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                傳感器的干擾及抗干擾措施

一、前言
　　模擬傳感器的應(yīng)用非常廣泛，不論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防建設(shè)，還是在日常生活、教育事業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，處處可見模擬傳感器的身影。但在模擬傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，都有一個(gè)如何使其測量精度達(dá)到最高的問題。
　　而眾多的干擾一直影響著傳感器的測量精度，如：現(xiàn)場大耗能設(shè)備多，特別是大功率感性負(fù)載的啟停往往會使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過壓，常常達(dá)到額定電壓的35％左右，這種惡劣的供電有時(shí)長達(dá)幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天；各種信號線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號會受到干擾，特別是信號線與交流動力線同走一個(gè)長的管道中干擾尤甚；多路開關(guān)或保持器性能不好，也會引起通道信號的竄擾；空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會干擾傳感器的正常工作；此外，現(xiàn)場溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野外的風(fēng)沙、雨淋，甚至鼠咬蟲蛀等都會影響傳感器的可靠性。
　　模擬傳感器輸出的一般都是小信號，都存在小信號放大、處理、整形以及抗干擾問題，也就是將傳感器的微弱信號精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(如1VDC～5VDC或4mADC～20mADC)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計(jì)制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來的某些問題，即抗干擾問題。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式，設(shè)計(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達(dá)到應(yīng)用模擬傳感器的最佳狀態(tài)。
　　二、干擾源、干擾種類及干擾現(xiàn)象
　　傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場運(yùn)行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析，對不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則。這種靈活機(jī)動的策略與普適性無疑是矛盾的，解決的辦法是采用模塊化的方法，除了基本構(gòu)件外，針對不同的運(yùn)行場合，儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾、提高可靠性。在進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前，有必要分析影響模擬傳感器精度的干擾源及干擾種類。
　　1、主要干擾源
　　(1)靜電感應(yīng)
　　靜電感應(yīng)是由于兩條支電路或元件之間存在著寄生電容，使一條支路上的電荷通過寄生電容傳送到另一條支路上去，因此又稱電容性耦合。
　　(2)電磁感應(yīng)
　　當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路中電流的變化就會通過磁場耦合到另一個(gè)電路，這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導(dǎo)線等。
　　(3)漏電流感應(yīng)
　　由于電子線路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印刷電路板、電容內(nèi)部介質(zhì)或外殼等絕緣不良，特別是傳感器的應(yīng)用環(huán)境濕度較大，絕緣體的絕緣電阻下降，導(dǎo)致漏電電流增加就會引起干擾。尤其當(dāng)漏電流流入測量電路的輸入級時(shí)，其影響就特別嚴(yán)重。
　　(4)射頻干擾
　　主要是大型動力設(shè)備的啟動、操作停止的干擾和高次諧波干擾。如可控硅整流系統(tǒng)的干擾等。
　　(5)其他干擾
　　現(xiàn)場安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)除了易受以上干擾外，由于系統(tǒng)工作環(huán)境較差，還容易受到機(jī)械干擾、熱干擾及化學(xué)干擾等。
　　2、干擾的種類
　　(1)常模干擾
　　常模干擾是指干擾信號的侵入在往返2條線上是一致的。常模干擾來源一般是周圍較強(qiáng)的交變磁場，使儀器受周圍交變磁場影響而產(chǎn)生交流電動勢形成干擾，這種干擾較難除掉。
　　(2)共模干擾
　　共模干擾是指干擾信號在2條線上各流過一部分，以地為公共回路，而信號電流只在往返2個(gè)線路中流過。共模干擾的來源一般是設(shè)備對地漏電、地電位差、線路本身具有對地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會轉(zhuǎn)換成常模干擾，就較難除掉了。
　　(3)長時(shí)干擾
　　長時(shí)干擾是指長期存在的干擾，此類干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長期存在且變化不大，用檢測儀表很容易測出，如電源線或鄰近動力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50Hz工頻干擾。
　　(4)意外的瞬時(shí)干擾
　　意外瞬時(shí)干擾主要在電氣設(shè)備操作時(shí)發(fā)生，如合閘或分閘等，有時(shí)也在伴隨雷電發(fā)生或無線電設(shè)備工作瞬間產(chǎn)生。
　　干擾可粗略地分為3個(gè)方面：
　　(a)局部產(chǎn)生(即不需要的熱電偶)；
　　(b)子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合(即地線的路徑問題)；
　　(c)外部產(chǎn)生(Bp電源頻率的干擾)。
　　3、干擾現(xiàn)象
　　在應(yīng)用中，常會遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：
　　(1)發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無規(guī)則地轉(zhuǎn)動；
　　(2)信號等于零時(shí)，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；
　　(3)傳感器工作時(shí)，其輸出值與實(shí)際參數(shù)所對應(yīng)的信號值不吻合，且誤差值是隨機(jī)的、無規(guī)律的；
　　(4)當(dāng)被測參數(shù)穩(wěn)定的情況下，傳感器輸出的數(shù)值與被測參數(shù)所對應(yīng)的信號數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈周期性變化的值；
