1 引言
飞机燃油量质量参数是飞机在飞行中需要实时监测的一个重要参数，现代飞机装备了大量复杂的内部散发非功能性电磁干扰能量的设备，并且在空战中，敌方也施加强的电磁干扰，这些干扰严重时，甚至使质量流量计完全丧失功能。为了适应21世纪第四代战斗机战术性能、生存性和可靠性的要求，研制了新型机载质量流量计测量系统。
质量流量计测量系统的电磁兼容性分别从干扰源、干扰路径、受扰设备三个方面进行了系统的EMC分析，并提出系列有效的EMC措施，使该质量流量计测量系统的抗干扰能力得到提高，从而保证其电磁兼容性和整机可靠性。该研究所采取的EMC措施具有较广泛的工程应用价值[1-3]。
2 质量流量计的实验测试系统及工作原理
所研究的质量流量计功能是：（1）控制飞机发动机的输出功率；（2）准确测量已用航空煤油的用量，以此可知飞机所剩油料，确保飞机能够安全返航。为了能使试验更真实、准确的测量出质量流量计的质量流量，需要试验装置能够调整流体的流量和密度的大小。实验采用称重法，即通过调节稳压箱的高度和前后截止阀的开度来实现测量系统管道中流量的大小。在测试系统中，测量质量流量的标准仪器为高精度的电子秤，并可通过调整加热装置来实现油料密度的变化。质量流量计实验装置的结构如图1所示。信号测量框图如图2所示，本装置信号采集系统，为能检验流量计的EMC能力，在测试中将加入与机载环境相同的干扰信号。若采用VC++或C++等高级语言编程，实现起来较繁锁，为此PC机上的显示系统中我们采用了用美国NI公司开LabVIEW进行可视化编程。
图1 质量流量测试装置
图2 信号的测量框图
3 机载环境下质量流量计测量系统的干扰源[4-6]
3.1 航空点火器
由于质量流量计测量系统的一次性元件靠近航空发动机非常近，从而航空电子点火装置对他的影响非常严重。飞机由于在空中对发动机进行二次点火时，电子点火装置将产生很高的电压、电流，而该信号为瞬态高功率，瞬态电压可达约-4000V，电流可达到13500A，干扰信号的频谱通常在0.1MHz～1000MHz之间，点火系统通常工作在脉冲点火状态，利用傅里叶级数可将点火脉冲分解成许多频率分量，点火线圈在这些谐波中的较高频率分量作用下，将产生高频电磁辐射，火花塞的中心电极对于高频点火脉冲可等效为具有一定电感量的电感线圈，他与其壳体之间又可等效为一电容器，由此形成一个LC并联回路，因此他将对点火脉冲中的某一谐波形成高频振荡，对外辐射电磁波，故在其周围将产生很强的电磁场能量。取本质量流量计系统测量回路附近电子点火装置一段有限长直导线进行分析，如图3所示，当取一段导线长度5cm、电感约为1μH/m进行计算，他一微段电流Idl在空间任意点A（x，y）产生的磁场为：
图3 长直导线大电流放电时磁场计算示意图
（1）
由式（1）可估算出放电回路中的一微段电流Idl在空间产生的磁场，磁感应强度的量级可达到10-1T；在回路面积为10cm2的范围（即电流测量系统中端子部分PCB面板大小的范围内），其感应电压约为6V，在5cm长的导线上产生的感应电压达到103V量级，对质量流量计的测量系统中端子部分电路的正常测量产生的干扰非常严重。
3.2 机载所产生的电磁波干扰
机载雷达系统、电子对抗系统、导航系统、电台系统和敌我识别系统等共有天线多达30余个，其中发射天线近20个，他们将对质量流量计产生电磁辐射干扰，主要由电偶极子和磁偶极子辐射引起干扰，而且以电偶极子辐射引起的干扰为主。当质量流量计的工作频段与其有重叠或相近时，影响最为明显。辐射强度主要与频率、功率和距离三方面有关：频率越高，辐射越强；功率越大，辐射越强；距离天线馈源越近，辐射越强。辐射越强，干扰也就越大[7]。尤其是那些发射功率大、工作频率高、作业时间长的设备，容易损伤质量流量计上的敏感元器件，使其不能进行正常测试工作。
3.3 公共电源
由于质量流量计测试系统的数据采集采用单片机系统，仪器电源内阻不为零，尤其是在高频段，电源除向设备提供有用的电能外，也提供了无用的成分。对其测试系统来说，危害最大的是尖峰脉冲信号和衰减振荡形式的干扰信号，其直接后果是程序错误、存储损失甚至系统损坏。
3.4 印制板及电路间产生的相互干扰
主要由于质量流量计测量系统内部印制电路板设计中走线不合理，元件布局不正确以及接地有误等原因引起的自身性干扰。
4 质量流量计测试系统硬件的抗干扰措施
从分析可知仪器测量系统产生电磁干扰必须具备3个基本要素：干扰源、耦合途径和敏感设备。只要能阻止干扰源的传播和设备的接受就能够有效消除干扰，经分析本质量流量计测量系统采用以下抗干扰措施[8-10]：
4.1 电磁屏蔽
经考察论证质量流量计测试系统最主要的干扰是电子点火装置，考虑到点火器放电管在放电瞬间将产生频谱能量丰富的电磁场干扰，为此针对各独立功能单元（即电磁转换装置、信号放大装置、信号通讯等）利用分腔设计技术屏蔽干扰。他是用屏蔽体阻止电磁场在空间传播给质量流量计的一种措施，电磁场在通过金属或对电磁场有衰减作用的阻挡层时，会受到一定程度的衰减，即产生屏蔽作用。屏蔽效能的大小与电磁场的性质及金属自身的特性有关。
