行業(yè)知識 | 傳感器抗干擾技術(shù)強不強，這個設(shè)計尤為關(guān)鍵~

隨著電子技術(shù)和集成電路的迅速發(fā)展，機電一體化類傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，使用密度越來越高，相互干擾愈加嚴(yán)重，對傳感器類產(chǎn)品可靠性要求越來越高，抗干擾設(shè)計技術(shù)尤為關(guān)鍵。

抗干擾是一個非常復(fù)雜、實踐性很強的問題，一種干擾現(xiàn)象可能是由若干因素引起的。因此，在傳感器電路以及測控系統(tǒng)的設(shè)計中，不僅應(yīng)預(yù)先采取抗干擾措施，在調(diào)試過程中還應(yīng)及時分析出遇到的現(xiàn)象，對傳感器及其系統(tǒng)的電路原理、具體布線、屏蔽、電源的抗干擾能力、數(shù)字地或模擬地的處理以及防護形式不斷改進(jìn)，以提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。

傳感器產(chǎn)生干擾的因素和種類

傳感器的工作環(huán)境嚴(yán)重的影響著傳感器的正常運行，包括寬溫區(qū)的工作環(huán)境溫度變化、強烈的機械振動、鹽霧及電磁場的干擾等，來自于各類工作環(huán)境因素對傳感器產(chǎn)生各種干擾，有的是有規(guī)律的干擾，有的具有隨機性。其中，電磁場環(huán)境因素變化帶來的干擾，對傳感器的穩(wěn)定性和可靠性有著較大的影響。

在傳感器的各類工況中，存在大量的電磁干擾因素，各種高壓電器設(shè)備、高壓開關(guān)等都會產(chǎn)生強的磁場變化影響，使傳感器周圍磁場的發(fā)生改變，帶來的電磁干擾嚴(yán)重影響著傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。因此傳感器的抗干擾設(shè)計中電磁抗干擾設(shè)計尤為重要。

干擾的形成三要素為干擾源、傳播途徑和接受載體。電磁干擾按干擾三要素方式分以下三種:

第一種是傳導(dǎo)干擾：

是通過電源、電纜，布線系統(tǒng)、接地系統(tǒng)等引起的串?dāng)_。

第二種是輻射干擾：

在兆赫以上的高頻輻射就比較明顯，當(dāng)導(dǎo)線長度超過四分之一波長時，輻射功率則相應(yīng)增大。

第三種是感應(yīng)及耦合引起的干擾。

針對以上傳導(dǎo)、輻射和感應(yīng)及耦合等不同的干擾方式，可以采取不同的抗干擾技術(shù)，切斷或屏蔽干擾源，主要方法有以下幾種:

屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)可以有效防止電場或磁場的干擾。屏蔽又可分為靜電屏蔽、電磁屏蔽和低頻磁屏蔽等。
1、靜電屏蔽：靜電屏蔽就是用銅或鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬為材料制作成封閉的金屬容器，并與地線連接，把需要屏蔽的電路置于其中，使外部干擾電場的電力場不影響其內(nèi)部的電路，反過來，內(nèi)部電路產(chǎn)生的電力線也無法外溢影響外電路。靜電屏蔽不但能夠防止靜電干擾，也一樣能防止交變電場的干擾，所以許多儀器的外殼用導(dǎo)電材料制作并且接地。

現(xiàn)在雖然有越來越多的儀器用工程塑料（ABS）制作外殼，但當(dāng)你打開外殼時，仍然會看到在機殼的內(nèi)壁上粘貼有一層接地的金屬薄膜，它可以起到與金屬外殼一樣的靜電屏蔽作用。

2、低頻磁屏蔽：低頻磁屏蔽就是用來隔離低頻磁場和固定磁場耦合干擾的有效措施。任何通過電流的導(dǎo)線或線圈周圍都存在磁場，客觀存在磁場，它們可能對檢測儀器的信號線或者儀器造成磁場耦合干擾。

為了防止磁場耦合干擾，必須采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便讓低頻干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽層上通過，使低頻磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。例如，儀器的鐵皮外殼就起到低頻磁屏蔽的作用。若進(jìn)一步將外殼接地，以同時起靜電屏蔽的作用。

3、電磁屏蔽：電磁屏蔽也是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，將被保護的電路包圍在其中。

它屏蔽的干擾對象不是電場，而是高頻（40KHz以上）磁場。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時，就在其外表面感應(yīng)出同頻率的電渦流，從而消耗了高頻干擾的能量。其次，電渦流也將產(chǎn)生一個新的磁場，根據(jù)楞次定律，其方向恰好與干擾源的方向相反，以抵消了一部分干擾磁場的能量，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場的影響。
由于無線電廣播的本質(zhì)是電磁波，所以電磁屏蔽也能吸收掉它們的能量，這就是我們在汽車（鋼板車身，但并未接地）里收不到電臺，而必須將收音機的天線拉出車外的原因。
若將電磁屏蔽層接地，它可同時兼有靜電屏蔽作用，對電磁波的屏蔽效果就會更好。通常作為傳輸線使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜接地時就能同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。

接地技術(shù)

