稱重傳感器的干擾來(lái)源及解決方法

稱重傳感器的干擾來(lái)源及解決方法2012-4-2715:21:45

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字號(hào):[摘要]本文介紹了稱重傳感器的干擾產(chǎn)生的原因及采取的措施。不論是工業(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，都可以發(fā)現(xiàn)傳感器廣泛應(yīng)用的事例。但在傳感器的設(shè)計(jì)和使用的過(guò)程中，都有一個(gè)如何使其測(cè)量精度達(dá)到最高的問(wèn)題，然而影響傳感器測(cè)量精度的干擾眾多，錯(cuò)綜復(fù)雜，例如：現(xiàn)場(chǎng)的大型耗能設(shè)備，特別是大功率感性負(fù)載的啟動(dòng)和停止往往會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾;工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過(guò)壓常常達(dá)到額定電壓的35%左右，這種供電狀況有時(shí)幾分鐘，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)，甚至幾天;各種信號(hào)電纜捆扎在一起或走同一根電纜，信號(hào)就有可能受到干擾，特別是信號(hào)電纜與交流動(dòng)力電纜同走一個(gè)管道中時(shí)干擾就更甚;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)溫度以及濕度的變化有可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕性氣體、酸鹽的作用，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)，都存在著小信號(hào)放大、處理、整形以及抗干擾的問(wèn)題，也就是將傳感器輸出的微弱信號(hào)精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(如1VDC~5VDC或4mADC~20mADC)，并達(dá)到所需的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計(jì)制作者必須注意到模擬稱重傳感器的抗干擾問(wèn)題，只有搞清楚傳感器產(chǎn)生干擾的源頭以及干擾作用的方式，采取相應(yīng)的消除干擾或預(yù)防干擾的措施，才能使得模擬傳感器的應(yīng)用達(dá)到最佳的狀態(tài)。傳感器以及儀器儀表在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)所受到的干擾多種多樣，應(yīng)具體情況具體分析，針對(duì)不同的干擾現(xiàn)象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，解決的辦法就是采用模塊化的解決辦法，除了基本構(gòu)件外，針對(duì)不同的運(yùn)行場(chǎng)所，儀器儀表可裝配不同的構(gòu)件以有效地抑制消除干擾、提高傳感器的可靠性。一、干擾源、干擾種類及干擾現(xiàn)象1.主要干擾源：主要有靜電感應(yīng)干擾、電磁感應(yīng)干擾、漏電流感應(yīng)干擾、射頻干擾以及其他干擾。(1)靜電感應(yīng)干擾靜電感應(yīng)是由于兩條電路或元器件之間存在著寄生電容，使一條電路上的電荷通過(guò)寄生電容傳送到另一條電路上去，因此又稱為電容性耦合。(2)電磁感應(yīng)干擾當(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)電路中，這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁，通電平行導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)等。(3)漏電流感應(yīng)干擾由于電子線路內(nèi)部的元器件支架、接線柱、印刷電路板以及電容內(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，從而導(dǎo)致漏電電流增加所引起的干擾。尤其是當(dāng)漏電流流入到測(cè)量電路的輸入極時(shí)，其干擾影響就更加嚴(yán)重。(4)射頻干擾主要是大型動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)、停止操作所引起的干擾和高次諧波干擾。例如可控硅整流系統(tǒng)的干擾等。(5)其他干擾由于現(xiàn)場(chǎng)工作的環(huán)境比較差，很容易受到其它的機(jī)械設(shè)備干擾、熱干擾以及化學(xué)干擾等。2.干擾的種類：主要有常模干擾、共模干擾、長(zhǎng)時(shí)干擾以及意外瞬時(shí)干擾。(1)常模干擾常模干擾是指干擾信號(hào)的侵入在往返兩條線上是一致的，它的來(lái)源一般是由于儀器儀表周圍存在著較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，使得儀器儀表受到交變磁場(chǎng)的影響而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)從而形成干擾，這種干擾很難被消除掉。