检测技术与智能仪表设计第五章

2019年9月20日9时52分第5章智能仪器设计相关技术5.1智能仪器的抗干扰技术5.1.1干扰概述及干扰对智能仪器仪表系统的影响5.1.25.1.3智能仪器的软件抗干扰技术5.2智能仪器的的功耗设计2019年9月20日9时52分一、几个概念噪声：对有用信号以外的所有电子信号的一个总称。干扰：由外部噪声和无用电磁波在接收中所造成的骚扰。或在接收所需信号时，非所需能量造成的扰乱效应。噪声是一种电子信号，而干扰是指某种效应，是由于噪声原因使电路产生的一种不良反应。抗干扰的定义：结合电路特点使干扰减小到最小。一方面防止外界干扰的入侵一方面抑制本身的干扰§5.1抗干扰技术2019年9月20日9时52分1.干扰源产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、2.传播途径传播途径是指干扰信号的传播路径。（导线和空间的辐射）3.接收载体接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的仪器参数。（A/DD/A单片机，数字IC弱信号放大器）二、形成干扰的三个要素2019年9月20日9时52分图5.1内部和外部干扰示意图2019年9月20日9时52分（1）装置开口或隙缝处进入的辐射干扰(辐射)（2）电网变化干扰(传输)（3）周围环境用电干扰(辐射、传输、感应)（4）传输线上的反射干扰(传输)（5）系统接地不妥引入的干扰(传输、感应)（6）外部线间串扰(传输、感应)（7）逻辑线路不妥造成的过渡干扰(传输)（8）线间串扰(感应、传输)（9）电源干扰(传输)（10）强电器引入的接触电弧和反电动势干扰(辐射、传输、感应)（11）内部接地不妥引入的干扰(传输)（12）漏磁感应(感应)（13）传输线反射干扰(传输)（14）漏电干扰(传输)2019年9月20日9时52分表5.1常见干扰的种类2019/9/207检测系统的抗干扰技术作为生产第一线的工程技术人员，经常会遇到测控系统受到干扰而不能正常工作的情况。现在，“干扰”这个名词在某些场合常被“骚扰”所代替。在这一章里，将给大家介绍几种常见的干扰，以及抗干扰的方法，还要介绍几种行之有效的电磁兼容技术。2019/9/208做一个电磁干扰的小实验将一台质量不佳的“电子镇流器式台灯”靠近示波器的探头，我们会发现示波器的显示屏上出现大量约宽度为数μs的尖峰波形。收音机了也会传出令人烦躁的“吱吱”噪声。第一节噪声干扰及防护在测量过程中，往往会发现总是有一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起，称之为骚扰或噪声。如果骚扰引起设备或系统的性能下降时，称之为干扰。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（S/N）来表示，它是指在信号通道中，有用信号功率PS与噪声功率PN之比，或有用信号电压US与噪声电压UN之比即：S/N=10lg（PS/PN）=20lg（US/UN）（dB）信噪比（S/N）的计算举例在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。例：在扩音机输入端测得：话筒输出的做报告者声音的平均电压为50mV，50Hz干扰“嗡嗡”声的电压为0.5mV，求信噪比。解S/N=20lg（50/0.5）dB=40dB又问：当S/N分别为20dB、0dB、-20dB时，说明做报告者声音与干扰声音之间各为什么关系？噪声源及干扰源一、机械骚扰机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。对机械骚扰，可选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。橡胶海绵软垫橡胶垫脚及弹簧振动试验台频率、振幅均可调节将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅下，产品指标是否变化。固定跌落试验产品在运输过程中常因为遭受剧烈震动或跌落而损坏或性能变差，因此需要做抗跌落试验和测试。跌落试验机二、湿度及化学骚扰当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会产生原电池电化学干扰电压。某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象，必须采取以下措施来加以保护：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。用绝缘漆浸渍过的控制变压器浸漆可防止水分进入线圈内部仪器设备的防潮试验喷淋试验仪器设备的防潮试验（续）“步入式”恒温恒湿房（参考江苏省计量测试技术研究所资料）体积：25m3，温度调节范围：（-40～+80）℃，湿度调节范围：（30～90）%RH可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、交变湿热试验。三、热骚扰热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。克服热干扰的防护措施有：选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿措施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件规格余量，仪器的前置输入级远离发热元件，加强散热、采用热屏蔽等。散热实例散热风扇四、固有噪声骚扰在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。五、电、磁噪声骚扰电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场，他们将对十分灵敏的检测装置造成干扰。由于这些干扰源功率强大，要消除他们的影响较为困难，必须采取多种措施来防护。2019年9月20日9时52分干扰对智能仪器系统的影响图5.2干扰入侵智能仪器系统的途径第二节检测技术中的电磁兼容原理一、电磁兼容（EMC）概念我国从２０世纪80年代至今已制定了上百个电磁兼容的国家标准，强制要求绝大多数电气设备必须通过相关电磁兼容标准的性能测试，否则为不合格产品。