接地是保證人身和設(shè)備安全、抗干擾的一種方法。合理地選擇接地方式是抑制電容性耦合、電感性耦合及電阻耦合，減小或削弱干擾的重要措施。

不同的傳感器檢測條件對接地的方式也有不同的要求，必須選擇合適的接地方法，常用接地方法有一點接地和多點接地。

1、一點接地

在低頻電路中一般建議采用一點接地，在實際的工業(yè)現(xiàn)場，由于兩者相距較遠(yuǎn)，信號傳輸線也較長，所以測量的數(shù)據(jù)會發(fā)生跳動、造成誤差變大。解決此類問題必須按一點接地原則，。所謂一點接地就是指在電路中如果采用多點接地的話，由于各接地點的電位不同就可能形成電路的干擾信號，因此在電路中盡可能的做到一點接地，如果不能實現(xiàn)一點接地，則盡量將接地線加寬，以使各接地點的電位相近，以免形成信號干擾源。

2、多點接地

一般建議高頻電路采用多點接地。高頻時，即使一小段地線也將有較大的阻抗壓降，加上分布電容的作用，不可能實現(xiàn)一點接地，因此可采用平面式接地方式，即多點接地方式，利用一個良好的導(dǎo)電平面體(如采用多層線路板中的一層)接至零電位基準(zhǔn)點上，各高頻電路的地就近接至該導(dǎo)電平面體上。

由于導(dǎo)電平面體的高頻阻抗很小，基本保證了每一處電位的一致，同時加設(shè)旁路電容等減少壓降。因此，這種情況要采用多點接地方式。

隔離技術(shù)

隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道，從而達(dá)到抑制干擾的一種技術(shù)措施。通常有變壓器隔離和光電隔離兩種。

變壓器隔離主要使用在傳輸交變信號的傳輸通道中。
光電耦合器隔離廣泛應(yīng)用于數(shù)字接口電路中。目前，在自動檢測系統(tǒng)中越來越多的采用光電耦合器來提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。光電耦合器是一種電光電耦合器件，它的輸入量是電流，輸出量也是電流，但是輸入、輸出之間從電氣上看卻是絕緣的。保證了輸入回路和輸出回路的電氣隔離。
光電耦合器的主要特點是：輸入、輸出回路絕緣電阻高（大于1010Ω）、耐壓超過1KV;因為光的傳輸是單向的，所以輸出信號不會反饋和影響輸入端；輸入、輸出回路在電氣上是完全隔離的，能很好的解決不同電位、不同邏輯電路之間的隔離和傳輸矛盾。

濾波技術(shù)

濾波技術(shù)就是采用相應(yīng)形式的濾波器將各種干擾信號濾除，使信號傳輸過程中的干擾信號不進(jìn)入檢測系統(tǒng)。它是抑制干擾的最有效措施之一。濾波技術(shù)特別對抑制經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路的干擾，它是一種廣泛采用的措施。將相應(yīng)頻帶的濾波器接入信號傳輸通道中，濾除或盡可能衰減干擾信號，以達(dá)到提高信噪比，抑制干擾的目的。

各種濾波器是抑制差模干擾的有效措施之一。在自動檢測系統(tǒng)中常用的濾波器種類有以下幾種：

1、RC濾波器：當(dāng)信號源為熱電偶、應(yīng)變片等信號變化緩慢的傳感器時，利用小體積、低成本的無源RC低通濾波器將對串模干擾有較好的抑制效果。

2、交流電源濾波器：電源網(wǎng)絡(luò)吸收了各種高低頻噪聲，對此常用LC濾波器來抑制混入電源的噪聲。在電源和負(fù)載之間插入交流電源濾波器之后，可以將幾千赫茲至幾十兆赫茲范圍內(nèi)的電磁干擾衰減幾十倍以上。在干擾環(huán)境中工作的計算機、傳感器、二次儀表等電器設(shè)備的電源最好都要串聯(lián)交流電源濾波器。在選擇交流電源濾波器時主要考慮：一是濾波器的額定電流必須大于該電氣設(shè)備的工作電流;二是在可預(yù)見的頻率范圍內(nèi)，對干擾的衰減系數(shù)必須符合要求。使用時可根據(jù)需要，選擇內(nèi)部包含一級LC或兩級甚至三級LC的電源濾波器。在使用時必須良好接地。

3、直流電源濾波器：直流電源往往為幾個電路所共用，為了避免通過電源內(nèi)阻造成幾個電路之間的相互干擾，應(yīng)在每個電路的直流電源上加上RC或LC退耦濾波器。對于熱干擾、溫度干擾、光干擾等其它的干擾也可采用與之相對應(yīng)的措施，對于熱干擾可以采用熱屏蔽加以解決;對于溫度干擾可以采用溫度補償?shù)姆绞剑赃m應(yīng)工作現(xiàn)場的溫度變化。另外，設(shè)計的過程中，在選用電器元件、傳感器時必須選用性能參數(shù)穩(wěn)定、可靠性高、能適應(yīng)具體工作現(xiàn)場條件的器件，以保證系統(tǒng)組成后工作的可靠、安全。