傳感器應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)

[摘要]隨著自動(dòng)化水平的提高，傳感器的應(yīng)用越來越多，但在應(yīng)用中的各種干擾問題是應(yīng)用中的一個(gè)難題，它會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和準(zhǔn)確性。因此在自動(dòng)化檢測系統(tǒng)中應(yīng)用各種抗干擾措施以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性就必不可少。干擾的類型不同，干擾的途徑不同，抗干擾的措施也會(huì)不同。

[關(guān)鍵詞]傳感器 應(yīng)用中 抗干擾措施

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2009）0110027-02

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化水平的不斷提高，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航天、航空等各領(lǐng)域大量使用了各種類型的傳感器和自動(dòng)檢測技術(shù)來監(jiān)控生產(chǎn)過程、控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)的生產(chǎn)過程具有較高的自動(dòng)化水平，系統(tǒng)的控制精度、準(zhǔn)確度得到很大的提高。傳感器是自動(dòng)檢測系統(tǒng)中的“感覺器官”，它的反應(yīng)靈敏度、測量誤差，線性度、遲滯等性能指標(biāo)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，有時(shí)對(duì)整個(gè)檢測系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)線等設(shè)備的性能有決定性的影響。除了傳感器本身的性能指標(biāo)外，生產(chǎn)現(xiàn)場中存在的各種干擾問題也會(huì)使自動(dòng)檢測系統(tǒng)發(fā)生一些故障、誤動(dòng)作、甚至造成計(jì)算機(jī)的“死機(jī)”和系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。這些干擾如有些生產(chǎn)現(xiàn)場大能耗設(shè)備多，特別是大功率感性負(fù)載的啟、停往往會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾，供電電壓的波動(dòng)，各種信號(hào)線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號(hào)線間的干擾，空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會(huì)干擾傳感器的正常工作。此外，生產(chǎn)現(xiàn)場溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化等等，以上各種情況都可能引起自動(dòng)檢測系統(tǒng)、傳感器的工作異常，為了保證自動(dòng)檢測系統(tǒng)的正常工作，必須采用相應(yīng)的措施，將各種干擾消除或抑制干擾，使系統(tǒng)正常工作。

要消除干擾，首先要分清干擾源是什么，干擾的途徑是什么，干擾信號(hào)是怎樣進(jìn)入系統(tǒng)的等問題，只有這樣，才能針對(duì)不同問題，采用不同的措施。

一、干擾的種類

（一）電和磁的干擾

電和磁可以通過電路和磁路對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用，電場和磁場的變化在系統(tǒng)的有關(guān)電路或?qū)Ь€中感應(yīng)出干擾電壓，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

（二）機(jī)械干擾

機(jī)械振動(dòng)和沖擊，使系統(tǒng)中的儀表或某些裝置的電氣元件發(fā)生振動(dòng)、變化等，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

（三）熱干擾

設(shè)備和元器件在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動(dòng)以及環(huán)境溫度的變化引起儀表和測量裝置中電路的元器件參數(shù)發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

（四）光干擾

測量儀表或傳感器所使用的半導(dǎo)體元件在光作用下會(huì)改變其導(dǎo)電性能，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

（五）溫度干擾

溫度增加會(huì)引起絕緣電阻下降，漏電流增加，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

（六）射頻干擾

電磁波、射線會(huì)使氣體、電離，使金屬逸出電子，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

（七）化學(xué)干擾等

二、干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的途徑

（一）通過電路進(jìn)入系統(tǒng)

1．通過電源回路進(jìn)入系統(tǒng)；

2．通過電路中的共阻抗進(jìn)入系統(tǒng)；

3．通過電路中的共漏電阻進(jìn)入系統(tǒng)。

（二）通過場進(jìn)入系統(tǒng)

1．通過電場耦合進(jìn)入系統(tǒng)；

2．通過磁場耦合進(jìn)入系統(tǒng)。

三、消除干擾的措施

可以從以下三個(gè)方面采取措施：

1．消除或抑制干擾源；

2．破壞干擾途徑；

3．削弱接收回路對(duì)干擾的敏感性。

主要措施有以下幾種：

（一）屏蔽技術(shù)

