排除機(jī)械電子設(shè)備中電氣干擾的主要措施

侯大鵬

摘要：電子設(shè)備是指由集成電路、晶體管和電子管等電子元器件組成的，應(yīng)用電子技術(shù)軟件發(fā)揮作用的設(shè)備。在機(jī)械電子設(shè)備運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的干擾，在這些干擾中，電氣干擾最為常見，其廣泛存在于遙控器和傳感器的使用過程中，這常使技術(shù)人員感到困惑。電氣干擾一般包括電源干擾和電磁干擾，在此介紹幾種常用的抗干擾措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；電子設(shè)備；電氣干擾；濾波器：措施

機(jī)械電子設(shè)備一般包括控制器，傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。機(jī)械電子設(shè)備在當(dāng)前有著廣泛應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，很容易受到干擾，比如電氣干擾，在現(xiàn)實(shí)中發(fā)生率極高且影響很大。電氣干擾具有多發(fā)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)。電氣干擾也是最讓技術(shù)人員頭疼的技術(shù)問題之一。若不及時(shí)處理，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器異常，使用壽命縮短，甚至機(jī)器被毀，對(duì)周圍人員的人身安全構(gòu)成威脅。因此，必須加強(qiáng)此方面的研究，深入了解電氣干擾的來源、傳播方式、影響等，繼而采取有效的應(yīng)對(duì)之策。電氣干擾一般包括電源干擾和電磁干擾，電源干擾是由于電壓產(chǎn)生電流干擾機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，因此其傳播是需要通過導(dǎo)線進(jìn)行的。電源干擾是一種很復(fù)雜的干擾，產(chǎn)生的原因是多樣的，并包括了許多可變的因素，反映出干擾的形式也是多種多樣。由于電源干擾發(fā)電壓較小，因此電源干擾會(huì)隨著導(dǎo)線的延長(zhǎng)而逐漸減小。電磁干擾進(jìn)入設(shè)備的方式可分為二大類、即傳導(dǎo)和輻射。在此介紹幾種常用的抗干擾措施。

1濾波抗干擾

該方法主要是通過濾波器對(duì)信號(hào)中特點(diǎn)波段頻率予以濾除，從而達(dá)到抑制電氣干擾傳輸?shù)哪康?，多用于抑制低頻和中頻干擾。所以，濾波器是一種能夠?qū)ΣㄟM(jìn)行過濾的器件，包括電容、電感、電阻等幾部分。按照信號(hào)頻段可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器，按照處理的信號(hào)可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。不同的濾波器，所處理的范圍也不相同，比如高通濾波器主要抑制低頻干擾，而低通濾波器則主要抑制高頻分量和干擾。這就要求，采用此方法時(shí)，必須要提前清楚干擾源的頻譜和干擾波的幅值等信息，一般可以使用專業(yè)的干擾儀器進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇最為適宜的濾波器并合理運(yùn)用。

以饋通濾波器為例，在金屬面板上應(yīng)用較多，比如雷達(dá)、通訊設(shè)備等，能夠有效地抑制高頻諧波。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)械電子設(shè)備的工作環(huán)境更加復(fù)雜，電磁干擾頻率不斷增高，必須做好高頻濾波的準(zhǔn)備。饋通濾波器的優(yōu)勢(shì)在于，高頻濾波效果較好，可保護(hù)屏蔽體不被穿透。其電路結(jié)構(gòu)有多種，如π形、C形、T形，其中C形就是常說的穿心電容器。使用饋通濾波器，最常見的方法就是將其直接安裝在屏蔽體的面板上，另外還可以安裝在電路之間的隔離板上，或者安裝于線路板的地線層。市場(chǎng)上有螺紋安裝、焊接式安裝兩大類產(chǎn)品，前者方便簡(jiǎn)單，容易操作，使用較多；后者雖能節(jié)省空間，整體性能的可靠性高，但焊接時(shí)產(chǎn)生的過高溫度，可能會(huì)損壞濾波器。

2屏蔽抗干擾

屏蔽抗干擾是抗電磁干擾的重要方法，此方法理解起來較為容易，即利用屏蔽體減少或阻止電氣干擾的傳輸，阻止外部干擾進(jìn)入，同時(shí)限制內(nèi)部的電磁能量越出某個(gè)區(qū)域。實(shí)際生活中，隔離和衰減輻射的場(chǎng)合應(yīng)用較多，所謂屏蔽體，多為導(dǎo)電性能良好的金屬材料制成的全封閉的殼體。

