淺析動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中的干擾處理方法

西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠 蔣軍鋒

1.引言

當(dāng)前的工程應(yīng)用中，越來(lái)越重視動(dòng)態(tài)測(cè)量及其數(shù)據(jù)處理。在測(cè)量壓力、位移、振動(dòng)、速度、溫度等參量時(shí)，由于在動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中存在各方面的干擾，而且儀器輸入量和測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)或信號(hào)）是隨時(shí)間而變化的，它們對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度產(chǎn)生直接或間接的影響，嚴(yán)重時(shí)即可使動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)不能正常工作。因此，動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用等各個(gè)方面都需要考慮抗干擾的問題。

2.動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中干擾的來(lái)源及其特點(diǎn)

由于各種測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試過程以及其所在的環(huán)境因素千變?nèi)f化、層出不窮，因此幾乎沒有兩個(gè)系統(tǒng)的干擾情況完全相同，即使是在同一系統(tǒng)中，干擾現(xiàn)象在不同時(shí)刻產(chǎn)生的影響也不盡相同。在動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試過程中，經(jīng)常遇到的干擾主要有人為的或其他客觀存在的（如輻射、磁場(chǎng)等）等外部因素引起的，也有測(cè)量?jī)x器內(nèi)部元器件等產(chǎn)生的。但是綜合起來(lái)考慮，則主要存在的干擾有：人為因素、空間輻射、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、信號(hào)通道干擾、電源干擾和數(shù)字電路不穩(wěn)定性等。

人為因素主要是在手動(dòng)操作的測(cè)量中不正確人為操作或人為誤差引起的，可消除性大，但對(duì)系統(tǒng)的影響也大，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果?？臻g輻射、磁場(chǎng)電磁感應(yīng)干擾主要由于測(cè)量系統(tǒng)在周圍環(huán)境中受到電磁輻射和磁場(chǎng)的影響，很難消除干擾源，只能從系統(tǒng)自身著手解決。信號(hào)通道干擾是由于傳感器和測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)處理器之間距離長(zhǎng)，傳輸信號(hào)很容易被干擾，同時(shí)也存在多對(duì)信號(hào)電纜相互干擾，干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)重要途徑就是I/O通道。系統(tǒng)一般由工業(yè)用電網(wǎng)絡(luò)供電，當(dāng)系統(tǒng)與其它經(jīng)常變動(dòng)的大負(fù)載（大功率電機(jī)的啟停）共用電源時(shí)，很可能引起測(cè)量系統(tǒng)電源欠壓、浪涌、下陷或產(chǎn)生尖峰干擾。另外當(dāng)電源引線較長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生電壓降、感應(yīng)電勢(shì)等也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，這些干擾常給高精度系統(tǒng)帶來(lái)麻煩。

數(shù)字集成電路引出的直流電流雖然只有mA級(jí)，但當(dāng)電路處在快速開關(guān)時(shí)，就會(huì)形成較大的干擾。例如TTL門電路在導(dǎo)通狀態(tài)下從直流電源引出5mA左右，截至狀態(tài)下為1mA，在5ns的時(shí)間內(nèi)其電流變化為4mA，若配電線上有0.5μH電感，當(dāng)狀態(tài)改變時(shí)，配電線上將產(chǎn)生0.4V噪聲電壓，而這種門電路的供電電壓僅為5V，如果把這個(gè)值乘上典型系統(tǒng)的大量門電路數(shù)值，其所引起的干擾將是非常嚴(yán)重的。

3.干擾處理方法及處理效果

干擾處理方法概括有三項(xiàng)基本原則：防止干擾竄入、遠(yuǎn)離干擾源、消除干擾源。動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的抑制干擾方法主要有隔離與耦合、濾波和屏蔽、優(yōu)化布線、軟件消除、系統(tǒng)接地等。正確的接地和屏蔽結(jié)合起來(lái)能夠很好地抑制干擾，如限制和降低干擾噪聲電平、旁路雜散輻射能量和防止系統(tǒng)遭受干擾，還可以保護(hù)操作人員人身安全和設(shè)備安全。接地處理一般可以采取多種方法，如一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地、交流地和信號(hào)地、浮地與接地，各種接地應(yīng)按正確方法進(jìn)行，如埋設(shè)銅板法、接地棒法和網(wǎng)狀接地法等。

