模擬傳感器的干擾分析以及抗干擾措施詳解

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，處處可見模擬傳感器的身影。但在模擬傳感器的設(shè)計和使用中，都有一個如何使其測量精度達到最高的問題。

而眾多的干擾一直影響著傳感器的測量精度，如：現(xiàn)場大耗能設(shè)備多，特別是大功率感性負載的啟停往往會使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過壓（涉縣鋼鐵廠供電電壓在160V～310V波動），常常達到額定電壓的35％左右，這種惡劣的供電有時長達幾分鐘、幾小時，甚至幾天；各種信號線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號會受到干擾，特別是信號線與交流動力線同走一個長的管道中干擾尤甚；多路開關(guān)或保持器性能不好，也會引起通道信號的竄擾；空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會干擾傳感器的正常工作。

此外，現(xiàn)場溫度、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，甚至鼠咬蟲蛀等都會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、整形以及抗干擾問題，也就是將傳感器的微弱信號精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(如1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC)，并達到所需要的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來的某些問題，即抗干擾問題。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式，設(shè)計出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達到應(yīng)用模擬傳感器的最佳狀態(tài)。

干擾源、干擾種類及干擾現(xiàn)象

傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場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。這種靈活機動的策略與普適性無疑是矛盾的，解決的辦法是采用模塊化的方法，除了基本構(gòu)件外，針對不同的運行場合，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。

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寄生電容傳送到另一條支路上去，因此又稱電容性耦合。

(2) 電磁感應(yīng)

當(dāng)兩個電路之間有互感存在時，一個電路中電流的變化就會通過磁場耦合到另一個電路，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引起干擾。尤其當(dāng)漏電流流入測量電路的輸入級時，其影響就特別嚴重。

(4) 射頻干擾

主要是大型動力設(shè)備的啟動、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)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。

干擾的種類

(1) 常模干擾

常模干擾是指干擾信號的侵入在往返2條線上是一致的。常模干擾來源一般是周圍較強的交變磁場，使儀器受周圍交變磁場影響而產(chǎn)生交流電動勢形成干擾，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條線上各流過一部分，以地為公共回路，而信號電流只在往返2個線路中流過。共模干擾的來源一般是設(shè)備對地漏電、地電位差、線路本身具有對地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會轉(zhuǎn)換成常模干擾，就較難除掉了。

(3) 長時干擾

長時干擾是指長期存在的干擾，此類干擾的特點是干擾電壓長期存在且變化不大，用檢測儀表很容易測出，如電源線或鄰近動力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50 Hz工頻干擾。

(4) 意外的瞬時干擾

意外瞬時干擾主要在電氣設(shè)備操作時發(fā)生，如合閘或分閘等，有時也在伴隨雷電發(fā)生或無線電設(shè)備工作瞬間產(chǎn)生。

干擾可粗略地分為3個方面：

(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(即地線的路徑問題)；

(c) 外部產(chǎn)生（Bp電源頻率的干擾）。

干擾現(xiàn)象

在應(yīng)用中，常會遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：

發(fā)指令時，電機無規(guī)則地轉(zhuǎn)動；

信號等于零時，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；

傳感器工作時，其輸出值與實際參數(shù)所對應(yīng)的信號值不吻合，且誤差值是隨機的、無規(guī)律的；

當(dāng)被測參數(shù)穩(wěn)定的情況下，傳感器輸出的數(shù)值與被測參數(shù)所對應(yīng)的信號數(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。

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

信號傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動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上會出現(xiàn)延時、畸變、衰減與通道干擾，所以在傳輸過程中，長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，如果沒有內(nèi)阻，無論何種噪聲都會被電源短路吸收，線路中也不會建立起任何干擾電壓；此外，交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動器本身也是較強的干擾源，它可以通過電源對其它設(shè)備進行干擾。

抗干擾的措施

供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

對傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊機、大電機、可控機、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：

① 在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)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，利用尖峰脈沖到來時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，可以采用編程進行時間濾波，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)合的看門狗（watchdog）技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響

軟件：在定時器定時到之前，CPU訪問一次定時器，讓定時器重新開始計時，正常程序運行，該定時器不會產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”，則CPU就不會在定時到之前訪問定時器，因而定時信號就會出現(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。

