第十三章 检测系统的抗干扰技术

2020/1/201第十三章检测系统的抗干扰技术本章学习干扰的来源及防护方法、自动检测系统中的电磁兼容原理及对策，学习掌握检测系统的抗干扰技术。2020/1/202第一节干扰源及防护在非电量测量过程中，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，这称为干扰，有时也采用噪声这一习惯用语。噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。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。信噪比常用对数形式来表示，单位为dB，即S/N=10lg（PS/PN）=20lg（US/UN）（dB）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。干扰与噪声2020/1/203信噪比（S/N）的计算举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？2020/1/204噪声源及干扰源一、机械干扰机械干扰是指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。对机械干扰，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2020/1/205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2020/1/206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2020/1/207二、湿度及化学干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；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区由海风带到岸上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2020/1/208仪器设备的防潮试验喷淋试验2020/1/209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。2020/1/2010三、热干扰热量，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。2020/1/2011散热实例散热风扇2020/1/2012四、固有噪声干扰在电路中，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。2020/1/2013五、电、磁噪声干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。2020/1/2014作业p273：2、42020/1/2015休息一下2020/1/2016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。2020/1/2017二、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。2020/1/2018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2020/1/2019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2020/1/2020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。应设法切断这些干扰途径。2020/1/2021路和场的干扰路的干扰必须在干扰源和被干扰对象之间有完整的电路连接，干扰沿着这个通路到达被干扰对象。例如通过电源线、变压器引入的干扰；场的干扰不需要沿着电路传输，而是以电磁场辐射的方式进行。例如，电源线对传感器的信号线的电场耦合干扰；又如电焊机电缆上的强电流对信号线的磁场耦合干扰。2020/1/20221．通过路的干扰由泄漏电阻引起的干扰当仪器的信号输入端子与220V电源进线端子之间产生漏电、印制电路板上前置级输入端与整流电路存在漏电等情况下，噪声源可以通过这些漏电电阻作用于有关电路而造成干扰。被干扰点的等效阻抗越高，由泄漏电阻而产生的干扰影响越大。1-干扰源2-仪器输入端子3-仪器的输入电阻R-漏电阻2020/1/2023负载（喇叭）的电流较大，它与放大器的负电源线共用了一段地线，在地线的微小电阻上产生了压降，造成了干扰。由共阻抗耦合引起的干扰当两个或两个以上的电路共同享有或使用一段公共的线路,而这段线路又具有一定的阻抗时,这个阻抗成为这两个电路的共阻抗。第二个电路的电流流过这个共阻抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压。常见的例子是通过接地线阻抗引入的共阻抗耦合干扰。负载电流干扰压降正确接线2020/1/2024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,而且十分方便地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。最明显的是电压突变和交流电源波形畸变，它使工频的高次谐波(从低频一直延伸至高频)经电源线进入仪器的前级电路。例如，由调压或逆变电路中的晶闸管引起的大功率高次谐波干扰；又如开关电源经电源线往外泄漏出的几百千赫兹尖脉冲干扰。2020/1/20252．通过场的干扰由电场耦合引起的干扰：电场耦合实质上是电容性耦合。要减少电源线对信号线的电场耦合干扰，就必须减小两者间的分布电容，必须尽量保持电路和信号线的对地平衡，布线时，多采用双绞扭屏蔽线。带电物体产生的电场2020/1/2026由磁场耦合引起的干扰磁场耦合干扰的实质是互感性耦合干扰。防止磁场耦合干扰途径的办法有：使信号线远离强电流干扰源，从而减小互感量M；采用低频磁屏蔽，从而减小信号线感受到的磁场；采用绞扭导线使引入到信号处理电路两端的干扰电压大小相等、相位相同，使差模干扰转变成共模干扰。C型变压器的漏感比E型的小4对双绞扭线2020/1/2027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2020/1/2028共模干扰与串模干扰如果干扰源对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同,就属于共模干扰。由于“仪用放大器”的共模抑制比KCMR较大,所以共模干扰可以被抑制。但当系统两个输入端出现很难避免的不平衡时,共模电压的一部分将转换为串模干扰，就较难消除了。共模干扰仪可依靠放大器的共模抑制比KCMR来克服。较好的放大器共模抑制比可达100dB以上,所以共模干扰对检测装置的影响不大。但当系统的两个输入端出现很难避免的不平衡时,共模电压的一部分将转换为串模干扰，就较难消除了。因此必须尽量保持电路的对地平衡。2020/1/2029共模干扰与串模干扰举例热电偶引线与220V电源线靠得太近将引起电场偶合干扰。如果UNi对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同,就属于共模干扰。2020/1/2030休息一下2020/1/2031第三节几种电磁兼容控制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、滤波、光电隔离等技术。2020/1/2032一、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2020/1/20331.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。2020/1/2034各种静电屏蔽仪器设备的屏蔽外壳必须接地带孔屏蔽板2020/1/2035各种静电屏蔽（续）自制的屏蔽罩通风屏蔽窗2020/1/2036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2020/1/2037各种静电屏蔽（续）带调试孔的屏蔽盒2020/1/2038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）2020/1/20392.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。2020/1/2040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2020/1/20413.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2020/1/2042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2020/1/2043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2020/1/2044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2020/1/2045二、接地技术（一）地线的种类接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”。它的接地电阻值必须小于规定的数值。对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“