淺析模擬傳感器如何抗干擾

1、淺析模擬傳感器如何抗干擾本文轉(zhuǎn)載于：工控商務(wù)網(wǎng)、前言模擬傳感器的應(yīng)用非常廣泛，不論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防建設(shè)，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(shè)計(jì)和使用中,都有一個(gè)如何使其測(cè)量精度達(dá)到最高的問(wèn)題。而眾多的干擾一直影響著傳感器的測(cè)量精度，女口：現(xiàn)場(chǎng)大耗能設(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;工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過(guò)壓 （涉縣鋼鐵廠供電電壓在160V310V波動(dòng)），常常達(dá)到額定電壓的35 %左右，這種惡劣的供電有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘、 幾小時(shí)，甚至幾天；各種信號(hào)線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號(hào)會(huì)受到干擾，特別是信號(hào)線

2、與交流動(dòng)力線同走一個(gè)長(zhǎng)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(hào)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(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)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(hào)，都存在小信號(hào)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(hào)精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) （如1VDC5VDC或4 mADC20mADC），并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計(jì)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

3、感器的干擾源以及干擾作用方式,設(shè)計(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達(dá)到應(yīng)用模擬傳感器的最佳狀態(tài)。二、干擾源、干擾種類(lèi)及干擾現(xiàn)象傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析， 對(duì)不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則。 這種靈活機(jī)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(gòu)件外， 針對(duì)不同的運(yùn)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(tǒng)應(yīng)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(yīng)靜電感應(yīng)是由于兩條支電路或元件之間存在著寄生電容，使一條支路上的電荷通過(guò)

4、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(yīng)當(dāng)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(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導(dǎo)線等。3）漏電流感應(yīng)由于電子線路內(nèi)部的元件支架、 接線柱、印刷電路板、 電容內(nèi)部介質(zhì)或外殼等絕緣不良，特別是傳感器的應(yīng)用環(huán)境濕度較大， 絕緣體的絕緣電阻下降， 導(dǎo)致漏電電流增加就會(huì)引起干擾。尤其當(dāng)漏電流流入測(cè)量電路的輸入級(jí)時(shí)，其影響就特別嚴(yán)重。4）射頻干擾主要是大型動(dòng)力設(shè)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(tǒng)的干 擾等。5）其他干擾現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)除了易受以上干擾外，由于系統(tǒng)

5、工作環(huán)境較差， 還容易受到機(jī)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(hào)的侵入在往返 2 條線上是一致的。常模干擾來(lái)源一般是周?chē)^強(qiáng)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(shì)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(hào)在 2 條線上各流過(guò)一部分，以地為公共回路，而信號(hào)電流只在往返 2 個(gè)線路中流過(guò)。共模干擾的來(lái)源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差、線路本身具有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾，就較難除掉了。3）長(zhǎng)時(shí)干擾長(zhǎng)時(shí)干擾是指長(zhǎng)期存在的干擾， 此類(lèi)干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長(zhǎng)期存在且變化不大，用檢測(cè)儀表很容易測(cè)出，如電

6、源線或鄰近動(dòng)力線的電磁干擾都是連續(xù)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(shè)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)線電設(shè)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(tǒng)內(nèi)部的耦合 （即地線的路徑問(wèn)題 ）；（C）外部產(chǎn)生（Bp電源頻率的干擾）。3、干擾現(xiàn)象在應(yīng)用中，常會(huì)遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：1）發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無(wú)規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng)；2）信號(hào)等于零時(shí)，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；且誤差值是隨機(jī)的、3）傳感器工作時(shí)， 其輸出值與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值不吻合，無(wú)規(guī)律的；4）當(dāng)被測(cè)參數(shù)穩(wěn)定的情況下，傳感器輸出的數(shù)值與被測(cè)參

7、數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈周期性變化的值；5）與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備（如顯示器等 ）工作不正常。干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類(lèi)： 信號(hào)傳輸通道干擾， 干擾通過(guò)與系統(tǒng)相聯(lián)的信號(hào)輸入通道、輸出通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾。信號(hào)傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)器接收反饋信號(hào)和發(fā)出控制信號(hào)的途徑，因?yàn)槊}沖波在傳輸線上會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、 畸變、 衰減與通道干擾， 所以在傳輸過(guò)程中， 長(zhǎng)線的干擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒(méi)有內(nèi)阻，無(wú)論何種噪聲都會(huì)被電源短路吸收， 線路中也不會(huì)建立起任何干擾電壓; 此外， 交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器本身也是較強(qiáng)的干擾源，

8、它可以通過(guò)電源對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾。三、抗干擾的措施1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)對(duì)傳感器、 儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)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(jié)合的辦法來(lái)抑制。1）用硬件線路抑制尖峰干擾的影響常用辦法主要有三種：在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)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；在儀器交流電源輸入端加超級(jí)隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖;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

9、，從而削弱干擾的影響。2）利用軟件方法抑制尖峰干擾對(duì)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(dǎo)通瞬間不采 樣，從而有效地消除干擾。3）采用硬、軟件結(jié)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 訪問(wèn)一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，正常程 序運(yùn)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(xiàn)了 “飛 程序”，則 CPU 就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問(wèn)定時(shí)器， 因而定時(shí)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)， 從而引起系統(tǒng)復(fù) 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(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分

