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模拟傳感器的幹擾及抗幹擾措施

一、前言

模拟傳感器的應用非常廣泛,不論是在工業、農業、國防建設,還是在日常生活、教育事業以及科學研究等領域,處處可見模拟傳感器的身影。但在模拟傳感器的設計和使用中,都有一個如何使其測量精度達到*高的問題。而衆多的幹擾一直影響着傳感器的測量精度,如:現場大耗能設備多,特别是大功率感性負載的啟停往往會使電網産生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖幹擾;工業電網欠壓或過壓,常常達到額定電壓的35%左右,這種惡劣的供電有時長達幾分鐘、幾小時,甚至幾天;各種信号線綁紮在一起或走同一根多芯電纜,信号會受到幹擾,特别是信号線與交流動力線同走一個長的管道中幹擾尤甚;多路開關或保持器性能不好,也會引起通道信号的竄擾;空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會幹擾傳感器的正常工作;此外,現場溫度、濕度的變化可能引起電路參數發生變化,腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用,野外的風沙、雨淋,甚至鼠咬蟲蛀等都會影響傳感器的可靠性。模拟傳感器輸出的一般都是小信号,都存在小信号放大、處理、整形以及抗幹擾問題,也就是将傳感器的微弱信号**地放大到所需要的統一标準信号(如1VDC~5VDC或4 mADC~20mADC),并達到所需要的技術指标。這就要求設計制作者必須注意到模拟傳感器電路圖上未表示出來的某些問題,即抗幹擾問題。隻有搞清楚模拟傳感器的幹擾源以及幹擾作用方式,設計出消除幹擾的電路或預防幹擾的措施,才能達到應用模拟傳感器的*佳狀态。

二、幹擾源、幹擾種類及幹擾現象

傳感器及儀器儀表在現場運行所受到的幹擾多種多樣,具體情況具體分析,對不同的幹擾采取不同的措施是抗幹擾的原則。這種靈活機動的策略與普适性無疑是矛盾的,解決的辦法是采用模塊化的方法,除了基本構件外,針對不同的運行場合,儀器可裝配不同的選件以有效地抗幹擾、提高可靠性。在進一步讨論電路元件的選擇、電路和系統應用之前,有必要分析影響模拟傳感器精度的幹擾源及幹擾種類。

1、 主要幹擾源

(1)靜電感應
靜電感應是由于兩條支電路或元件之間存在着寄生電容,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 
當兩個電路之間有互感存在時,一個電路中電流的變化就會通過磁場耦合到另一個電路,這一現象稱為電磁感應。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導線等。
(3)漏電流感應 
由于電子線路内部的元件支架、接線柱、印刷電路闆、電容内部介質或外殼等絕緣不佳,特别是傳感器的應用環境濕度較大,絕緣體的絕緣電阻下降,導緻漏電電流增加就會引起幹擾。尤其當漏電流流入測量電路的輸入級時,其影響就特别嚴重。
(4)射頻幹擾 
主要是大型動力設備的啟動、操作停止的幹擾和高次諧波幹擾。如可控矽整流系統的幹擾等。
(5)其他幹擾 
現場安全生産監控系統除了易受以上幹擾外,由于系統工作環境較差,還容易受到機械幹擾、熱幹擾及化學幹擾等。

2、幹擾的種類

(1)常模幹擾
常模幹擾是指幹擾信号的侵入在往返2條線上是一緻的。常模幹擾來源一般是周圍較強的交變磁場,使儀器受周圍交變磁場影響而産生交流電動勢形成幹擾,這種幹擾較難除掉。
(2)共模幹擾
共模幹擾是指幹擾信号在2條線上各流過一部分,以地為公共回路,而信号電流隻在往返2個線路中流過。共模幹擾的來源一般是設備對地漏電、地電位差、線路本身具有對地幹擾等。由于線路的不平衡狀态,共模幹擾會轉換成常模幹擾,就較難除掉了。
(3)長時幹擾
長時幹擾是指長期存在的幹擾,此類幹擾的特點是幹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幹擾都是連續的交流50 Hz工頻幹擾。
(4)意外的瞬時幹擾
意外瞬時幹擾主要在電氣設備操作時發生,如合閘或分閘等,有時也在伴随雷電發生或無線電設備工作瞬間産生。 
幹擾可粗略地分為3個方面:
(a)局部産生(即不需要的熱電偶);
(b)子系統内部的耦合(即地線的路徑問題);
(c)外部産生(Bp電源頻率的幹擾)。

