模擬傳感器的抗干擾措施

摘要：本文分析了影響模擬傳感器小信號處理精度的干擾根源、干擾種類(lèi)以及干擾現象，給出了實(shí)際應用中的各種抗干擾措施。
關(guān)鍵詞：模擬傳感器；小信號處理；抗干擾措施


一、前言

模擬傳感器的應用非常廣泛，不論是在工業(yè)、農業(yè)、國防建設，還是在日常生活、教育事業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，處處可見(jiàn)模擬傳感器的身影。但在模擬傳感器的設計和使用中，都有一個(gè)如何使其測量精度達到zui高的問(wèn)題。而眾多的干擾一直影響著(zhù)傳感器的測量精度，如：現場(chǎng)大耗能設備多，特別是大功率感性負載的啟停往往會(huì )使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過(guò)壓（涉縣鋼鐵廠(chǎng)供電電壓在160V～310V波動(dòng)），常常達到額定電壓的35％左右，這種惡劣的供電有時(shí)長(cháng)達幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天；各種信號線(xiàn)綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號會(huì )受到干擾，特別是信號線(xiàn)與交流動(dòng)力線(xiàn)同走一個(gè)長(cháng)的管道中干擾尤甚；多路開(kāi)關(guān)或保持器性能不好，也會(huì )引起通道信號的竄擾；空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì )干擾傳感器的正常工作；此外，現場(chǎng)溫度、濕度的變化可能引起電路參數發(fā)生變化，腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野外的風(fēng)沙、雨淋，甚至鼠咬蟲(chóng)蛀等都會(huì )影響傳感器的可靠性。模擬傳感器輸出的一般都是小信號，都存在小信號放大、處理、整形以及抗干擾問(wèn)題，也就是將傳感器的微弱信號地放大到所需要的統一標準信號（如1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC），并達到所需要的技術(shù)指標。這就要求設計制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來(lái)的某些問(wèn)題，即抗干擾問(wèn)題。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式，設計出消除干擾的電路或預防干擾的措施，才能達到應用模擬傳感器的*狀態(tài)。

二、干擾源、干擾種類(lèi)及干擾現象

傳感器及儀器儀表在現場(chǎng)運行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析，對不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則。這種靈活機動(dòng)的策略與普適性無(wú)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(chǎng)合，儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾、提高可靠性。在進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統應用之前，有必要分析影響模擬傳感器精度的干擾源及干擾種類(lèi)。

1、 主要干擾源

（1）靜電感應
靜電感應是由于兩條支電路或元件之間存在著(zhù)寄生電容，使一條支路上的電荷通過(guò)寄生電容傳送到另一條支路上去，因此又稱(chēng)電容性耦合。
（2）電磁感應
當兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路中電流的變化就會(huì )通過(guò)磁場(chǎng)耦合到另一個(gè)電路，這一現象稱(chēng)為電磁感應。例如變壓器及線(xiàn)圈的漏磁、通電平行導線(xiàn)等。
（3）漏電流感應
由于電子線(xiàn)路內部的元件支架、接線(xiàn)柱、印刷電路板、電容內部介質(zhì)或外殼等絕緣不良，特別是傳感器的應用環(huán)境濕度較大，絕緣體的絕緣電阻下降，導致漏電電流增加就會(huì )引起干擾。尤其當漏電流流入測量電路的輸入級時(shí)，其影響就特別嚴重。
（4）射頻干擾
主要是大型動(dòng)力設備的啟動(dòng)、操作停止的干擾和高次諧波干擾。如可控硅整流系統的干擾等。
（5）其他干擾
現場(chǎng)安全生產(chǎn)監控系統除了易受以上干擾外，由于系統工作環(huán)境較差，還容易受到機械干擾、熱干擾及化學(xué)干擾等。

2、干擾的種類(lèi)

