《飞机电气控制系统》 课件 第20次课- 电场和磁场干扰

19电场和磁场

18飞行数据和驾驶舱语音记录仪

使用电气和电子设备会干扰附近的电子设备。表达这种干扰的术语称为电磁干扰(EMI)。

在复杂的航电系统中，EMI的后果则可能非常严重。一种设备能与其他设备一起工作而不会引起EMI的能力称为电磁兼容性(EMC)。

18飞行数据和驾驶舱语音记录仪

除了EMI，设备还会受到来自环境（如无线电和雷达发射机、供电线路和闪电）的高强度辐射场(HIRF)的影响。这些辐射场产生的高能量会中断飞机上电子元件和系统的工作。（这种效应也称为高能辐射场——HERF）

18飞行数据和驾驶舱语音记录仪

静电敏感器件(ESSD)指的是容易受到杂散电荷破坏的电子器件，这里的杂散电荷主要来自操作者。这个问题在高容量存储器和电子显示器中特别常见。

19.1电磁干扰

电磁干扰(EMI)可以定义为对一个电气／电子系统的性能有不利影响的不需要的电压或电流。19.1电磁干扰

EMI产生的效应包括：

●显示错误

●音频信号中不需要的噪声

●电子显示器上的随机图案

●对讲系统和客舱电话系统中重复性的嗡呜声

●使无线电和雷达接收机变得不敏感

●雷达和导航设备中不真实的指示

●异常启动告警器19.1电磁干扰

磁场强度是对任何给定点的磁通密度的度量。根据第一原理，磁场强度B与输入的电流成正比，与离开导体的距离成反比。

19.1电磁干扰

EMI的总体效应主要取决于第一根导体上的电流大小、电流变化率（即交变电流、数字电流或者开关电流）和两根导体之间的距离。

19.1电磁干扰

磁场强度是对任何给定点的磁通密度的度量。根据第一原理，磁场强度B与输入的电流成正比，与离开导体的距离成反比。EMI的总体效应主要取决于第一根导体上的电流大小、电流变化率（即交变电流、数字电流或者开关电流）和两根导体之间的距离。19.1.1屏蔽

对一给定的电流，设计、安装导线和设备以最大限度降低EMI时，导体之间的距离和提供屏蔽是主要的考虑因素。19.1.1屏蔽

导体之间的距离将直接影响在第二根导体中感应的有害电流的大小。19.1.1屏蔽

给导体加上屏蔽就限制了磁场的耦合。第一根导体中电流I1所产生的磁场在第二根导体中感应出了电流I2。19.1.2电磁波

用电磁波这个术语来阐述EMI这个概念。电磁波实际上包含两个分量。和光一样，电磁波从一个能量源（发射机）向外传播，它包含相互垂直的电场E和磁场H。19.1.2电磁波

这两个分量（电场E和磁场H）是不可分割的。合成的波从波源沿传播方向向外推进，传播过程中，E和H相互垂直，见图19.3。19.1.2电磁波

在电磁波传播时(即利用无线电发射机和接收机)，发射机和接收机之间示出了电场E的电力线。19.1.2电磁波

发射机的天线输入了高频交流电，这在天线端部之间产生一个交变电场，并围绕天线产生一个与电场垂直的交变磁场。19.1.2电磁波

当波前从波源向外运动时，在信号的每个周期，电场E的方向都会反向一次。19.1.3双绞线

布线中用于使EMI降至最小的另一个技术是双绞线。它是一种导线形式，两个导体绞在一起，抵消外部的电磁干扰，并使相邻双绞线之间的串扰降至最低。串扰是电路之间电磁干扰的结果，也就是说，一个电

路传送的信号在另一个电路中产生有害的效应。双绞线电缆包含两个相互绞在一起、各自带有独立绝缘层的导线。

把电缆绞在一起就形成重复性的环路，每一次的扭绞会使环路的极性反向，这样，磁场只能在一个环路内耦合，不会在整个电缆上耦合。当电流通过一个环路时，磁场就会建立起来；我们可以看到，磁力线集中在环路的中心19.1.3双绞线

把两根导线绞在一起形成一根电缆是传送高速信号极其有效的方式，因为：

●进入电缆和／或从电缆辐射的大部分电气噪声都可以被消除；

●串扰（电缆内导线之间的信号“泄漏”）被降至最小。

除了每根导线传送的电能外，由于静电效应和电磁效应，导线之间也可以进行能量的耦合。对静电效应来说，两根导体之间的绝缘层就是电容器的电介质。电缆越长，电缆产生的表面面积就越大，这使得导线之间的电容增加。由于电容增加，更高频率的信号则会在导线之间产生串扰。

19.1.3双绞线

双绞线传送的典型信号。与这对导线相邻的其他系统导线会受到串扰的影响。两根导线（A和B）中每一根都传送一个+-5V的双极回零(BPRZ)数字信号。串扰的程度等于数字信号之和。如果这个信号之和为零（或接近零），串扰的影响就消失。19.1.3双绞线