平行導(dǎo)線之間存在著互感和分布電容，進(jìn)行信息傳送時(shí)會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，影響系統(tǒng)工作可靠性，如功率線、載流線與小信號(hào)線平行走線，電位線與脈沖線平行走線，電力線與信號(hào)線平行走線等都會(huì)引起串?dāng)_，因此布線時(shí)應(yīng)按一定的走線原則進(jìn)行布線。對(duì)于元器件空余輸入端應(yīng)采取一定的處理方法，如并聯(lián)輸入端、接高電平或懸空后利用反相器接地；對(duì)于數(shù)字電路可采取設(shè)置高頻去耦合電容，并進(jìn)行良好接地。軟件抗干擾起著非常重要的作用，在硬件基礎(chǔ)完善后，必須采取更有效的軟件抗干擾措施。常用的軟件抗干擾方法主要有：采用數(shù)字濾波方法既能剔除干擾數(shù)據(jù)，又可消除系統(tǒng)誤差；設(shè)置睡眠模式可以降低功耗，減少干擾對(duì)CPU的影響；利用看門狗定時(shí)器可使得CPU不至于失去控制；在程序中加入冗余指令，防止程序跑飛。

3.1 人為操作因素干擾

對(duì)于此類干擾，動(dòng)態(tài)測(cè)量過程的操作人員都應(yīng)經(jīng)過一定的培訓(xùn)來(lái)保證儀器操作以及測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性，要堅(jiān)持原則性，嚴(yán)格按照系統(tǒng)工作方式進(jìn)行操作運(yùn)行。

3.2 空間輻射干擾、強(qiáng)磁場(chǎng)電磁感應(yīng)干擾

對(duì)于空間輻射干擾和強(qiáng)磁場(chǎng)電磁感應(yīng)干擾，動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)通常采取屏蔽和濾波技術(shù)抑制干擾。

屏蔽主要以金屬等其他材料構(gòu)成的可以防止干擾的屏蔽體，且能有效地抑制輻射、電磁波、磁場(chǎng)等干擾源產(chǎn)生的干擾。屏蔽體主要以反射或吸收的方式來(lái)削弱這些干擾，從而形成對(duì)干擾的屏蔽，良好地保證動(dòng)態(tài)測(cè)量過程的正常進(jìn)行。其中對(duì)電磁波和磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾的最有效方法就是選用高導(dǎo)磁材料制作的屏蔽體，使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻磁路通過，而不影響屏蔽體內(nèi)的電路；對(duì)屏蔽電場(chǎng)或輻射場(chǎng)時(shí)，則選用銅、鋁等電阻率小的金屬材料作屏蔽體屏蔽低頻磁場(chǎng)時(shí)，選磁鋼、鐵氧體等磁導(dǎo)率高的材料；在屏蔽高頻磁場(chǎng)時(shí)，選擇銅、鋁等電阻率小的材料，如：在兩導(dǎo)線間插入一接地導(dǎo)體，進(jìn)行靜電蔽體。對(duì)靜電蔽體，加一塊金屬板就起能作用，而對(duì)電磁屏蔽，板壁過簿時(shí)就會(huì)無(wú)效，同時(shí)抗干擾性能與屏蔽體的外部形狀也有關(guān)，但是注意如板壁過厚，將產(chǎn)生一定的渦流電流，而渦流電流會(huì)形成反磁場(chǎng)，阻礙磁通進(jìn)入屏蔽板。

為了有效發(fā)揮屏蔽體的屏蔽作用，消除屏蔽體與內(nèi)部電路的寄生電容，屏蔽體應(yīng)按“一點(diǎn)接地”的原則接地。利用抗電磁干擾能力和抗靜電干擾強(qiáng)的光纖傳輸和傳感技術(shù)的抗干擾方法也能很有效的抑制干擾。

3.3 電源干擾

要正確處理電源干擾，就必須了解當(dāng)前所使用的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)電源干擾的特點(diǎn)及主要來(lái)源，從而對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行持續(xù)不斷的監(jiān)控和測(cè)試，通常我們可以通過電源干擾測(cè)試儀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源干擾的監(jiān)控和測(cè)試。電源干擾測(cè)試儀能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)電源上出現(xiàn)的各種干擾和波動(dòng)，一旦出現(xiàn)干擾，它能及時(shí)地記錄各種干擾發(fā)生的時(shí)間及大小并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，給以后測(cè)試系統(tǒng)排除電源干擾提供重要依據(jù)，同時(shí)它還能提供相應(yīng)的電源干擾抑制相關(guān)途徑，保證動(dòng)態(tài)測(cè)量過程的順利進(jìn)行。