　　(5)與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備(如顯示器等)工作不正常。
　　干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類：信號傳輸通道干擾，干擾通過與系統(tǒng)相聯(lián)的信號輸入通道、輸出通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾。信號傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動器接收反饋信號和發(fā)出控制信號的途徑，因?yàn)槊}沖波在傳輸線上會出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾，所以在傳輸過程中，長線的干擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒有內(nèi)阻，無論何種噪聲都會被電源短路吸收，線路中也不會建立起任何干擾電壓；此外，交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動器本身也是較強(qiáng)的干擾源，它可以通過電源對其它設(shè)備進(jìn)行干擾。
　　三、抗干擾的措施
　　1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)
　　對傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等。尖峰干擾可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來抑制。
　　(1)用硬件線路抑制尖峰干擾的影響
　　常用辦法主要有三種：
　　①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性；
　�、谠趦x器交流電源輸入端加超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖；
　�、墼趦x器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。
　　(2)利用軟件方法抑制尖峰干擾
　　對于周期性干擾，可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波，也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣，從而有效地消除干擾。
　　(3)采用硬、軟件結(jié)合的看門狗(watchdog)技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響
　　軟件：在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪問一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)，正常程序運(yùn)行，該定時(shí)器不會產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”，則CPU就不會在定時(shí)到之前訪問定時(shí)器，因而定時(shí)信號就會出現(xiàn)，從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷，保證智能儀器回到正常程序上來。
　　(4)實(shí)行電源分組供電，例如：將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動電源與控制電源分開，以防止設(shè)備間的干擾。
　　(5)采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動器對其它設(shè)備的干擾。該措施對以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。
　　(6)采用隔離變壓器
　　考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是靠初、次級寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初、次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，以提高抵抗共模干擾能力。
　　(7)采用高抗干擾性能的電源，如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效，它能把高尖峰的擾動電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓峰值(電壓峰值小于TTL電平)的電壓，但干擾脈沖的能量不變，從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗干擾能力。
　　2、信號傳輸通道的抗干擾設(shè)計(jì)
　　(1)光電耦合隔離措施
　　在長距離傳輸過程中，采用光電耦合器，可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、輸出通道以及伺服驅(qū)動器的輸入、輸出通道切斷電路之間的聯(lián)系。如果在電路中不采用光電隔離，外部的尖峰干擾信號會進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動裝置，產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。
　　光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，使信號傳輸過程的信噪比大大提高。干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度，但是能量很小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，一般導(dǎo)通電流為10mA～15mA，所以即使有很大幅度的干擾，這種干擾也會由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。
　　(2)雙絞屏蔽線長線傳輸
　　信號在傳輸過程中會受到電場、磁場和地阻抗等干擾因素的影響，采用接地屏蔽線可以減小電場的干擾。雙絞線與同軸電纜相比，雖然頻帶較差，但波阻抗高，抗共模噪聲能力強(qiáng)，能使各個(gè)小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。另外，在長距離傳輸過程中，一般采用差分信號傳輸，可提高抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線長線傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現(xiàn)象中的(2)、(3)、(4)種干擾的產(chǎn)生。
　　3、局部產(chǎn)生誤差的消除
　　在低電平測量中，對于在信號路徑中所用的(或構(gòu)成的)材料必須給予嚴(yán)格的注意，在簡單的電路中遇到的焊錫、導(dǎo)線以及接線柱等都可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢。由于它們經(jīng)常是成對出現(xiàn)，因此盡量使這些成對的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效的措施，為此一般用熱屏蔽、散熱器沿等溫線排列。