包括靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽、熱屏蔽等。

1．靜電屏蔽：靜電屏蔽就是用銅或鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬為材料制作成封閉的金屬容器，并與地線連接，把需要屏蔽的電路置于其中，使外部干擾電場的電力場不影響其內(nèi)部的電路，反過來，內(nèi)部電路產(chǎn)生的電力線也無法外逸去影響外電路。靜電屏蔽不但能夠防止靜電干擾，也一樣能防止交變電場的干擾，所以許多儀器的外殼用導(dǎo)電材料制作并且接地?，F(xiàn)在雖然有越來越多的儀器用工程塑料（ABS）制作外殼，但當(dāng)你打開外殼時(shí)，仍然會(huì)看到在機(jī)殼的內(nèi)壁上粘貼有一層接地的金屬薄膜，它起到與金屬外殼一樣的靜電屏蔽作用。

2．低頻磁屏蔽：低頻磁屏蔽就是用來隔離低頻磁場和固定磁場耦合干擾的有效措施。任何通過電流的導(dǎo)線或線圈周圍都存在磁場，客觀存在磁場，它們可能對(duì)檢測儀器的信號(hào)線或者儀器造成磁場耦合干擾。為了防止磁場耦合干擾，必須采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便讓低頻干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽層上通過，使低頻磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。例如，儀器的鐵皮外殼就起到低頻磁屏蔽的作用。若進(jìn)一步將外殼接地，以同時(shí)起靜電屏蔽的作用。

3．電磁屏蔽：電磁屏蔽也是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，將被保護(hù)的電路包圍在其中。它屏蔽的干擾對(duì)象不是電場，而是高頻（40KHz以上）磁場。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時(shí)，就在其外表面感應(yīng)出同頻率的電渦流，從而消耗了高頻干擾的能量。其次，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新的磁場，根據(jù)楞次定律，其方向恰好與干擾源的方向相反，以抵消了一部分干擾磁場的能量，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場的影響。

由于無線電廣播的本質(zhì)是電磁波，所以電磁屏蔽也能吸收掉它們的能量，這就是我們?cè)谄嚕ㄤ摪遘嚿?，但并未接地）里收不到電臺(tái)，而必須將收音機(jī)的天線拉出車外的原因。

若將電磁屏蔽層接地，它可同時(shí)兼有靜電屏蔽作用，對(duì)電磁波的屏蔽效果就更好。通常作為傳輸線使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜接地時(shí)就能同時(shí)起到電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。

（二）接地技術(shù)

接地包括安全接地、信號(hào)接地、信號(hào)源接地、負(fù)載接地等。

接地是保證人身和設(shè)備安全、抗干擾的一種方法。合理地選擇接地方式是抑制電容性耦合、電感性耦合及電阻耦合，減小或削弱干擾的重要措施。

檢測系統(tǒng)通常由傳感器（一次儀表）與二次儀表構(gòu)成，在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場，由于兩者相距較遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸線也較長，所以測量的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生跳動(dòng)、造成誤差變大。解決此類問題必須按一點(diǎn)接地原則。所謂一點(diǎn)接地就是指在電路中如果采用多點(diǎn)接地的話，由于各接地點(diǎn)的電位不同就可能形成電路的干擾信號(hào)，因此在電路中盡可能的做到一點(diǎn)接地，如果不能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地，則盡量將接地線加寬，以使各接地點(diǎn)的電位相近，以免形成信號(hào)干擾源。

（三）隔離措施

隔離包括變壓器隔離、光電耦合器隔離等。

隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道，從而達(dá)到抑制干擾的一種技術(shù)措施。

變壓器隔離主要使用在傳輸交變信號(hào)的傳輸通道中。

光電耦合器隔離廣泛應(yīng)用于數(shù)字接口電路中。目前，在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中越來越多的采用光電耦合器來提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。

光電耦合器是一種電光電耦合器件，它的輸入量是電流，輸出量也是電流，但是輸入、輸出之間從電氣上看卻是絕緣的。保證了輸入回路和輸出回路的電氣隔離。

光電耦合器的主要特點(diǎn)是：輸入、輸出回路絕緣電阻高（大于1010Ω）、耐壓超過1KV；因?yàn)楣獾膫鬏斒菃蜗虻模暂敵鲂盘?hào)不會(huì)反饋和影響輸入端；輸入、輸出回路在電氣上是完全隔離的，能很好的解決不同電位、不同邏輯電路之間的隔離和傳輸矛盾。