4.2 印制电路板的设计
仪器印制电路板布局与设计是否合理对系统的可靠性至关重要，这里是噪声的产生、传播和吸收的关键部位，设计时应注意的事项主要有3项。
4.2.1 印制板的尺寸、布线与分区要合理
尺寸过大使铜皮走线过长，噪声影响加大，过小则影响散热，且使平行布置的导线间的干扰加大。在布线时应尽量减小线路所包围的面积，以降低寄生率驱动区合理分开，减少相互间的干扰。驱动器件和功率放大器应尽量靠近印制板的边缘及引出的接插件。在印制板上，地线、电源线及重要的信号线要尽量粗，噪声敏感线不与高速线和大电流线平行，从高噪声区来的信号要加滤波，每个IC元件要加一个去耦电容。印制板用的片状滤波器，其引出线需套上EMI吸收珠后再串接于需要抑制干扰的线路中。
4.2.2 接地要科学
在设计地线时首先应将地线进行分类，仪器前端模拟电路与后端数字电路应分别接地；噪声元件与非噪声元件要离得远一些，同时，在每一个元件的电源输入端与地之间接一去耦电容以滤去噪声干扰，在重要的信号线两侧加上保护接地。地线、电源线要尽量粗，整个电路板要按照单点接电源单点接地的原则送电。
4.2.3 输入输出的隔离与屏蔽要进行规划
在仪器的输入输出信号可加上光电耦合器予以隔离，防止外围器件动作产生的回流冲击测量系统电路；同时，质量流量计电磁传感器部分是信号采集的关键点，并且容易受干扰，所以应其进行独立屏蔽，以隔离空间的辐射电磁场。
4.3 利用电路滤波消除干扰
质量流量计模拟电路部分包括前级EMI滤波器和后级滞回滤波处理部分两部分。EMI滤波器的基本网络结构如图4所示，图4中差模抑制电容为C1和C2，共模电感为L1，共模抑制电容为C3和C4。滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成。由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理为：
图4 滤波电路基本结构
（1）利用电容通高频隔低频的特性，将电源正极、电源负极高频干扰电流导入地线（共模），或将电源正极高频干扰电流导入电源负极（差模）；
（2）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源。经过硬件抗干扰处理后的测试结果如图5所示，图5（a）为硬件抗干扰处理前传感器输出波形，图5（b）是硬件抗干扰处理后的传感器波形。从中可看出，通过采取屏蔽以及硬件电路滤波的措施后，测试系统中的质量流量计信号对电磁干扰的抗扰度大为提升，信号中的瞬态干扰被良好屏蔽，系统能较好地工作于电磁干扰环境中而不受干扰影响。
图5 质量流量计测试系统的输出信号波形图
5 质量流量计测试系统软件抗干扰措施
从试验中发现经硬件滤波后，有时由于后续电路或其他方面的干扰也将影响到信号的传递。图6是虚拟仪器LabVIEW显示的质量流量计前后两轮的输出信号，从中可看出，即使在前面硬件电路中信号里的干扰信号已被滤掉，在两路信号中进入主机前还是混有许多杂波，这将使两路信号相位差的测量产生很大的误差。为消除干扰信号，本质量流量计将采用软件滤波的方式进行滤波处理[9]。
图6 软件滤波前的波形图
图7 自适应滤波算法流程图
由于飞机上的干扰信号为非平稳信号，用普通的方法设计能够滤掉干扰信号的滤波器应首先知道有关噪声的统计特性先验知识。但在实际中，常常不知道噪声的统计特性或则它们是随时间变化的，因而实现不了最优滤波，所以采用一种自适应噪声抵消的方法来进行滤波。自适应滤波器如图7所示，图中s是有用信号，参考信号通道n和与原始信号通道的噪声n′具有相关性，其中n是从在噪声产生处（如飞机中电子点火装置、继电器、开关等设备所产生的电磁干扰）引入到测试系统中的信号。此滤波器实质是在抵消系统中加上一个带反馈的系统，由输出调整参数σi，即通过权系数递推修正达到最佳权系数σΔ是依据最小均方差，图中其数学模型如式2所示：
（2）
式中：为：
从图6和图8可知，经实验表明质量流量计输入到仪表中的信号，经过此算法滤波后可完全消除杂波对有用信号的影响，满足后续算法的要求，达到抗干扰的效果。
图8 软件滤波后的波形图
图9 质量流量计原理样机
6 结束语
根据研究的新型质量流量计工作原理，现已研制出原理样机一台，如图9所示。考虑其测量系统工作环境应满足强弱电共存的电磁环境要求，尤其考虑大电流放电的电磁场干扰，通过采取相应的硬件和软件抗干扰措施，设计并研发出和瞬态大电流放电环境在一起的高精度质量流量测量系统。经过反复实验验证，质量流量计测量系统的抗干扰和电磁兼容能力得到显著提高，相位差精度的要求满足工程要求，并顺利通过军方验收。通过理论研究与实践证明，文中所采用EMC措施是行之有效的，具有一定的工程推广价值。
参考文献
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