传感与检测技术 第十三章抗干扰技术

检测系统的抗干扰技术第十二章本章主要内容干扰的传播途径与作用方式硬件抗干扰技术软件抗干扰技术是指有用信号以外的噪声或造成检测设备不能正常工作的破坏因素。抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。干扰：与干扰相关的几个概念：干扰源：产生干扰信号的原因干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。12.1干扰的来源检测系统中干扰的来源是多方面的:干扰外部干扰内部干扰外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部环境因素决定的。主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波；周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火花放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。12.2干扰的传播途径检测系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。干扰传播途径主要有：•电场耦合•磁场耦合•公共阻抗耦合电场耦合–电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统12g1212nU)CC(Rj1RCjU112nURCjU12g1212nUCCCU当导体2对地电阻R很小时，使jωR(C12+C2g)1时，式(9.1)可以近似表示为这表明干扰电压Un与干扰频率ω和幅度U1、输入电阻R、耦合电容C12成正比关系。当导体2对地电阻R很大，使jωR(C12+C2g)1时，式(9.1)可以近似表示为在这种情况下，干扰电压Un由电容C12和C2g的分压关系及U1所确定，其幅值比前两种情况大得多。在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。1nMIjU其中：•ω为感应磁场交变角频率•M为两根导线之间的互感•I1为导线1中的电流磁场耦合–在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路。•公共阻抗耦合–检测系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗。公共电源线的阻抗耦合公共地线的阻抗耦合12.3干扰的作用方式按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线传输干扰。又称串模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。差模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或横向干扰。差模干扰：差模干扰示意图主要有分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互感，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。产生差模干扰的原因是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。•检测系统的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰。共模干扰示意图共模干扰：对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方式表现出来。两种输入方式时共模电压的引入图(a)所示为信号单端输入情况，Zs是信号源内阻，Zr是系统输入阻抗。共模干扰电压Ucm和信号源电压Us相加共同作用于回路，此时，共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由Ucm引起系统输入的差模电压Un1为因为ZrZs，则其中，Zs是信号源内阻(含信号引线电阻)，Zr是放大器输入阻抗。显然，Zr越大，或Zs越小，Un1越小，越有利于抑制共模干扰。1sncmsrZUUZZ1sncmrZUUZ图9.8(b)所示为放大器双端输入情况，Zs1、Zs2为信号源内阻，Zc1、Zc2为系统输入阻抗。共模电压Ucm引起系统输入端的差模干扰电压Un2为若Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，则Un2=0，系统没有引入共模干扰。实际上，两个输入端不可能作到完全对称，因此，Un2≠0，也就是说实际上总是存在一定的共模干扰电压。当Zs1和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，并且Zc1和Zc2越接近时，共模干扰电压就越小1221122ccncmscscZZUUZZZZ由上述分析可知，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入，应采用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强。为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR表示，即其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转化成的差模干扰电压。显然，单端输入方式的CMRR较小，说明它的抗共模抑制能力较差；而双端输入方式，由Ucm引入的差模干扰电压Un较小，CMRR较大，所以抗共模干扰能力很强。)DB(UUlg20CMRRncm在检测系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。长线传输干扰:信号在长线中传输会遇到三个问题：二是具有信号延时三是长线传输会受到外界干扰12.2Unit2硬件抗干扰技术12.2.1电源系统的抗干扰技术电源引入的干扰是检测系统的主要干扰之一；对检测系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。供电方式尖峰脉冲干扰的抑制掉电保护直流侧的抗干扰措施交流滤波器可采用电容滤波器，电感电容滤波器或有原滤波器。滤波器要有良好的接地，布线接近地面，输入输出引线应相互隔离，不可平行或缠绕在一起。在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有效的抗干扰措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层。还可采用开关电源、DC-DC变换器以及UPS供电等，来提高电源的稳定性电源变压器的静电屏蔽~~~FCFCFCFCiUoUiUoU~隔离变压器及其屏蔽~iUoU~隔离变压器1:1电源变压器尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，其幅度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微妙，因此采用常规的抑制办法是无效的，而必须采取综合治理办法。另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干扰的产生等都是可行的方法。尖峰脉冲干扰的抑制抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种：在交流电源的输入端并联压敏电阻；采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器)；在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制器。电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很难保证干扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。直流侧的抗干扰措施在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个（10～100）μF的大电容和一个（0.01～0.1）μF的小电容；在各主要的集成电路芯片的电源输入端与地之间，或电路板电源布线的一些关键点与地之间，接入一个（1～10）μF的电解电容，同时为滤除高频干扰，可再并联一个0.01μF的小电容。去耦法在每块电路板上装上一个或几块稳压块，以稳定电路板上的电源电压，提高抗干扰能力。增设稳压块法12.2.2接地系统的抗干扰技术二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，即工作接地。•接地技术对检测系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产生严重的干扰，而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。检测系统中接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；地线系统分析检测系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。–安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。–模拟地作为传感器、放大器、A/D和D/A转换中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场相连。–数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。–系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连。在检测中，对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地。单点接地与多点接地分别回流法接地示意图输入系统的接地在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。输入信号源有接地和浮地两种情况。信号源端接地，而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地12.2.3硬件抗干扰技术1、共模干扰的抑制共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要有三种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。变压器隔离变压器隔离是利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电，切断两部分的地线联系.这种隔离适用于无直流分量信号的通路。对于直流信号，也可通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再变换成直流信号。光电隔离光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等）封装在一个管壳内组成,实现以光为媒介的电信号传输。发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号很小。由于光电耦合器是用光传送信号，两端电路无直接电气联系，因此，切断了两端电路之间地线的联系，抑制了共模干扰。光电耦合器的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光，由于许多干扰信号虽幅值较高，但能量较小，不足以使发光二极管发光，从而可以有效地抑制干扰信号。特点A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPU浮地屏蔽浮地屏蔽是指信号放大器采用双层屏蔽，输入为浮地双端输入，如图示。这种屏蔽方法使输入信号浮空，达到了抑制共模干扰的目的。2、差模干扰的抑制（2）根据差模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能是让指定频段的信号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中，串模信号往往比被测仪器变化快。差模干扰信号和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此，对差模干扰的抑制较为困难。对差模干扰应根据干扰信号的特性和来源，分别采用不同的措施来抑制。（1）对于来自空间电磁耦合所产生的差模干扰，可采用双绞线作为信号线，其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。也可采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。（4）当被测信号与干扰信号的频谱相互交错时，通常的滤波电路很难将其分开，可采用调制解调器技术。（3）当对称性交变的差模干扰电压或尖峰型差模干扰成为主要干扰时，选用积分式或双积分式A/D转换器可以消弱差模干扰的影响。3、长线传输干扰的抑制同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线。采用同轴电缆或双绞线作为传输线–在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较好的抗差模干