0 引　言

随着电子设备和系统在舰艇上的大量使用，舰艇的电磁环境日趋复杂，电磁干扰问题日益严重。所以，对于电子设备电磁兼容性设计的要求越来越高。否则，电子设备既无法保持自身的正常工作，也会使其他电子设备受到其电磁抗干扰而无法正常工作。同时，电子设备所产生的电磁环境会构成电磁污染，容易对人体产生伤害，更为严重的可能泄露机要信息。

船用质谱仪作为舰艇舱室气体测量的主要设备，其电磁兼容性能的好坏直接关系到舰艇舱室环境检测的准确性，对艇员的正常生活和工作，甚至舰艇的作战能力都会产生很大的影响。因此，船用质谱仪必须满足 GJB151B《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》的相关规定。本文着重介绍从结构设计方面对船用质谱仪进行的电磁兼容设计。

1 电磁兼容设计原理

设备或系统的电磁兼容能力，可称为“电磁兼容性”，包括电磁干扰、耦合路径和电磁敏感度 3 个方面的内容^[1]。电磁兼容设计的原则是：分析电磁干扰源、耦合途径和敏感设备，采取有效的技术手段，抑制干扰源、消除或减弱干扰的耦合，降低敏感设备对干扰的响应。从而有效的最大限度降低设备对外的电磁干扰，降低设备对外界电磁干扰的敏感度，提高产品的电磁兼容性。

常见的电磁兼容设计方法有：优化信号设计、完善线路设计、滤波、屏蔽、接地与搭接、合理布局等^[1]。对于结构设计来说，最主要的是考虑屏蔽、接地与搭接、合理布局等3方面的内容。本文重点针对屏蔽和线缆敷设 2 个方面对船用质谱仪的电磁兼容结构设计展开论述。

2 船用质谱仪的电磁兼容结构设计 2.1 屏蔽设计 2.1.1 屏蔽设计原理

屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体是用以阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，对干扰源或感受器（敏感设备、电路或组件）进行屏蔽，能有效地抑制干扰并提高电子系统或设备的电磁兼容性，是电子设备结构设计必须考虑的重要措施之一^{[1 – 2]}。

2.1.2 屏蔽的种类

根据其抑制功能不同，屏蔽可分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。

1）电屏蔽的实质是减小 2 个回路（或 2 个元件、组件）间电场感应的影响。电屏蔽体利用良导体制成，既可阻止屏蔽体内腔干扰源产生的电力线泄漏到外部去，也可阻止屏蔽体外的电力线进入到屏蔽体内腔^{[1 – 6]}。为获得高屏蔽效能，要尽量缩小开孔面积和减少开孔数量。根据屏蔽效能的要求，可采用单层屏蔽、双层屏蔽等多种结构形式。

2）磁屏蔽主要是依赖高磁导率材料所具有的低磁阻特性起到磁分路作用，对低频磁场进行屏蔽^{[1 – 7]}。根据使用要求选择合适的连接方式，在接缝处应有足够的重叠。螺钉连接时，还要尽可能减小螺钉间距，并在接缝处加装辅助屏蔽材料。若要求达到较高的屏蔽效果时，一般采用双层或多层屏蔽。

3）电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁场在空间传播的一种措施。通常通过 3 种不同机理进行衰减：涡流引起的吸收损耗，屏蔽体表面反射引起的反射损耗，屏蔽体各表面多次反复反射引起的多重反射损耗。

2.1.3 船用质谱仪的屏蔽设计

船用质谱仪内部包含电源、气路、PLC 控制、质谱分析、计算机以及红外 CO 分析仪等功能单元。这些功能单元共同运行在同一个机柜中，那么就要求这些功能单元在共同运行过程中相互适应。因而在船用质谱仪结构设计中首先要考虑控制各功能单元的电磁辐射，保证各功能单元互不干扰和不干扰外部其他设备，其次也要保证各功能单元不受外界电磁辐射的干扰。

船用质谱仪结构设计从材料选择、形状、结构形式以及接缝和开孔的屏蔽处理等方面充分考虑，进行电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽，来增强设备的抗电磁干扰能力，提高设备的电磁兼容性。

2.1.3.1 船用质谱仪机柜材料选择和形状确定

在船用质谱仪机柜材料的选择和形状确定上，要综合考虑电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三者的兼容问题，不能偏重某一方面而忽视其他方面。

根据屏蔽设计原理，船用质谱仪机柜应使用高导电材料屏蔽电场，使用高导磁材料屏蔽磁场，使用电导率高的材料屏蔽电磁场^{[5 – 7]}。船用质谱仪机柜形状要尽量减少接缝和开孔，接缝处理及开孔形状、布置要符合屏蔽要求，以降低对屏蔽效果的影响。