屏蔽干擾又分為電屏蔽、磁屏蔽，電屏蔽指的是空腔金屬導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)和腔內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)都為零，此時(shí)安置在腔內(nèi)的物體不受外界電場(chǎng)干擾，又叫靜電屏蔽。在靜電屏蔽中，屏蔽體必須接地，常見的使用方法是，直接在電容耦合通道安插接地的金屬屏蔽導(dǎo)體，導(dǎo)體接地，干擾電壓為零，能夠?qū)⒃瓉硇纬筛蓴_的耦合通道隔斷。

關(guān)于磁屏蔽，電氣干擾的一個(gè)重要干擾源就是磁干擾，其運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)一般是隨時(shí)間不斷變化的，對(duì)電路干擾非常嚴(yán)重。電磁屏蔽通常是指對(duì)于高頻電磁場(chǎng)的屏蔽，電磁波在傳輸過程中遇到阻擋層便會(huì)被衰減或限制，從而起到電磁屏蔽的效果。與靜電屏蔽不同，屏蔽體是否接地對(duì)電磁屏蔽影響不大，但屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性對(duì)電磁屏蔽效果影響極大。所以，一旦屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性被破壞，其屏蔽效果便會(huì)大幅降低，裂口、縫隙等都常常會(huì)破壞屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，比如電腦機(jī)箱上的通風(fēng)口、顯示窗等。為解決這些問題，在處理縫隙時(shí)多會(huì)選擇使用電磁密封襯墊，如導(dǎo)電布、指形簧片、金屬絲網(wǎng)襯墊等，選擇時(shí)需綜合產(chǎn)品的屏蔽效能、回彈力、壓縮永久性變、最小密封壓力、最大形變量等指標(biāo)考慮。

3接地抗干擾

有效的接地是保證機(jī)械電子設(shè)備工作穩(wěn)定性和設(shè)備安全的重要因素，電力系統(tǒng)和電氣裝置中的中性點(diǎn)、電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分和裝置外導(dǎo)電部分經(jīng)由導(dǎo)體與大地相連，被稱為接地，有保護(hù)接地、防雷接地、工作接地幾種。該技術(shù)的關(guān)鍵在于，避開地環(huán)電流干擾，比如一點(diǎn)接地；另外還要降低公共地線阻抗的耦合干擾，常見的方式為一點(diǎn)接地加并聯(lián)接地。

不同領(lǐng)域的接地有區(qū)別，工業(yè)控制系統(tǒng)中所說的接地，未必是與大地連接，懸浮同樣可以，比如直流接地，懸浮狀態(tài)只要與大地絕緣，同樣能起到一樣的抗干擾效果。直流地懸浮能夠有效地將交流網(wǎng)的干擾隔離開，且操作方便，在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用較多，不足之處在于機(jī)器設(shè)備易帶靜電，如果靜電的電位高出了一定值，極有可能會(huì)損壞器件，甚至引發(fā)安全事故。若直流地懸浮和大地之間的絕緣電阻減小，可能會(huì)有更多的干擾形成。

實(shí)際上，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中各通道的信號(hào)頻率大都較低，所以這里的分析以低頻范圍為主。如圖1（a）所示，為串聯(lián)接地方式，其中有3個(gè)電路，分別有其對(duì)應(yīng)的電流流向接地點(diǎn)。而地線有電阻，這就導(dǎo)致最終流向的接地點(diǎn)的電位并不是零，繼而引起各電路間的相互干擾，且其信號(hào)強(qiáng)度如果不同，強(qiáng)信號(hào)電路必然會(huì)對(duì)弱信號(hào)電路造成嚴(yán)重的干擾。解決方法是降低公共地線的阻抗，使其滿足抗干擾容限的要求，并調(diào)整串聯(lián)次序，只有如此才能把干擾降至最低，但這種方案并不適用于工業(yè)控制。而圖1（b）為并聯(lián)接地方式，在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，同樣也有3個(gè)電路，但因?yàn)槭遣⒙?lián)接地，每個(gè)電路的電位與其自身的地線阻抗有關(guān)，彼此之間不會(huì)干擾。另外，選擇地線時(shí)盡量選粗一些，可在一定程度上降低3個(gè)電路間的地電位差，之后在傳輸信號(hào)時(shí)，地線環(huán)流的干擾就不會(huì)太大。