(2)共模干擾共模干擾是指干擾信號(hào)在兩條線上各流過(guò)一部分，以地為公共回路，而信號(hào)電流只在往返兩個(gè)線路中流過(guò)。共模干擾的來(lái)源一般是由于儀器設(shè)備存在對(duì)地漏電、地電位差以及線路本身有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾可能會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾，那么就較難消除掉了。(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)儀器能夠很容易地檢測(cè)出來(lái)，例如電源線或鄰近動(dòng)力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50Hz工頻干擾。(4)意外瞬時(shí)干擾意外瞬時(shí)干擾主要是在電氣設(shè)備操作時(shí)發(fā)生，如合閘或分閘等，有時(shí)也會(huì)在伴隨雷電發(fā)生或無(wú)線電設(shè)備工作的瞬間發(fā)生。3.干擾現(xiàn)象干擾現(xiàn)象主要有以下幾種：發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無(wú)規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng);信號(hào)等于零時(shí)，顯示儀表數(shù)值亂跳;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，且誤差值是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)律的;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;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：信號(hào)傳輸通道干擾，干擾通過(guò)與系統(tǒng)相連的信號(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)產(chǎn)生延時(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，這些內(nèi)阻能產(chǎn)生電源的噪聲干擾。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，它可以通過(guò)電源對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾。二、抗干擾的措施1.供電系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)電網(wǎng)的尖峰脈沖干擾對(duì)傳感器及儀器儀表的正常工作運(yùn)行具有極其嚴(yán)重的危害，產(chǎn)生尖峰脈沖干擾的用電設(shè)備主要有：電焊機(jī)、大功率電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈以及電烙鐵等。消除尖峰脈沖干擾可采用硬件和軟件相結(jié)合的方法來(lái)解決。(1)在硬件上常用的消除尖峰脈沖干擾的方法有三種：在儀器儀表的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率段上，從而削弱其對(duì)儀器儀表的破壞性;在儀器儀表的交流電源輸入端加裝超級(jí)隔離變壓器，利用鐵磁共振原理來(lái)抑制消除尖峰脈沖干擾;在儀器儀表的交流電源輸入端并聯(lián)上壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來(lái)時(shí)壓敏電阻的電阻值減小以降低儀器儀表從電源分到的電壓，從而削弱尖峰脈沖干擾的影響。(2)利用軟件方法來(lái)抑制消除尖峰脈沖干擾：對(duì)于周期性的干擾，可以采用編程來(lái)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)采用硬件和軟件相結(jié)合的看門(mén)狗(watch-dog)技術(shù)來(lái)抑制消除尖峰脈沖干擾的影響：在定時(shí)器定時(shí)到來(lái)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就不會(huì)發(fā)揮作用。一旦尖峰脈沖干擾出現(xiàn)了“飛程序”，則CPU就不會(huì)在定時(shí)到來(lái)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)自動(dòng)復(fù)位中斷，確保儀器儀表重新回到正常的程序上來(lái)。(4)實(shí)行電源分組供電，即將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分開(kāi)供電，以防止設(shè)備間的相互干擾。(5)采用噪聲濾波器將可以有效地抑制消除交流伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其他設(shè)備的干擾。