（1）常模干擾
常模干擾是指干擾信號的侵入在往返2條線(xiàn)上是一致的。常模干擾來(lái)源一般是周?chē)^強的交變磁場(chǎng)，使儀器受周?chē)蛔兇艌?chǎng)影響而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢形成干擾，這種干擾較難除掉。
（2）共模干擾
共模干擾是指干擾信號在2條線(xiàn)上各流過(guò)一部分，以地為公共回路，而信號電流只在往返2個(gè)線(xiàn)路中流過(guò)。共模干擾的來(lái)源一般是設備對地漏電、地電位差、線(xiàn)路本身具有對地干擾等。由于線(xiàn)路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì )轉換成常模干擾，就較難除掉了。
（3）長(cháng)時(shí)干擾
長(cháng)時(shí)干擾是指長(cháng)期存在的干擾，此類(lèi)干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長(cháng)期存在且變化不大，用檢測儀表很容易測出，如電源線(xiàn)或鄰近動(dòng)力線(xiàn)的電磁干擾都是連續的交流50 Hz工頻干擾。
（4）意外的瞬時(shí)干擾
意外瞬時(shí)干擾主要在電氣設備操作時(shí)發(fā)生，如合閘或分閘等，有時(shí)也在伴隨雷電發(fā)生或無(wú)線(xiàn)電設備工作瞬間產(chǎn)生。
干擾可粗略地分為3個(gè)方面：
（a）局部產(chǎn)生（即不需要的熱電偶）；
（b）子系統內部的耦合（即地線(xiàn)的路徑問(wèn)題）；
（c）外部產(chǎn)生（Bp電源頻率的干擾）。

3、干擾現象

在應用中，常會(huì )遇到以下幾種主要干擾現象：
（1）發(fā)指令時(shí)，電機無(wú)規則地轉動(dòng)；
（2）信號等于零時(shí)，數字顯示表數值亂跳；
（3）傳感器工作時(shí)，其輸出值與實(shí)際參數所對應的信號值不吻合，且誤差值是隨機的、無(wú)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號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。

干擾進(jìn)入定位控制系統的渠道主要有兩類(lèi)：信號傳輸通道干擾，干擾通過(guò)與系統相聯(lián)的信號輸入通道、輸出通道進(jìn)入；供電系統干擾。

信號傳輸通道是控制系統或驅動(dòng)器接收反饋信號和發(fā)出控制信號的途徑，因為脈沖波在傳輸線(xiàn)上會(huì )出現延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾，所以在傳輸過(guò)程中，長(cháng)線(xiàn)的干擾是主要因素。任何電源及輸電線(xiàn)路都存在內阻，正是這些內阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒(méi)有內阻，無(wú)論何種噪聲都會(huì )被電源短路吸收，線(xiàn)路中也不會(huì )建立起任何干擾電壓；此外，交流伺服系統驅動(dòng)器本身也是較強的干擾源，它可以通過(guò)電源對其它設備進(jìn)行干擾。



三、抗干擾的措施

1、供電系統的抗干擾設計

對傳感器、儀器儀表正常工作危害zui嚴重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設備有：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。尖峰干擾可用硬件、軟件結合的辦法來(lái)抑制。

（1）用硬件線(xiàn)路抑制尖峰干擾的影響
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干擾控制器，將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(lián)壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來(lái)時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。
（2）利用軟件方法抑制尖峰干擾 　
對于周期性干擾，可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波，也就是用程序控制可控硅導通瞬間不采樣，從而有效地消除干擾。
（3）采用硬、軟件結合的看門(mén)狗（watchdog）技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響 　
軟件：在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪(fǎng)問(wèn)一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開(kāi)始計時(shí)，正常程序運行，該定時(shí)器不會(huì )產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì )起作用。一旦尖峰干擾出現了“飛程序”，則CPU就不會(huì )在定時(shí)到之前訪(fǎng)問(wèn)定時(shí)器，因而定時(shí)信號就會(huì )出現，從而引起系統復位中斷，保證智能儀器回到正常程序上來(lái)。
（4）實(shí)行電源分組供電，例如：將執行電機的驅動(dòng)電源與控制電源分開(kāi)，以防止設備間的干擾。
（5）采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅動(dòng)器對其它設備的干擾。該措施對以上幾種干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(guò)變壓器主要不是靠初、次級線(xiàn)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，以提高抵抗共模干擾能力。
（7）采用高抗干擾性能的電源，如利用頻譜均衡法設計的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機干擾非常有效，它能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉換成低電壓峰值（電壓峰值小于TTL電平）的電壓，但干擾脈沖的能量不變，從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗干擾能力。