一根电缆带有3根导线的情况。导线A和B形成双绞线，传送数字信号。如果导线A传送的信号相对于导线B(0V基准电压)为±10V，则导线C就会出现串扰噪声。如果数字信号按第二个示意图配置，则导线A和B上极性相反的±5V信号相互抵消，导线C上的串扰效应则消失。19.1.4带宽

带宽是模拟放大电路上下截止频率之间的差值，单位为赫兹(Hz)。它是电子技术、无线电系统和信号处理中的核心概念。在不降低电路功能的情况下，电路中的高频应尽量滤除。19.1.5辐射型EMI

整个飞机上有很多EMI源，其中已知辐射EMI的包括：●荧光灯；●无线电和雷达发射机；●电源线；●交流供电窗户加热控制器；●电动机／发电机；●开关和灯光亮度调节电路；●微处理器；●脉动高频电路；●数据总线电缆（不是光纤电缆）；●静电放电和闪电。

19.1.6EMI易感性

飞机上很多系统可能对电磁干扰比较敏感。这些系统包括：

●无线电和雷达接收机；

●微处理器和其他微电子系统；

●电子仪器；

●控制系统；

●音频和空中娱乐系统(IFE)。

一个系统是否会对电磁干扰做出不利响应取决于辐射能量的类型和量值以及接收系统的易感性门限。易感性门限是设备正常工作性能不受影响的最小干扰信号电平（传送的或辐射的）。如果该门限被超过，设备的性能将会降低。注意：当易感性门限电平高于辐射信号的电平时，电磁干扰问题就不会存在。满足这种性能的系统则具有电磁兼容性(EMC)。换句话说，这样的系统将会按照设计要求进行工作，而EMI的电平不足以影响系统的正常工作。19.2EMI的降低

电磁兼容性的计划必须在器件或系统的设计阶段就开始进行。如果没有很好地考虑这个问题，电磁干扰问题则很可能会出现。产生EMI问题需要的三个因素为：

●干扰源（有时称为噪声源）；

●耦合手段（通过传导或辐射）；

●易感元件或电路。

为了降低EMI(即电气噪声)的效应，至少必须消除其中的一个因素。下面列出一些用于降低EMI的技术，来克服上述的三个因素：(1)从源头抑制干扰(2)降低噪声耦合(3)提高易感性门限19.3高强度／能量辐射场

高强度／能量辐射场(HIRF/HERF)由飞机外部的某些射频辐射源产生。这些辐射场通过把飞机上的导线感应出电流来中断飞机上的电子元件和系统。

由于下列原因，需要保护现代电气和电子系统不受HIRF的影响：

●飞机的持续安全飞行和着陆依赖于使用的这些系统；

●复合材料的使用越来越多（降低了金属结构所自然具有的法托第屏蔽效应）；

●数字系统越来越复杂（处理速度更快、集成电路的密度更高）；

●微波使用的频度越来越高；

●发射机的数量和功率不断增加；

●射频发射机的使用快速增加。19.3高强度／能量辐射场HIRF环境是大功率射频能量发射到自由空间后产生的。这些能量发射可以来自与地基设备、船舶或其他飞机通信的军用系统、电视、无线电、雷达和卫星。当飞机处于HIRF环境时，飞机上的系统和设备会受到不利影响，有可能会出现系统失效、故障或误导性信息。

对HIRF特性的分析集中在发射频率和电磁场强度上。射频发射的实际考虑条件是大约从10kHz到100GHz。电磁场强度定义为电磁能量在自由空间传播的幅值，用伏／米(V／m)表示。飞机系统需要在一个频率和电磁场强度范围内进行测试和分析，才能确定其易感特性；电磁场从一点传播到另一点时，其强度也会由于衰减(用分贝(dB)表示）而降低。19.4闪电

闪电和降水与积雨云内部的电气活动有关。闪电是由大气中大量静电荷的聚集引起的。降水可定义为水蒸气在大气中冷凝后降落到地面的结果。（美国达美航空）19.4闪电

电气活动可从雷雨云的顶部开始，或者从降水区的边缘开始。如果飞机遭到雷击或放电，其结构和接地被设计成可以耗散这种能量

西雅图塔科马国际机场附近。19.4.1法拉第屏蔽

飞机的金属结构可作为一种法拉第屏蔽。由导电材料构成的一个壳体，使结构内部不受电磁效应的影响。外部电场会使结构内部的电荷重新分布，从而在机身内部抵消电场的影响。闪电一般从飞机的端部（如机头或翼尖）进入飞机；电流流经导电结构，然后从另一端离开飞机。1区为预计闪电进入和离开飞机的区域；2区和3区为整个飞机提供导电通路。19.4.2飞机的构造

金属结构耗散外部电磁场产生的电流，因而能够降低或消除电磁干扰。越来越多的飞机现在使用不导电的复合材料，从单个构件到整个外壳的情况都有。在这种情况下，法拉第屏蔽效应必须设计在复合结构内，作为一种导电材料网。飞机上经常受到闪电影响的一个重点部位是机头，机头由复合材料构成，因而没有内在的导电通路，通过配装闪电导电条来获得保护。19.4.3对HIRF和闪电进行防护的飞机认证HIRF威胁等级可根据电磁场的强度和射频信号的频率进行粗略的考虑。符合HIRF要求一般涉及多个因素，包括：

