医用电气设备电磁兼容测试探讨

ChineseJournalofMedicalInstrumentation监管与测试4492011年35卷第6期医用电气设备电磁兼容测试系统的选型探讨文章编号：1671-7104(2011)06-0449-04【作者】【摘要】【关键词】【中图分类号】【文献标志码】【Writers】【Abstract】【Keywords】王伟明上海市医疗器械检测所，上海市，200070介绍了医用电气设备的电磁兼容标准YY0505-2005所涉及的电磁兼容测试项目，以及满足这个标准和实际测试所需的主要测试设备，希望借此可以为医用电气设备电磁兼容测试系统的选型作参考。电磁兼容；医用电气设备；发射；抗扰度；射频；电磁干扰；被试品TM15Adoi:10.3969/j.issn.1671-7104.2011.06.015WangWeimingShanghaiTestingandInspectionInstitutionforMedicalDevices,Shanghai,200070ThearticleintroducestheEMCtestsinvolvedinYY0505-2005(standardofMedicalelectricalequipmentaboutEMC),andtherequirementsoftestequipmentsmeetthestandardandpracticaltests.IhopeitcanbeusefulforselecttheEMCtestsystemofMedicalelectricalequipment.EMC(electromagneticcompatibility),medicalelectricalequipment，emission,immunity,RF(radiofrequency),EMI(electromagneticinterference),EUT(equipmentundertest)收稿日期：2011-08-31作者简介：王伟明，E-mail:[e-mail]EMCTestSystemofMedicalElectricalEquipment医用电气设备的电磁兼容标准YY0505-2005(IEC60601-1-2:2001，IDT)已于2005年发布，用于建设电磁兼容实验室和采购相关测试系统的国债资金也于2010年下半年正式下达，现在各地的医疗器械检测机构也都在加紧筹建电磁兼容试验室和采购相应的测试系统。但是，在采购相应的电磁兼容测试系统时，不仅仅要满足YY0505-2005的要求，还应考虑到部分医用电气设备专业标准的特殊要求。另外，从发展的眼光看，也要兼顾国际上最新版的医用电气设备电磁兼容标准（IEC60601-1-2）的要求。因此，很有必要对医用电气设备电磁兼容测试系统的选型进行一下探讨，优化配置电磁兼容测试系统。电磁兼容测试一般分发射测试和抗扰度测试两大类。在标准YY0505-2005中，涉及到的发射测试项目有辐射发射、传导发射、谐波和波动闪烁；涉及的抗扰度测试项目包括静电放电、射频电磁场辐射抗扰度、脉冲群、浪涌、射频场感应的传导抗扰度、工频磁场及电压暂降和短时中断。下面就主要根据这些测试项目来逐一进行讨论。1辐射发射　　辐射发射测试系统一般包括EMI测试接收机、接收天线、前置放大器等设备，在骚扰功率测试和灯具的辐射测试时，还包括功率吸收钳以及三环天线。按照YY0505-2005的要求，测试系统需要满足的标准有GB4824-2004、GB9254-2008、GB4343.1-2009和GB17743-2007。因此，测试系统需要完成的项目包括GB4824-2004中的30MHz～18GHz电场辐射发射、9kHz～30MHz磁场辐射发射的测试，GB9254-2008中的30MHz～6GHz电场辐射发射、GB4343.1-2009中的30MHz～1GHz骚扰功率以及GB17743-2007中的9kHz～30MHz磁场辐射发射的测试。同时，测试软件应具有控制天线塔和转台等设备的自动化功能，并在最后能自动生成WORD版测试报告。1.1EMI测试接收机　　从医用电气设备涉及到的标准来看，EMI测试接收机的测量频率范围至少应覆盖9kHz～18GHz（GB4824-2004），当然还需满足CISPR16-1对认证级EMI测试接收机的要求,并具备接收机和频谱分析仪两种工作模式。1.2接收天线接收天线应包括符合GB4824-2004要求的棒状天线(9kHz～30MHz)、环形天线(9kHz～30MHz)、电场测试天线(30MHz～18GHz)以及符合GB17743-2007的三环天线(9kHz～30MHz)。其中电场测试天线(30MHz～18GHz)一般会分成30MHz～1GHz的双锥复合周期天线和1GHz～18GHz的双脊喇叭天线。1.3前置放大器当EUT的信号比较小时，如果本底噪声过高，就可能无法将EUT信号与本地噪声清晰地分辨出来。ChineseJournalofMedicalInstrumentation监管与测试4502011年35卷第6期在这种情况下，就需要用到前置放大器，以降低测量的本底噪声。前置放大器的频率范围最好能覆盖30MHz～18GHz，当然也可以分频段采用多个前置放大器，增益一般在30dB左右。但应特别注意的是，过大的信号（如梳状波发生器发出的信号）可能会使前置放大器饱和，从而影响最终的测量结果。2传导发射传导发射测试系统一般包括EMI测试接收机、人工电源网络、电压探头、电流探头以及喀呖声仪等设备。按照YY0505-2005的要求，测试系统需要满足的标准有GB4824-2004、GB9254-2008、GB4343.1-2009以及GB17743-2007。