2、信號傳輸通道的抗干擾設計

（1）光電耦合隔離措施
在長(cháng)距離傳輸過(guò)程中，采用光電耦合器，可以將控制系統與輸入通道、輸出通道以及伺服驅動(dòng)器的輸入、輸出通道切斷電路之間的。如果在電路中不采用光電隔離，外部的尖峰干擾信號會(huì )進(jìn)入系統或直接進(jìn)入伺服驅動(dòng)裝置，產(chǎn)生*種干擾現象。
光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，使信號傳輸過(guò)程的信噪比大大提高。干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度，但是能量很小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，一般導通電流為10mA～15mA，所以即使有很大幅度的干擾，這種干擾也會(huì )由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。

（2）雙絞屏蔽線(xiàn)長(cháng)線(xiàn)傳輸
信號在傳輸過(guò)程中會(huì )受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)和地阻抗等干擾因素的影響，采用接地屏蔽線(xiàn)可以減小電場(chǎng)的干擾。雙絞線(xiàn)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(gè)小環(huán)節的電磁感應干擾相互抵消。另外，在長(cháng)距離傳輸過(guò)程中，一般采用差分信號傳輸，可提高抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線(xiàn)長(cháng)線(xiàn)傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現象中的（2）、（3）、（4）種干擾的產(chǎn)生。

3、局部產(chǎn)生誤差的消除
在低電平測量中，對于在信號路徑中所用的（或構成的）材料必須給予嚴格的注意，在簡(jiǎn)單的電路中遇到的焊錫、導線(xiàn)以及接線(xiàn)柱等都可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢。由于它們經(jīng)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(xiàn)排列或者將大功率電路和小功率電路分開(kāi)等辦法，其目的是使熱梯度減到zui小兩個(gè)不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的標準導線(xiàn)（如鎳鉻一康銅線(xiàn)）的接點(diǎn)可能產(chǎn)生0.2mV／℃的溫漂，這相當于高精度低漂移的運放管（OP·27CP）的溫漂，是斬波放大器（7650CPA）溫漂的兩倍。雖然采用插座開(kāi)關(guān)、接插件、繼電器等形式能使更換電器元件或組件方便一些，但缺點(diǎn)是可能產(chǎn)生接觸電阻、熱電勢或兩者兼而有之，其代價(jià)是增加低電平分辨力的不穩定性，也就是說(shuō)它比直接連接系統的分辨力要差、精度要低、噪聲增加、可靠性降低。因此，在低電平放大中盡可能地不使用開(kāi)關(guān)、接插件是減少故障、提高精度的重要措施。
在微伏信號放大電路中，焊錫也可能成為低電平的故障，因為在焊錫的焊點(diǎn)上也產(chǎn)生熱電勢。因而，在微伏電平的輸入電路中應采用特殊的低溫焊錫，比如kesterl544型焊錫，甚至還有這樣的例子：必須在一條線(xiàn)路中仔細地切斷一處，再用焊錫接起來(lái)用于補償另一條線(xiàn)路中搭接處或焊錫點(diǎn)所產(chǎn)生的熱電勢。