根据安装、使用和维修的需要，船用质谱仪机柜整体结构设计为机柜主体框架和 6 个可拆卸门板相结合的结构形式^[8]。机柜主体框架留有安装气路模块、操作面板和航插的开孔，门板分别留有安装计算机和水路、气路接口的开孔，如图 1 所示。

综合考虑材料的导电性、导磁性和电导率，以及尽量减少接缝的设计原则，机柜主体框架采用铝合金铸造成型，门板采用铝合金板材机加工而成。机柜主体框架和门板、气路模块以及操作面板的接缝宽度设计为 20 mm。机柜主体框架和门板均要经过导电氧化处理，防腐蚀的同时保证具有良好的导电性。

2.1.3.2 内部结构形式

为保证船用质谱仪内部各功能单元正常工作，不产生互相干扰，将内部各功能单元进行模块化设计。将各个功能单元分别封闭到不同的屏蔽盒中，形成一个个独立的屏蔽模块，各屏蔽模块之间通过航插和屏蔽电缆进行连接。机柜主体框架内部相应设计成分层结构，方便各屏蔽模块的安装，如图 2 所示。独立的屏蔽模块、屏蔽电缆和机柜形成了对电场、磁场和电磁场的双层屏蔽，大幅提高了仪器的屏蔽效果。同时，屏蔽盒采用不锈钢制作，可以弥补由铝合金材料制成的机柜对低频磁场屏蔽的不足。

2.1.3.3 接缝和开孔的屏蔽处理

船用质谱仪采用机柜和独立屏蔽盒对仪器进行双层屏蔽，那就需要分别对船用质谱仪机柜和独立屏蔽盒的接缝和开孔进行屏蔽处理。

1）船用质谱仪机柜接缝和开孔的屏蔽处理

船用质谱仪机柜接缝包括：机柜主体框架和各门板、气路模块以及操控面板的接缝，接缝连接方式为螺钉连接。考虑到接缝长度比较大，为提高屏蔽效果，在缩小螺钉间距的同时，在接缝处加装弹性变形较大的屏蔽材料。同时考虑到仪器的水气密性，选用泰派斯特公司的环境丝网组合衬垫，如图 3 所示。选用的环境丝网组合衬垫由镀锡磷青铜材料的编织金属丝网条和硅橡胶结合而成，这种结合不仅提供电磁屏蔽，同时还起密封作用。

机柜主体框架开孔为安装航插开孔，右前门开孔为安装计算机开孔，左侧门开有气路、水路连接接口。由于开孔尺寸较小，故依据所安装零部件的安装尺寸定做铜镀银导电橡胶材料的屏蔽衬垫，如图 4 所示，安装于连接处，采用螺钉连接。铜镀银导电橡胶是将微细导电颗粒（铜镀银）按一定比例填充于硅橡胶的新型高分子材料，很好地将水气密性能和高导电性结合在一起，同时完成环境密封和电磁密封。

2.2  

2）独立屏蔽盒的接缝和开孔的屏蔽处理

独立屏蔽盒由不锈钢焊接而成，除安装操作面外，其余接缝均采用与本体材料相同的焊条满焊焊接处理。安装操作面接缝采用螺钉连接，接缝处加装环境丝网组合衬垫。

独立屏蔽盒的开孔为安装航插开孔，采用螺钉连接，结合面加装定制的铜镀银导电橡胶材料屏蔽衬垫。

2.2.1 线缆敷设的要求

在进行系统线缆敷设的设计时，要保证敏感电路和感受电路之间的充分隔离。传统的做法是把电线电缆按其端口功能，功率电平，电压、电流容量和频率进行分类编排，把可兼容的线缆归在一组内^{[1 - 2]}。

2.2.2 船用质谱仪线缆敷设

按其端口功能，船用质谱仪电线电缆可分为以下 4 类：1）220 V 交流电源线路；2）5 V，12 V，24 V 直流电源线路；3）控制线路，包括连接继电器和含有开关及其他断续工作器件的线路；4）敏感线路，包括数字数据、模拟控制和解调器输出信号的线路。

所有线缆均采用屏蔽线，并按上述分类方法捆扎成束，固定于仪器机柜主体框架上的走线槽内，各类线束之间间距不小于 150 mm。

3 结　语

电磁兼容性是船用质谱仪设计中不可忽略的问题，直接影响到仪器测量的准确度、可靠性和稳定性。本文从屏蔽和线缆敷设等方面考虑，对船用质谱仪进行了电磁兼容结构设计。经电磁兼容性试验检验，船用质谱仪的电磁兼容性的各项指标均达到了 GJB151B《军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求》的相关规定，电磁兼容性测试一次通过，证明该设计方法有效、可行。本次设计在从结构设计方面提高仪器电磁兼容性能做了一次有益的尝试，也为今后相关方向的设计提供了宝贵经验。