4電氣隔離

導(dǎo)線是電源和電磁干擾的主要傳播途徑，電氣隔離的作用主要是減少兩個(gè)不同的電路之間的相互干擾。例如，某個(gè)實(shí)際電路工作的環(huán)境較差，容易造成接地等故障。如果不采用電氣隔離，直接與供電電源連接，一旦該電路出現(xiàn)接地現(xiàn)象，整個(gè)電網(wǎng)就可能受其影響而不能正常工作。采用電氣隔離后，該電路接地時(shí)就不會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的工作，同時(shí)還可通過絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)該電路對(duì)地的絕緣狀況，一旦該電路發(fā)生接地，可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員及時(shí)維修或處理，避免保護(hù)裝置跳閘停電的現(xiàn)象發(fā)生。

以信號(hào)隔離為例，其目的是把引進(jìn)的干擾通道切斷，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，不直接發(fā)生電的聯(lián)系。工控裝置與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間常用的隔離方式有光電隔離、脈沖變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。比如光電隔離，是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸人開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。

5其他方法

機(jī)械電子設(shè)備種類繁多，應(yīng)用范圍甚廣，雖然質(zhì)量不斷提升，但電氣干擾難以徹底避免。除了以上的幾種方法，在安裝電子設(shè)備時(shí)還應(yīng)注意科學(xué)布局，選擇合適的地方，遠(yuǎn)離磁場(chǎng)較強(qiáng)或者靜電較強(qiáng)的區(qū)域，確保周圍環(huán)境安全，沒有太多的干擾。正如前面所說，干擾源主要為電源干擾、電磁干擾，若遠(yuǎn)離干擾源，受到輻射的影響必然會(huì)減少，而且導(dǎo)線越短，收到的輻射越小。因此還要適當(dāng)縮短設(shè)備之間的連線，達(dá)到降低輻射的目的。

此外，選擇合適的信號(hào)傳遞方式也是提高設(shè)備抗干擾能力、排除機(jī)械電子設(shè)備電氣干擾的重要手段。針對(duì)機(jī)械電子設(shè)備所在的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)階段就要把抗干擾考慮進(jìn)去，采取抗干擾性較強(qiáng)的信號(hào)傳遞技術(shù)，就目前而言，數(shù)字型和電流型信號(hào)應(yīng)用非常廣，與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力明顯更強(qiáng)，適合傳遞信號(hào)。電氣干擾中的電磁干擾主要是影響信號(hào)電纜，產(chǎn)生共模電壓，為解決這一問題，可選擇電流型信號(hào)傳遞方式，它在傳輸過程中不會(huì)出現(xiàn)在同一回路中各點(diǎn)電流不一致的問題。

光纖的優(yōu)勢(shì)不言而喻，用以傳遞信號(hào)，不但容量大、傳播速度快，而且有著良好的抗干擾性。如今，數(shù)字信號(hào)、電平信號(hào)的傳輸更多，使用光纖傳輸，信號(hào)以光速傳播，其抗干擾能力比電纜傳輸信號(hào)更強(qiáng)更經(jīng)濟(jì)。再有就是使用絞線，利用其絞扭節(jié)距，可以把信號(hào)線分成若干小回路，若雙絞線的絞扭一致，小回路的方向相反，所受到的電氣干擾便會(huì)抵消。若絞線加一層屏蔽，抗干擾能力也會(huì)提升。

6結(jié)束語(yǔ)

電氣干擾主要通過電和磁造成干擾，在機(jī)械電子設(shè)備中較為常見，一旦設(shè)備受到干擾，輕則影響正常運(yùn)行，重則設(shè)備損壞，甚至?xí)斐扇藛T傷亡事故，必須予以重視，盡可能地把所有干擾都排除掉。但至于如何降低或限制干擾，對(duì)技術(shù)要求很高，需根據(jù)具體的情況分析干擾源、傳輸途徑，并選擇相應(yīng)的方法。