3、幹擾現象

在應用中,常會遇到以下幾種主要幹擾現象:
(1)發指令時,電機無規則地轉動;
(2)信号等于零時,數字顯示表數值亂跳;
(3)傳感器工作時,其輸出值與實際參數所對應的信号值不吻合,且誤差值是随機的、無規律的;
(4)當被測參數穩定的情況下,傳感器輸出的數值與被測參數所對應的信号數值的差值為一穩定或呈周期性變化的值;
(5)與交流伺服系統共用同一電源的設備(如顯示器等)工作不正常。

幹擾進入定位控制系統的渠道主要有兩類:信号傳輸通道幹擾,幹擾通過與系統相聯的信号輸入通道、輸出通道進入;供電系統幹擾。信号傳輸通道是控制系統或驅動器接收反饋信号和發出控制信号的途徑,因為脈沖波在傳輸線上會出現延時、畸變、衰減與通道幹擾,所以在傳輸過程中,長線的幹擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在内阻,正是這些内阻才引起了電源的噪聲幹擾,如果沒有内阻,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幹擾電壓;此外,交流伺服系統驅動器本身也是較強的幹擾源,它可以通過電源對其它設備進行幹擾。

三、抗幹擾的措施

1、供電系統的抗幹擾設計

對傳感器、儀器儀表正常工作危害*嚴重的是電網尖峰脈沖幹擾,産生尖峰幹擾的用電設備有:電焊機、大電機、可控機、繼電接觸器、帶鎮流器的充氣照明燈,甚至電烙鐵等。尖峰幹擾可用硬件、軟件結合的辦法來抑制。

(1)用硬件線路抑制尖峰幹擾的影響 
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計的幹擾控制器,将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;
②在儀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;
③在儀器交流電源的輸入端并聯壓敏電阻,利用尖峰脈沖到來時電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓,從而削弱幹擾的影響。
(2)利用軟件方法抑制尖峰幹擾
對于周期性幹擾,可以采用編程進行時間濾波,也就是用程序控制可控矽導通瞬間不采樣,從而有效地消除幹擾。
(3)采用硬、軟件結合的看門狗(watchdog)技術抑制尖峰脈沖的影響
軟件:在定時器定時到之前,CPU訪問一次定時器,讓定時器重新開始計時,正常程序運行,該定時器不會産生溢出脈沖,watchdog也就不會起作用。一旦尖峰幹擾出現了“飛程序”,則CPU就不會在定時到之前訪問定時器,因而定時信号就會出現,從而引起系統複位中斷,保證智能儀器回到正常程序上來。 
(4)實行電源分組供電,例如:将執行電機的驅動電源與控制電源分開,以防止設備間的幹擾。
(5)采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅動器對其它設備的幹擾。該措施對以上幾種幹擾現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,以提高抵抗共模幹擾能力。
(7)采用高抗幹擾性能的電源,如利用頻譜均衡法設計的高抗幹擾電源。這種電源抵抗随機幹擾非常有效,它能把高尖峰的擾動電壓脈沖轉換成低電壓峰值(電壓峰值小于TTL電平)的電壓,但幹擾脈沖的能量不變,從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗幹擾能力。

2、信号傳輸通道的抗幹擾設計

(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,可以将控制系統與輸入通道、輸出通道以及伺服驅動器的輸入、輸出通道切斷電路之間的聯系。如果在電路中不采用光電隔離,外部的尖峰幹擾信号會進入系統或直接進入伺服驅動裝置,産生**種幹擾現象。
光電耦合的主要優點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲幹擾,使信号傳輸過程的信噪比大大提高。幹擾噪聲雖然有較大的電壓幅度,但是能量很小,隻能形成微弱電流,而光電耦合器輸入部分的發光二極管是在電流狀态下工作的,一般導通電流為10mA~15mA,所以即使有很大幅度的幹擾,這種幹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
信号在傳輸過程中會受到電場、磁場和地阻抗等幹擾因素的影響,采用接地屏蔽線可以減小電場的幹擾。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,能使各個小環節的電磁感應幹擾相互抵消。另外,在長距離傳輸過程中,一般采用差分信号傳輸,可提高抗幹擾性能。采用雙絞屏蔽線長線傳輸可以有效地抑制前文提到的幹擾現象中的(2)、(3)、(4)種幹擾的産生。

3、局部産生誤差的消除
在低電平測量中,對于在信号路徑中所用的(或構成的)材料必須給予嚴格的注意,在簡單的電路中遇到的焊錫、導線以及接線柱等都可能産生實際的熱電勢。由于它們經常是成對出現,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或者将大功率。