测试系统需要能完成的测试项目包括GB4824-2004、GB9254-2008、GB4343.1-2009及GB17743-2007中的9kHz～30MHz范围的传导发射测试，GB4343.1-2009中的9kHz～30MHz断续骚扰测试，GB17743-2007中的插入损耗测试，并且测试软件应具有自动化测试控制功能（除插入损耗试验），并且最后自动生成WORD版测试报告。2.1EMI测试接收机如果只需要满足YY0505-2005标准涉及的传导发射测试，那么EMI测试接收机的测量范围只需要覆盖9kHz～30MHz即可。如果还想兼顾辐射发射测试，那么可以根据预算，选择更宽的频率范围。当然还需要符合CISPR16-1对认证级EMI测试接收机的要求,并具备接收机和频谱分析仪两种工作模式。2.2人工电源网络、电压探头和电流探头为了能够测量三相大电流的医用电气设备，如核磁共振成像设备，最好能选择每相电流在100A以上的三相人工电源网络。如果在经费允许的情况下，也可以再购买一台单相人工电源网络（16A或32A），便于单相医用电气设备的检测。　　电压探头和电流探头适合额定电流较大的设备，携带方便。可用于现场测试等特殊场合。2.3喀呖声仪喀呖声仪适用于断续骚扰的测试，虽然涉及的医用电气设备较少，但是也应考虑单相以及三相的医用电气设备。喀呖声仪最好能四通道同时进行测试，以节省测试时间。3谐波和波动闪烁　　谐波和波动闪烁测试系统，一般包括谐波分析仪和谐波标准电源。依据YY0505-2005标准要求，给系统测试功能应符合以下相关标准：GB/T17625.1；GB/T17625.2；IEC61000-3-2；IEC61000-3-3。　　因为YY0505-2005标准中只规定额定电流小于等于16A的医用电气设备的谐波和波动闪烁要求，但是在后续的IEC60601-1-2标准中，将会即考虑额定电流大于16A但小于等于75A的设备的谐波和波动闪烁要求以及谐间波抗扰度试验（IEC61000-4-13）。因此，在采购谐波和波动闪烁测试系统时，应兼顾EC61000-3-11、IEC61000-3-12以及IEC61000-4-13等标准的要求。4静电放电　　静电测试系统主要包括静电放电发生器，放电头（直接放电和空气放电）还应包括接地线、两端带有泄放电阻（470KΩ）的电缆、测试桌、水平及垂直耦合板等。系统应至少满足最新的IEC61000-4-2标准的要求。　　静电放电发生器最大输出电压（在储能电容器上测得的开路电压），接触放电±15KV，空气放电±30KV。当然还应满足余下等级±2KV、±4KV、±6KV、±8KV的要求。系统能够按照IEC61000-4-2的要求,进行单次和连续放电测试，放电电压极性与幅值可选，连续放电之间的间隔时间可设置。5射频电磁场辐射抗扰度射频电磁场辐射抗扰度测试系统（见图1），在一般情况下应包含信号发生器、发射天线、功率放大器、射频切换开关、功率计、场强探头和定向耦合器等关键设备。依据医用电气设备的电磁兼容标准YY0505-2005，系统至少应在80MHz～2.5GHz频段内能以2Hz和1kHz的正弦波幅度调制，调制深度为80%进行测试。另外，系统还应满足标准GB/T17626.3：2006的要求，在暗室内通过18V/m的场均匀度校准（虽然YY0505-2005标准里规定的最大测试场强值为10V/m，但GB/T17626.3：2006要求校准时的场强值至少为测试场强值的1.8倍）。图1射频电磁场辐射抗扰度测试系统Fig.1TestsystemofRadiatedRFelectromagneticfieldimmunityChineseJournalofMedicalInstrumentation监管与测试4512011年35卷第6期　　在国外最新讨论的IEC60601-1-2标准中，已经根据IEC61000-4-3要求准备将最高频率上升到6GHz。因此，在条件允许的情况下，尽可能使相应设备都能满足6GHz的要求,如信号发生器和天线等，避免将来再次升级带来的麻烦。功率放大器由于金额比较大，可以在资金充足的时候再加以配齐，但应考虑将来配置2.5GHz～6GHz功放的安装空间和射频切换开关的切换问题。5.1信号发生器信号发生器的覆盖频率范围至少包括80MHz～6GHz。由于YY0505-2005标准还规定了针对控制、监视或测量生理参数用途的医用电气设备需要，进行2Hz的幅度调制，其他所有设备则进行1kHz的幅度调制，所以信号发生器最好能同时具备内置2Hz和1kHz的正弦波幅度调制功能。如果信号发生器没有内置2Hz幅度调制的功能，则需要再购买外置的函数信号发生器。5.2发射天线发射天线的频率范围也至少应覆盖80MHz～6GHz。当然天线也可以根据频段分成几根天线，例如1GHz以下采用对数周期天线，1GHz以上采用喇叭天线。天线的增益应尽可能大，这样可以保证功放在同样的输出功率情况，天线发出较高的场强值。如果喇叭天线的3dB波束宽度比较窄，可采取在3米处进行“独立窗口法”校准。天线驻波比应小于1.5，输入端的功率根据公式：　其中：E为要求的场强；r为测试距离；Gt为天线增益。输入功率不可超过天线的承受能力。最好自带天线支架，尽量不借用暗室内的天线升降塔，因暗室内的天线升降塔主要为测量天线使用。因1GHz以下的发射天线一般都比较笨重，所以最好能在气动或电动状态下自动变换极化方向。如果不能，则需要能在单人操作的情况下轻松改变极化方向，而不影响发射天线的中心高度。5.3功率放大器功率放大器的频率范围也至少应覆盖80MHz～2.5GHz（有条件的情况下，尽量满足6GHz）。当然也可以根据频段分成几个功率放大器，例如以1GHz频率点为界，分成上下2个功放。　　在3米距离以18V/m的场强进行校准时，此时功率放大器应工作在线性区，且一般工作在最大输出功率（以1dB压缩点为准）的90％范围内。放大器产生的谐波和失真电平，应比载波电平至少低20dB。5.4射频切换开关如果在80MHz～2.5GHz频段内采用2个或2个以上的功放，则需要有射频切换开关，以保证能自动将放大器的输出切换到