4、接地問(wèn)題處理辦法
在低電平放大電路中合理“接地”是減少“地”噪聲干擾的重要措施，必須予以特別注意。當使用單電源供給多只傳感器、儀器儀表時(shí)，應該盡量減少接地電阻引進(jìn)的干擾。若供電電源的壓降必須減到zui小，則電源“高”端導線(xiàn)也可按相似的方法接線(xiàn)。包括有多個(gè)電源和多個(gè)傳感器、儀器儀表的系統則需要考慮得更多一些，通常不管電源是誰(shuí)供給，將地線(xiàn)匯集到公共點(diǎn)，然后和系統的公共端接在一起，所有電源1的負載都回到電源1公共端，所有的電源2負載都回到電源2的公共端，zui后用一條粗導線(xiàn)將公共端連在一起。在多電源系統中，可能需要進(jìn)行判斷性試驗，確定地線(xiàn)接法，以達到*的解決方案。
為了便于信號的傳輸和變換，DINIEC381標準規定了允許的電流和電壓值。常用的電壓信號是0V～10V，電流信號是0mA～20mA或4mA～20mA。這些信號常用于遠距離傳輸。電壓信號在傳輸過(guò)程中要受到諸如傳輸距離等條件的限制，而電流信號在傳輸過(guò)程中干擾對它的影響較小，因此應盡量采用電流信號。測量回路中如果有接地，在兩個(gè)接地點(diǎn)之間會(huì )出現電位差。這個(gè)電位差對測量結果會(huì )產(chǎn)生很大的影響，應盡量避免其接地。但如果必須接地，這時(shí)就必須將接地回路隔離開(kāi)，以避免造成測量誤差。有源數字元件在開(kāi)、關(guān)時(shí)會(huì )在電源線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)快速的電流變化，這個(gè)電流在導線(xiàn)電感上不僅會(huì )引起正的電壓降，而且還會(huì )引起負的電壓降。這種電壓的改變被當作干擾在主線(xiàn)路上傳輸。另外，電源中的換向操作單元（如頻率器）同樣會(huì )產(chǎn)生干擾，這個(gè)干擾作為窄帶頻率能量耦合進(jìn)入導線(xiàn)并傳播。接在后邊的電路必須將這些高頻的干擾電壓通過(guò)低通濾波器濾去。

5、軟件濾波
軟件濾波是智能傳感器、儀器儀表所*的，可對包括頻率很低（如0.01Hz）的干擾信號在內的各種干擾信號進(jìn)行濾波，而且一個(gè)數字濾波程序能為多個(gè)輸入通道共用。常用的軟件濾波方法有：

（1）平均值濾波，即把M次采樣的自述平均值作為濾波器的輸出，也可以根據需要增加新鮮采樣的值的比重，形成加權平均值濾波；
（2）中值濾波，即把M次連續采樣值進(jìn)行排序，取其中位值作為濾波器的輸出，這種方法對緩變過(guò)程的脈沖干擾濾波效果良好；
（3）限幅濾波，這種方法是根據采樣周期和真實(shí)信號的正常變化率確定相鄰兩次采樣的zui大可能差值Δ，將本次采樣和上次采樣的差值小于等于Δ的信號認為是有效信號，大于Δ的信號作為噪聲處理。
（4） 慣性濾波，此乃模擬PC濾波器的數字實(shí)現，適用于波罷頻繁的有效信號。

6、其他抗干擾技術(shù)　

（1）穩壓技術(shù)
目前智能傳感器及儀器儀表開(kāi)發(fā)中常用的穩壓電源有兩種：一種是由集成穩壓芯片提供的串聯(lián)調整電源，另一種是DC-DC穩壓電源，這對防止電網(wǎng)電壓波動(dòng)干擾儀器正常工作十分有效。
（2）抑制共模干擾技術(shù) 　
采用差分放大器，提高差分放大器的輸入阻抗或降低信號源內阻可大大降低共模干擾的影響。
（3）軟件補償技術(shù)
外界因素如溫濕度變化等也會(huì )引起某些參數的變化，造成偏差。我們可以利用軟件根據外界因素的變化和誤差曲線(xiàn)進(jìn)行修正，去掉干擾。
 
四、小結

抗干擾是一個(gè)非常復雜、實(shí)踐性很強的問(wèn)題，一種干擾現象可能是由若干因素引起的。因此，在智能傳感器、儀器以及測控系統的設計中，我們不僅應預先采取抗干擾的措施，在調試過(guò)程中還應及時(shí)分析出遇到的現象，對傳感器、儀器儀表的電路原理、具體布線(xiàn)、屏蔽、電源的抗擾動(dòng)能力、數字地或模擬地的處理以及防護形式不斷改進(jìn)，提高傳感器的可靠性和穩定性。
 文章來(lái)源：冷熱沖擊試驗機