通俗地说，电磁兼容是指电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常工作的能力，而且还不允许产生超过规定的电磁干扰。二、电磁干扰的来源电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。1.自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。2.人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。自然界干扰源和人为干扰源X光机产生大功率高频干扰闪电产生电磁场干扰自然界干扰源和人为干扰源（续）雷达会产生大功率高频干扰变电站会产生50Hz的高次谐波干扰以及电晕放电干扰电吹风机干扰电视机的演示电吹风机产生的电磁波干扰以两种途径到达电视机：一是通过共用的电源插座，二是以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收。由电源配电回路引入的干扰交流供配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各种干扰的网络,以电路传导的形式传遍各处，经检测装置的电源线进入仪器内部造成干扰。电压突变和交流电源波形畸变使工频的高次谐波经电源线进入仪器的前级电路。常见的大功率干扰有：调压或逆变电路中的晶闸管引起的大功率高次谐波干扰、开关电源经电源线往外泄漏出的几百千赫兹尖脉冲干扰。由电焊引起的干扰电焊机电缆产生强磁场干扰磁场交链信号线第二节电磁兼容技术抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术。可采用破坏干扰途径和削弱检测系统电路对干扰的敏感性等方法，常用的抗干扰措施有屏蔽、接地、浮置、退耦、滤波、光电隔离等技术。一、屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器1.静电屏蔽静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路。反之，内部电路产生的电力线也无法影响外电路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。各种静电屏蔽仪器设备的屏蔽外壳必须接地带孔屏蔽板各种静电屏蔽（续）自制的屏蔽罩通风屏蔽窗各种静电屏蔽（续）开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄各种静电屏蔽（续）带调试孔的屏蔽盒屏蔽线三绞扭屏蔽线铜芯4对双绞扭屏蔽线（屏蔽层接地）聚氟乙烯绝缘层铜线编织网（接地）2.低频磁屏蔽低频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。低频磁屏蔽举例多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。参考中国（厦门）微波高频通信设备销售公司资料3.电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是高频（40kHz以上）磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。镀铜电磁屏蔽盒军用屏蔽帐篷几种用导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材（参考常州雷宁电磁屏蔽设备公司资料）军用电子方舱屏蔽通信车防电磁波屏蔽围裙几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服辐射源防电磁波屏蔽服装防电磁波屏蔽围裙的使用屏蔽室导电PVC地板用于防静电及底部屏蔽干扰信号无法穿透钢板屏蔽室2019年9月20日9时52分1、串模干扰串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的。如图：二、常见干扰源及抑制办法2019年9月20日9时52分图7-2串模干扰示意图2019年9月20日9时52分1、高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的电磁场。来源：2、信号源本身固有的漂移、纹波和噪声3、电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良抑制：主要的抗串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰，对直流串模干扰采用补偿措施。对于主要来自电磁感应的串模干扰，尽可能早地对被测信号进行前置放大，以提高回路中的信号噪声比，或者尽可能早地完成A/D转换或采取隔离屏蔽措施。2019年9月20日9时52分常见的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器，如图：2019年9月20日9时52分是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压，这种干扰可是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境和仪表的接地情况。示意图如下：2、共模干扰这里，对于输入通道的两个输入端来说，分别有Vs+Vcm和Vcm两个输入信号。显然，Vcm是转换器输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。2019年9月20日9时52分被测信号的输入：单端输入：此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压双端输入：如图2019年9月20日9时52分共模干扰的抑制方法一、平衡对称输入在设计信号源时尽可能做到平衡和对称,否则会产生附加的共模干扰。二、要求差动放大器具有高增益、低噪声、低漂移、宽频带等特点,以便获得足够高的共模抑制比。三、接地不良时将形成较明显的共模干扰。如没有条件进行良好接地,不如将系统浮置起来,再配合采用合适的屏蔽措施,效果也不错。2019年9月20日9时52分图5.3串模干扰与共模干扰波形(a)直流信号；(b)串模干扰；(c)共模干扰；