此方法對(duì)以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。(6)采用隔離變壓器來(lái)消除干擾。考慮到高頻噪聲通過(guò)變壓器主要不是依靠變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈間的互感耦合，而是依靠變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈間的寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈之間均應(yīng)采用屏蔽層隔離，以減少其分布電容，從而提高儀器儀表的抗共模干擾的能力。(7)采用抗干擾性能比較高的電源，如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高性能抗干擾電源。這種高性能抗干擾電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效，這種電源能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低的電壓峰值(電壓峰值小于TTL電平)的電壓，但是干擾脈沖的能量不變，從而可以有效地提高儀器儀表及傳感器的抗干擾能力。2.信號(hào)傳輸通道的抗干擾技術(shù)信號(hào)傳輸通道的干擾可以應(yīng)用光電耦合隔離的措施來(lái)解決。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、輸出通道電路之間的聯(lián)系以及伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入通道、輸出通道電路之間的聯(lián)系切斷。如果在信號(hào)傳輸通道電路中不采用光電隔離措施，外部的尖峰脈沖干擾信號(hào)就會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置中，產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地抑制尖峰脈沖干擾以及其他各種噪聲干擾，使信號(hào)傳輸過(guò)程中的信噪比得到大大地提高。噪聲干擾雖然有較大的電壓幅度，但是能量很小，只能夠形成微弱的電流，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，其導(dǎo)通電流一般為10mA~15mA，所以即使有幅度很大的干擾，這種干擾也會(huì)因?yàn)橛捎诓荒芴峁┳銐虻碾娏鞫灰种葡?。其次，信?hào)傳輸通道的干擾可以通過(guò)采用雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸?shù)拇胧﹣?lái)解決。信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中也會(huì)受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及地阻抗等干擾因素的影響，因此，采用接地屏蔽線將可以極大地減少電場(chǎng)的干擾。雙絞屏蔽線與同軸電纜相比，雖然其頻帶較差，但是其波阻抗較高，抗共模噪聲能力很強(qiáng)，使得各個(gè)小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾能夠互相抵消。另外，在信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)倪^(guò)程中，一般均采用差分信號(hào)傳輸，這樣可以提高信號(hào)的抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸可以有效地對(duì)電磁感應(yīng)干擾、漏電流感應(yīng)干擾以及射頻干擾等干擾源進(jìn)行抑制和消除。3.局部誤差的消除技術(shù)在低電平的測(cè)量中，對(duì)于在信號(hào)傳輸路徑中所使用的(或構(gòu)成的)材料必須給予嚴(yán)格的關(guān)注，在簡(jiǎn)單的電路中遇到的焊錫、導(dǎo)線以及接線柱等都有可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢(shì)。由于它們經(jīng)常是成對(duì)地出現(xiàn)，因此盡量使這些成對(duì)的熱電勢(shì)保持在相同的溫度下是很有效的方法。兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線(如鎳鉻—康銅線)的接點(diǎn)可能產(chǎn)生0.2mV/℃的溫漂，這相當(dāng)于高精度低漂移的運(yùn)放管(OP27CP)的溫漂，也相當(dāng)于是斬波放大器(7650CPA)溫漂的兩倍。為此一般采用熱屏蔽及散熱器沿等溫線排列，或者將大功率電路與小功率電路分開(kāi)等辦法來(lái)解決，這樣做的目的是使熱梯度減小到最小。此外，采用插座開(kāi)關(guān)、接插件及繼電器等形式雖然能夠使得更換電器元件以及組件方便一些，但缺點(diǎn)是有可能產(chǎn)生接觸電阻、熱電勢(shì)或者兩者兼而有之，其造成的后果是增加了低電平分辨率的不穩(wěn)定性，也就是說(shuō)這種方法比直接連接系統(tǒng)的分辨率要差、精度要低、噪聲增加并且降低了可靠性。