（四）濾波技術(shù)

濾波技術(shù)就是采用相應(yīng)形式的濾波器將各種干擾信號(hào)濾除，使信號(hào)傳輸過程中的干擾信號(hào)不進(jìn)入檢測系統(tǒng)。它是抑制干擾的最有效措施之一。濾波技術(shù)特別對(duì)抑制經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路的干擾，它是一種廣泛采用的措施。將相應(yīng)頻帶的濾波器接入信號(hào)傳輸通道中，濾除或盡可能衰減干擾信號(hào)，以達(dá)到提高信噪比，抑制干擾的目的。

各種濾波器是抑制差模干擾的有效措施之一。在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中常用的濾波器有：

1．RC濾波器，當(dāng)信號(hào)源為熱電偶、應(yīng)變片等信號(hào)變化緩慢的傳感器時(shí)，利用小體積、低成本的無源RC低通濾波器將對(duì)串模干擾有較好的抑制效果。

2．交流電源濾波器，電源網(wǎng)絡(luò)吸收了各種高低頻噪聲，對(duì)此常用LC濾波器來抑制混入電源的噪聲。

在電源和負(fù)載之間插入交流電源濾波器之后，可以將幾千赫茲至幾十兆赫茲范圍內(nèi)的電磁干擾衰減幾十倍以上。在干擾環(huán)境中工作的計(jì)算機(jī)、傳感器、二次儀表等電器設(shè)備的電源最好都要串聯(lián)交流電源濾波器。在選擇交流電源濾波器時(shí)主要考慮：一是濾波器的額定電流必須大于該電氣設(shè)備的工作電流；二是在可預(yù)見的頻率范圍內(nèi)，對(duì)干擾的衰減系數(shù)必須符合要求。使用時(shí)可根據(jù)需要，選擇內(nèi)部包含一級(jí)LC或兩級(jí)甚至三級(jí)LC的電源濾波器。在使用時(shí)必須良好接地。

3．直流電源濾波器，直流電源往往為幾個(gè)電路所共用，為了避免通過電源內(nèi)阻造成幾個(gè)電路之間的相互干擾，應(yīng)在每個(gè)電路的直流電源上加上RC或LC退耦濾波器。

對(duì)于熱干擾、溫度干擾、光干擾等其它的干擾也可采用與之相對(duì)應(yīng)的措施，對(duì)于熱干擾可以采用熱屏蔽加以解決；對(duì)于溫度干擾可以采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞?，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的溫度變化。另外，設(shè)計(jì)的過程中，在選用電器元件、傳感器時(shí)必須選用性能參數(shù)穩(wěn)定、可靠性高、能適應(yīng)具體工作現(xiàn)場條件的器件，以保證系統(tǒng)組成后工作的可靠、安全。

總之，干擾是一個(gè)比較復(fù)雜的技術(shù)問題，要針對(duì)不同的技術(shù)要求，不同的工作環(huán)境，干擾源的種類，干擾的途徑等具體情況，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮，采用與之相適應(yīng)的各種抗干擾措施，使系統(tǒng)可靠正常的工作。例如在實(shí)際設(shè)計(jì)汽車衡、軌道衡時(shí)就采用了屏蔽技術(shù)，信號(hào)的傳輸使用了帶屏蔽層的多芯電纜線；在系統(tǒng)調(diào)零裝置中使用了屏蔽技術(shù)等，通過相應(yīng)措施的使用，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，稱量準(zhǔn)確。在水泥生產(chǎn)過程中利用皮帶稱稱重的自動(dòng)配料系統(tǒng)中也采用屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等抗干擾措施，以保證系統(tǒng)的配料準(zhǔn)確。在熱處理工藝過程控制中，采用熱電偶傳感器或熱輻射溫度傳感器作為測量元件，為了保證系統(tǒng)的正常工作，考慮到高溫工作環(huán)境的影響，在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中使用了熱屏蔽技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、光電耦合技術(shù)等，使溫度的控制比較準(zhǔn)確，零部件的熱處理工藝也達(dá)到了技術(shù)要求。

作者簡介：

唐惠龍，女，陜西寶雞人，副教授，寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系副主任。