10、開(kāi)，以防止設(shè)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(qū)動(dòng)器對(duì)其它設(shè)備的干擾。該措施對(duì)以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。6）采用隔離變壓器以提高抵考慮到高頻噪聲通過(guò)變壓器主要不是靠初、 次級(jí)線圈的互感耦合， 而是靠初、 次級(jí)寄生 電容耦合的，因此隔離變壓器的初、 次級(jí)之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容， 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(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效， 它能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉(zhuǎn)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(hào)傳輸通道的抗干擾設(shè)

11、計(jì)1）光電耦合隔離措施在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中， 采用光電耦合器， 可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、 輸出通道以及伺 服驅(qū)動(dòng)器的輸入、 輸出通道切斷電路之間的聯(lián)系。 如果在電路中不采用光電隔離， 外部的尖使信號(hào)傳輸過(guò)程的信噪峰干擾信號(hào)會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)裝置，產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)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，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，般導(dǎo)通電流為10mA15mA ,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）雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸信號(hào)在傳輸過(guò)程

12、中會(huì)受到電場(chǎng)、 磁場(chǎng)和地阻抗等干擾因素的影響，采用接地屏蔽線可以減小電場(chǎng)的干擾。 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(qiáng)，能使各個(gè)小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。 另外， 在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，一般采用差分信號(hào)傳輸，可提高抗干擾性能。 采用雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現(xiàn)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(cè)量中，對(duì)于在信號(hào)路徑中所用的（或構(gòu)成的 ）材料必須給予嚴(yán)格的注意，在簡(jiǎn)單的電路中遇到的焊錫、 導(dǎo)線以及接線柱等都可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢(shì)。由于它們經(jīng)常是成對(duì)出現(xiàn)，因此盡量使這些成對(duì)的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效

13、的措施，為此一般用熱屏蔽、散熱器沿等溫線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最小兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線（如鎳鉻一康銅線 ）的接點(diǎn)可能產(chǎn)生0.2mV /C的溫漂,這相當(dāng)于高精度低漂移的運(yùn)放管（0P 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(shì)或兩者兼而有之， 其代價(jià)是增加低電平分辨力的不穩(wěn)定性， 也就是說(shuō)它比直接連接系統(tǒng)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。

14、在微伏信號(hào)放大電路中， 焊錫也可能成為低電平的故障， 因?yàn)樵诤稿a的焊點(diǎn)上也產(chǎn)生熱電勢(shì)。因而，在微伏電平的輸入電路中應(yīng)采用特殊的低溫焊錫，比如kesterl544 型焊錫，甚至還有這樣的例子： 必須在一條線路中仔細(xì)地切斷一處， 再用焊錫接起來(lái)用于補(bǔ)償另一條線路中搭接處或焊錫點(diǎn)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。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(dāng)使用單電源供給多只傳感器、儀器儀表時(shí)， 應(yīng)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最小，則電源高” 端導(dǎo)線也可按相似的方法接線。包括有多個(gè)電源和多個(gè)傳感器、 儀器儀表的系統(tǒng)則需要考慮得更多一些

15、， 通常不管電源是誰(shuí)供給， 將地線匯集到公共點(diǎn)，然后和系統(tǒng)的公共端接在一起，所有電源1 的負(fù)載都回到電源 1 公共端，所有的電源 2 負(fù)載都回到電源 2 的公共端，最后用一條粗導(dǎo)線將公共端連在一起。在多電源 系統(tǒng)中，可能需要進(jìn)行判斷性試驗(yàn)，確定地線接法，以達(dá)到最佳的解決方案。為了便于信號(hào)的傳輸和變換， DINIEC381 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了允許的電流和電壓值。常用的電壓信號(hào)是0V10V，電流信號(hào)是 0mA20mA 或4mA20mA。這些信號(hào)常用于遠(yuǎn)距離傳輸。電壓信號(hào)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(hào)在傳輸過(guò)程中干擾對(duì)它的影響較小， 因此應(yīng)盡量采用電流信號(hào)。 測(cè)量回路中如果有接地，

16、在兩個(gè)接地點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)電位差。 這個(gè)電位差對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響， 應(yīng)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(cè)量誤差。有源數(shù)字元件在開(kāi)、關(guān)時(shí)會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)快速的電流變化， 這個(gè)電流在導(dǎo)線電感上不僅會(huì)引起正的電壓降， 而且還會(huì)引起負(fù)的電壓降。 這種電壓的改變被當(dāng)作干擾在主線路上傳輸。 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(dǎo)線并傳播。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、儀器儀表所獨(dú)有的，可對(duì)包括頻率很低（如0.01Hz ）的干擾信號(hào)在內(nèi)的各種

17、干擾信號(hào)進(jìn)行濾波， 而且一個(gè)數(shù)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(jù)需要增加新鮮采樣的值的比重，形成加權(quán)平均值濾波；2）中值濾波，即把 M 次連續(xù)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(duì)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(jù)采樣周期和真實(shí)信號(hào)的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最大可能差值，將本次采樣和上次采樣的差值小于等于的信號(hào)認(rèn)為是有效信號(hào)，大于的信號(hào)作為噪聲處理。4）慣性濾波，此乃模擬 PC 濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，適用于波罷頻繁的有效信號(hào)。6、其他抗干擾技術(shù)1）穩(wěn)壓技術(shù)一種是由集成穩(wěn)壓芯片提供目前智能傳感器及儀器儀表開(kāi)發(fā)中常用的穩(wěn)壓電源有兩種： 的串聯(lián)調(diào)整電源， 另一種是 DC-DC 穩(wěn)壓電源， 這對(duì)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