因此，在低電平放大電路中應(yīng)盡可能地不使用插座開(kāi)關(guān)、接插件，這是減少電路故障、提高精度的重要措施。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，在微伏信號(hào)放大電路的輸入電路中應(yīng)采用特殊的低溫焊錫，比如kesterl544型焊錫，甚至還有這樣的情況：必須在一條線路中將其一處仔細(xì)路中搭接處或焊錫點(diǎn)上所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。4.接地問(wèn)題的處理技術(shù)在低電平放大電路中合理地使用“接地”將能夠有效地抑制“地”噪聲的干擾，這是減少“地”噪聲干擾的重要措施，必須予以特別注意。當(dāng)使用單電源供給多個(gè)傳感器或儀器儀表時(shí)，應(yīng)盡量減少接地電阻引起傳入的干擾。如果供電電源的壓降必須減低到最小，則電源“高”端導(dǎo)線也可以按以上相似的方法接線。對(duì)于有多個(gè)電源以及多個(gè)傳感器或儀器儀表的系統(tǒng)那么就需要考慮得更多更全面一些，一般來(lái)說(shuō)不管電源是哪一個(gè)供給的，都要將地線匯集到同一個(gè)公共點(diǎn)上，然后再和系統(tǒng)的公共端連接在一起，使得所有的電源1上的負(fù)載都回到電源1的公共端上，所有的電源2上的負(fù)載也都回到電源2的公共端上，最后用一根粗導(dǎo)線將公共端連接在一起。在多個(gè)電源的系統(tǒng)中，可能需要進(jìn)行判斷性試驗(yàn)，以便確定地線的連接方法，進(jìn)而能夠得到抑制消除干擾最佳的解決方案。為了便于信號(hào)的傳輸和變換，在DINIEC381的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了允許的電流值與電壓值。一般常用的電壓信號(hào)的電壓值是0V～10V，電流信號(hào)的電流值是0mA～20mA或4mA～20mA，這些信號(hào)通常都用于遠(yuǎn)距離的傳輸。電壓信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中要受到很多諸如周圍環(huán)境干擾及傳輸距離等條件的制約，而電流信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中干擾對(duì)它的影響要小許多，因此在傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中我們應(yīng)盡量采用電流信號(hào)來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。在測(cè)量的回路中如果有接地點(diǎn)，則在兩個(gè)接地點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生電位差，這種電位差對(duì)測(cè)量的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因而應(yīng)當(dāng)盡量避免在測(cè)量的回路中有接地點(diǎn)。但如果必須接地時(shí)，則此時(shí)就必須將接地用回路隔離開(kāi)來(lái)，以避免造成測(cè)量誤差。有源數(shù)字元器件在開(kāi)和關(guān)時(shí)會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)快速瞬息的電流變化，這個(gè)變化的電流在導(dǎo)線電感上不僅會(huì)產(chǎn)生正的電壓降，而且還會(huì)產(chǎn)生負(fù)的電壓降。這種電壓的變化就會(huì)形成干擾在主線路上傳輸。另外，在電源中的換向操作單元(如頻率器等)同樣也會(huì)產(chǎn)生干擾，這個(gè)干擾作為窄帶頻率能量通過(guò)耦合進(jìn)入電源導(dǎo)線并傳播，因而連接在的電路必須將這些高頻的干擾電壓，通過(guò)用低通濾波器的方法來(lái)濾除掉。5.軟件濾波的抗干擾技術(shù)軟件濾波技術(shù)是智能傳感器以及智能儀器儀表所獨(dú)有的，可以對(duì)包括頻率很低的干擾信號(hào)(如0.01Hz)在內(nèi)的各種干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，并且一個(gè)數(shù)字濾波程序能夠?yàn)槎鄠€(gè)輸入通道來(lái)共同服務(wù)使用。通常使用的軟件濾波方法分別為：平均值濾波、中值濾波、限幅濾波以及慣性濾波。平均值濾波，這種方法即是把M次采樣的自述平均值作為濾波器的輸出，也可以根據(jù)需要來(lái)增加新鮮采樣值的比重，從而形成加權(quán)平均值濾波。中值濾波，這種方法即是把M次連續(xù)采樣的值進(jìn)行排序，取這些采樣值中的中位值來(lái)作為濾波器的輸出，這種方法對(duì)于緩變過(guò)程中的脈沖干擾其濾波效果比較良好。限幅濾波，這種方法是根據(jù)采樣周期和真實(shí)信號(hào)的正常變化率來(lái)確定相鄰兩次采樣的最大可能的差值△，并將本次的采樣值與上次的采樣值的差值與△值進(jìn)行比較，其差值小于等于△值的信號(hào)被確認(rèn)為是