3.4 信號(hào)通道干擾

干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要途徑就是I/O通道，尤其是當(dāng)變送器遠(yuǎn)離測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，這些干擾包括共模干擾和電磁感應(yīng)干擾，在多對(duì)的信號(hào)電纜中還會(huì)相互干擾，通常采取的措施有如下幾點(diǎn)。

3.4.1 硬件濾波

在信號(hào)加入到輸入通道之前，可采用硬件低通濾波器來(lái)濾除交流干擾，常用的低通濾波器有：RC濾波器、LC濾波器和有源濾波器。

RC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也低，且不需要調(diào)整，但它的串模抑制比不夠高，一般需2～3級(jí)才能達(dá)到濾波要求。LC濾波器的串模抑制較高，但電感成本高、體積大。有源濾波器對(duì)低頻干擾具有很好的抑制作用，其原理是產(chǎn)生一個(gè)與干擾信號(hào)幅值相等、相位相反的反饋信號(hào)，在濾波器的輸入端進(jìn)行疊加，從而將干擾信號(hào)消除。

3.4.2 采用差動(dòng)方式傳送信號(hào)

其原理是差動(dòng)放大器只對(duì)差動(dòng)信號(hào)起放大作用，而對(duì)共模電壓起不到放大作用，因此能夠有效地抑制共模噪聲的干擾，性能也比較好。

3.4.3 采用雙絞屏蔽線傳送信號(hào)

把兩根導(dǎo)線相互扭絞，電流流過兩根導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)以相互扭絞時(shí)最小，扭絞越大，節(jié)距就越小，對(duì)串模干擾的抑制比就越高，抗干擾性能就越好。在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)所，應(yīng)當(dāng)采用雙絞屏蔽信號(hào)線，可使電場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽作用大大加強(qiáng)，抗干擾性能也會(huì)大大加強(qiáng)。

3.4.4 信號(hào)線的敷設(shè)

信號(hào)線若敷設(shè)不合理，不僅達(dá)不到抗干擾的效果，反而會(huì)引入新的干擾。因此信號(hào)線的鋪設(shè)要注意以下幾點(diǎn)：信號(hào)電纜與電源電纜必須分開，絕對(duì)避免信號(hào)線與電源線合用同一股電纜；屏蔽層要一端接地，避免多點(diǎn)接地；盡量遠(yuǎn)離干擾源，如避免把信號(hào)線敷設(shè)在大容量變壓器或大功率電動(dòng)機(jī)等設(shè)備附近。

3.4.5 數(shù)字電路干擾

該方法主要是提高動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中敏感元器件的抗干擾性能，即盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，并從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)。主要有效措施有：電路板布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，從而降低感應(yīng)噪聲，同時(shí)電源線和接地線要盡量粗，降低耦合噪聲和減小壓降；單片機(jī)電路盡量使用電源監(jiān)控和系統(tǒng)保護(hù)電路，空余單片機(jī)I/O接口要接地或接電源，不能懸空，其它IC閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯下也應(yīng)接地或接電源；IC器件應(yīng)直接焊接在電路板上，盡量的減少IC插座。

3.4.6 軟件抗干擾

該方法主要有利用數(shù)字濾波器等來(lái)濾除干擾，采用看門狗軟件、多次采樣技術(shù)、定時(shí)刷新輸出口等抑制干擾。

4.結(jié)論

由于動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)使用環(huán)境不同，其干擾源也不同，處理方式更顯得多種多樣，綜合考慮應(yīng)用軟硬件技術(shù)和具體問題具體分析的方法來(lái)解決和排除干擾，消除誤差，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證測(cè)量系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？垢蓴_設(shè)計(jì)中雖然需要很強(qiáng)的理論指導(dǎo)，但更主要還是靠在實(shí)踐中不斷地摸索和積累抗干擾經(jīng)驗(yàn)，才能把對(duì)系統(tǒng)的干擾降低到最低限度內(nèi)，使系統(tǒng)能夠完善正常的工作。

[1]朱利香.動(dòng)態(tài)測(cè)試中的抗干擾技術(shù)[D].中南大學(xué),2006.

[2]李傳偉.測(cè)試系統(tǒng)的干擾及其抑制[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(9).

[3]俞斌,賈雅瓊.數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的抗干擾技術(shù)[D].湖南工學(xué)院,2007,9.

[4]呂俊霞.數(shù)字電子電路的干擾及其抑制方法[J].河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院.