍（見表3）。研究的測試系統的采樣率、頻率分辨率、采樣時間見表4，可以看出采樣率高于一般取值范圍，采樣時間高于前面提到的采樣時間，這樣采樣點較多，頻率分辨率較低。

3.2.3 FFT

示波器接收的信號通過快速傅里葉變換（FFT）轉換為頻域信號，為抑制頻譜泄漏，需要加窗函數后進行檢測分析，窗函數可以選用Hamming窗或者Hanning窗，其中Hamming窗的主瓣峰值較高，但是旁瓣衰減速率較小，抑制頻譜泄漏的效果不如Hanning窗[4]，研究的測試系統采用是Hanning窗。對3個通道經過FFT轉換后的結果進行平方求和再開方，可得到每個頻點的測量電壓值，計算公式如下：

[U=（FFT（x））2+（FFT（y））2+（FFT（z））2] ??????（2）

3.3 測試軟件

示波器輸出的電壓值需要轉換為場強值，前文中提到磁場曝露級別測試儀的磁場測量范圍通常采用320 μT模式，模式有LOW和HIGH兩個擋，查供應商提供的產品手冊得到電壓與場強關系公式如下：

sensitivity=0.8 V/overload limit ??????????????（3）

可以計算出在320 μT模式的LOW擋和HIGH擋下，sensitivity分別為0.025和0.0025，研究的測試系統在測試軟件操作界面將該其表述為Probe Sensitivity（見圖2），根據選擇的測量范圍檔位填寫對應的值。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗系統搭建

使用磁場抗擾測試系統設備搭建研究試驗平臺（見圖3），信號源輸出200 Hz頻率的正弦波信號，經過音頻功放進行放大后通過輻射環天線輸出，用ELT-400場強測試儀來監控輻射環天線輸出，場強測試儀的探頭中心對準輻射環天線中心，距離50 mm。調整信號源輸出直到場強測試儀顯示場強為10 μT，調整完畢后，各設備參數如下：信號源（Rohde&Schwarz HMF2525）為-30 dBm；音頻功放（AE TECHRON 7224）為78%增益；輻射環天線（Schwarzbeck FESP 5132）。

4.2 試驗表建立

研究的測試系統中可調參數有測量頻率范圍、檢波器、磁場測量范圍、示波器帶寬和Probe Sensitivity，其中磁場測量范圍選的檔位和Probe Sensitivity存在數學關系，所以具有很強的對應性。用圖3所示的試驗布置，在320 μT模式下，使用磁場測量范圍選的擋位和Probe Sensitivity不對應的設置，其測試結果如圖4和圖5所示，可以看出，實際測試過程中這兩個參數設置錯誤會產生很大的數據偏離。

根據前文分析，除去示波器帶寬有3個選項外，其余參數均有兩個選項，這里用磁場測量范圍來代表磁場測量范圍和Probe Sensitivity，取示波器帶寬中的最低值20 MHz和最高值FULL兩個值來設計試驗，可以滿足正交表試驗設計，表5為設計的正交表。

表5 正交表

[試驗序號 測量頻率范圍，Hz 磁場測量范圍 檢波器 帶寬，MHz 1 1 to 400 k LOW PEAK 20 2 1 to 400 k LOW PEAK FULL 3 1 to 400 k HIGH RMS 20 4 1 to 400 k HIGH RMS FULL 5 10 to 400 k LOW RMS 20 6 10 to 400 k LOW RMS FULL 7 10 to 400 k HIGH PEAK 20 8 10 to 400 k HIGH PEAK FULL ]

4.3 試驗

依據4.2建立的正交試驗表進行試驗的測試結果如圖6～圖13所示。

4.4 結果分析

通過1、2、3、4組數據分別與5、6、7、8組數據對比，可以直觀地看出測量頻率范圍和檢波器設置對測試結果并沒什么太大影響，數據差異微弱。場強測量范圍方面不管是LOW擋或是HIGH擋，都可以準確地測量出200 Hz頻點給定的10 μT場強，在背景噪聲方面LOW擋更低，但其測量范圍上限比HIGH擋低。通過1組與2組、5組與6組相比，在場強測量范圍LOW擋、示波器帶寬20 MHz時情況下，高頻段的噪聲更低一些。通過3組與4組、7組與8組相比，可以看出在場強測量范圍HIGH擋、示波器帶寬20 MHz時，頻段3～10 kHz能接收到更豐富的騷擾，其他測試頻段結果噪聲更低一些。

通過上述分析可以得出結論，磁場曝露級別測試儀上的測量頻率范圍和檢波器設置對測試結果無明顯影響，場強測量范圍、示波器帶寬設置越高，測試系統的背景噪聲越高，該結論與前文中測試系統參數設置分析的結果一致。

5 結語

通過分析車輛電磁場人體防護測試系統各組成部分的參數設置，設計試驗來研究測試系統中不同參數設置對試驗結果產生的影響，實際測試過程中要根據場景需求來對系統參數進行調整，對人體防護測試頻域評價方法研究有一定的積極意義。

參考文獻

[1]張旭，蔣莉，劉欣，等.解析GB/T 37130-2018[J].安全與電磁兼容，2019（2）：27-32.

[2]蔡淑蓉，高建龍，蔣莉.車輛電磁場人體防護測試系統設計與研究[J].中國汽車，2022（4）：46-51.

[3]鄭元.數字示波器技術指標參數設置對信號波形的影響[J].課程教育研究，2015（10）：201-202.

[4]黃冬梅，唐志濤，張晉軒，等.基于FFT的電力諧波分析方法[J].電工技術，2022（20）：213-216.

作者簡介：

趙延華，男，1990年生，工程師，研究方向為汽車電磁兼容、檢測。

基金項目：中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司科研項目“車輛電磁場人體防護測試系統研究”（202301）