(4) 實行電源分組供電。例如：將執(zhí)行電機的驅(qū)動電源與控制電源分開，以防止設(shè)備間的干擾。

(5) 采用噪聲濾波器?？梢杂行У匾种平涣魉欧?qū)動器對其它設(shè)備的干擾。該措施對以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。

(6) 采用隔離變壓器

考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，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(shè)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。

信號傳輸通道的抗干擾設(shè)計

(1) 光電耦合隔離措施

在長距離傳輸過程中，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，外部的尖峰干擾信號會進入系統(tǒng)或直接進入伺服驅(qū)動裝置，產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。

光電耦合的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，使信號傳輸過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(dǎo)通電流為10mA～15mA，所以即使有很大幅度的干擾，這種干擾也會由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。

(2) 雙絞屏蔽線長線傳輸

信號在傳輸過程中會受到電場、磁場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，能使各個小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。另外，在長距離傳輸過程中，一般采用差分信號傳輸，可提高抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線長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。

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(gòu)成的)材料必須給予嚴格的注意，在簡單的電路中遇到的焊錫、導(dǎo)線以及接線柱等都可能產(chǎn)生實際的熱電勢。

由于它們經(jīng)常是成對出現(xiàn)，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、散熱器沿等溫線排列或者將大功率電路和小功率電路分開等辦法，其目的是使熱梯度減到最小兩個不同廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線(如鎳鉻一康銅線)的接點可能產(chǎn)生0.2mV／℃的溫漂，這相當(dāng)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，但缺點是可能產(chǎn)生接觸電阻、熱電勢或兩者兼而有之，其代價是增加低電平分辨力的不穩(wěn)定性，也就是說它比直接連接系統(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，因為在焊錫的焊點上也產(chǎn)生熱電勢。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地切斷一處，再用焊錫接起來用于補償另一條線路中搭接處或焊錫點所產(chǎn)生的熱電勢。

接地問題處理辦法

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，應(yīng)該盡量減少接地電阻引進的干擾。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。包括有多個電源和多個傳感器、儀器儀表的系統(tǒng)則需要考慮得更多一些，通常不管電源是誰供給，將地線匯集到公共點，然后和系統(tǒng)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，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，可能需要進行判斷性試驗，確定地線接法，以達到最佳的解決方案。

為了便于信號的傳輸和變換，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程中干擾對它的影響較小，因此應(yīng)盡量采用電流信號。測量回路中如果有接地，在兩個接地點之間會出現(xiàn)電位差。這個電位差對測量結(jié)果會產(chǎn)生很大的影響，應(yīng)盡量避免其接地。

但如果必須接地，這時就必須將接地回路隔離開，以避免造成測量誤差。有源數(shù)字元件在開、關(guān)時會在電源線上產(chǎn)生一個快速的電流變化，這個電流在導(dǎo)線電感上不僅會引起正的電壓降，而且還會引起負的電壓降。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）同樣會產(chǎn)生干擾，這個干擾作為窄帶頻率能量耦合進入導(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低通濾波器濾去。

軟件濾波

軟件濾波是智能傳感器、儀器儀表所獨有的，可對包括頻率很低（如0.01Hz）的干擾信號在內(nèi)的各種干擾信號進行濾波，而且一個數(shù)字濾波程序能為多個輸入通道共用。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)采樣值進行排序，取其中位值作為濾波器的輸出，這種方法對緩變過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)采樣周期和真實信號的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最大可能差值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(shù)字實現(xiàn)，適用于波罷頻繁的有效信號。

其他抗干擾技術(shù)

(1) 穩(wěn)壓技術(shù)

目前智能傳感器及儀器儀表開發(fā)中常用的穩(wěn)壓電源有兩種：一種是由集成穩(wěn)壓芯片提供的串聯(lián)調(diào)整電源，另一種是DC-DC穩(wěn)壓電源，這對防止電網(wǎng)電壓波動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(nèi)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引起某些參數(shù)的變化，造成偏差。我們可以利用軟件根據(jù)外界因素的變化和誤差曲線進行修正，去掉干擾。

小結(jié)

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，在智能傳感器、儀器以及測控系統(tǒng)的設(shè)計中，我們不僅應(yīng)預(yù)先采取抗干擾的措施，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、儀器儀表的電路原理、具體布線、屏蔽、電源的抗擾動能力、數(shù)字地或模擬地的處理以及防護形式不斷改進，提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。