●测试整个飞机；

●设备测试；

●与其他设备的可比性／相似性。

事实上，进行设备和系统的HIRF/L，免疫性和易感性认证是通过上述几种工作的不同组合来完成的。对新型号的飞机需要实施综合的测试计划；这需要对整个飞机进行测试，发动机和各种系统都要处于工作状态。为了满足这种同一个系统具有不同等级的需要，应使用变化的HIRF环境条件：19.4.4HIRF/L防护的维护

维护工程师有几项基本任务，其目的是确保HIRF/L防护功能和器件在飞机的持续适航期内能够正常工作。这些任务包括：

●搭接线的电阻测量；

●导线／电缆电阻或阻抗的测量；

●检查和拆卸连接器，以检测有无腐蚀或连接失效。19.4.5飞机布线和电缆铺设

在拥挤的空间内存在很多潜在EMI的情况下，飞机的布线和电缆铺设在维持飞机电磁兼容性中就起着关键的作用。辐射噪声的导线应与易感性设备保持合适的距离。例如，射频导航系统的导线在飞机上的走向需要进行精心的设汁，以确保高度的电磁兼容性。射频系统导线走向的任何变化都可能对飞机的电磁兼容性产生不利影响。所有导线类型的间隔要求必须得到遵守，导线长度应越短越好，以使耦合降到最低。导线带有屏蔽以防护由闪电引发的EMI时，一定要使屏蔽层的接地（抽头）长度符合设计要求。比设计长度多出一两英寸将会使闪电防护性能降低。设备接地的长度不能超出设计规范。电路接地如果阻抗过大，就可能起不到接地的作用。

19.5接地和搭接

飞机结构提供了降低EMI以及保护飞机、乘客、机组人员和系统不受雷击和静电放电影响的极其重要的手段。接地和搭接是用于实现电气完整性的具体技术手段。

19.5接地和搭接

接地和搭接也是把高强度辐射场(HIRF)的影响降到最低的手段；这些辐射场来自高能无线电发射机和雷达设备。接地和搭接的电阻通常要求低于0.001～0.003欧。

接地可定义为把器件接到一个导电结构或另一个返回通路以构成一个电路的技术。搭接指的是把两个或更多的没有用其他方式连接的导电物体进行电气连接的技术。在飞机上进行搭接和接地为的是完成以下任务：

●把来自高强度辐射场(HIRF)和雷击的能量耗散掉；

●把静电耗散掉；

●限制设备之间的电势差；

●为接地回路系统提供低阻通路。

19.5接地和搭接主要的搭接类型有：

设备搭接：电子设备通常需要有对飞机结构的低阻抗通路，以提供射频返回电路以及便于降低EMI的影响。

金属表面搭接：位于机身外部的所有导电物体都应当通过机械接头、导电铰链或搭接带与机身进行电气连接．这样就可以传递由雷击引发的静电放电和电流。

静电搭接：飞机内外面积大于3in-、线性尺寸超过3in的遭受静电放电的所有隔离性导电通路，都应具有与飞机结构的可靠机械连接，连接的飞机结构应有合适的导电性，以便耗散可能的静电放电。

19.6静电敏感器件(ESSD)电子技术的进步带来很多新型产品和功能，如更快的处理器、更高容量的存储器和高效显示器。这些技术进步主要来自于半导体面结物理尺寸的减小，这使得可以在给定尺寸的集成电路上放置更多的器件。与处理半导体器件有关的一个突出问题，是变小的面结容易受到静电电压的破坏。

19.6.1摩擦生电效应

两个有差异的非导电材料相互摩擦时，这种摩擦把电荷从一种材料转移到另一种材料。这就提高了材料之间的电势，这种现象称为摩擦生电效应。电荷的极性和强度主要取决于材料、表面光洁度、环境温度和湿度。

在干燥的空气中工作时，人们一接触金属物体就会迅速释放静电（有时产生火花）。这是因为他们的皮肤相对比较十燥（摩擦时会带有很多正电），当他们穿的农服是带负电荷的人造材料（如聚酯）时，这种现象还会被强化。在潮湿的大气中，这种效应要弱化很多，杂散电荷会无害地“泄漏”到大气中（注意：潮湿的皮肤更容易耗散电荷）。建议那些由于皮肤干燥而聚集静电荷的人穿着全棉衣服，因为棉花在摩擦生电刻度表上是中性的。

19.6.2工作环境

电子工业的问题是，高电压可以在人体和材料上聚集，然后释放给设备。这种放电可以弱化和／或损坏电子元件。在不同的相对湿度下，产生的电压有明显的差异

19.6.2工作环境静电敏感器件（包括印刷电路板、电路模块和插入式器件）都带有警告标签。这些标签通常为黄底黑字。

19.6.2工作环境手腕带（和脚腕带）是通过短导线与有效接地点相连的导电环。短导线通常配有IM一体式电阻器，该电阻器使人体与工作设备之间产生的电流达到最