1、第四章 抗干擾技術(shù),4.1 電磁干擾耦合,4.3 檢測系統(tǒng)的屏蔽技術(shù),4.4 檢測信號的濾波方法,4.5 檢測系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù),4.2 檢測系統(tǒng)的接地技術(shù),4.1 電磁干擾耦合,什么是電磁干擾？,電磁干擾是指由于電磁環(huán)境引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾的頻譜很寬，可以覆蓋0-40 GHz頻率范圍，電磁污染已和水源、大氣受到的污染一樣，正引起世界范圍的關(guān)注。 從測量的角度，干擾和信號是相對的。,電磁干擾的危害,造成測量儀器性能下降 導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備和控制裝置誤動作 導(dǎo)致元器件燒毀或擊穿 電爆裝置、易燃材料等觸發(fā)或點燃,能量型干擾 信號型干擾,電磁干擾,強(qiáng)電磁干擾下的微弱信號檢測 高電壓下

2、測量設(shè)備的安全（運行電壓高、故障沖擊電流大） 信號傳輸距離長 靈敏度與抗干擾能力之間的矛盾,在線檢測系統(tǒng)中抗干擾的重要性,電磁干擾的基本要素,干擾源,耦合途徑,測量系統(tǒng),1、電磁干擾源,電磁環(huán)境是各種電磁干擾源的總和。,1、電磁干擾源,1）主要瞬態(tài)干擾源 （1）開關(guān)動作 當(dāng)開關(guān)動作時回路電流迅速變化，di/dt非常大，在帶有電感線圈的開關(guān)設(shè)備中會產(chǎn)生幅值很高的電壓脈沖。如電焊機(jī)、電動機(jī)啟動過程和高壓開關(guān)動作等。頻率范圍0.15-150MHz，通常由電源線傳播。,（2）整流裝置 與開關(guān)過程類似，整流過程將產(chǎn)生瞬態(tài)短路電流，干擾頻率范圍較寬。 （3）點火裝置 機(jī)動車輛火花點火裝置放電電流峰值約20

3、0A，放電時間常在s內(nèi)，峰值電壓高達(dá)10kV，所產(chǎn)生干擾前沿極陡，在10-100MHz范圍內(nèi)是最強(qiáng)的瞬態(tài)干擾源之一。,（4）高壓輸電線：主要為電暈放電。 （5）照明裝置 熒光燈或弧光燈是基于放電原理發(fā)光的，工作時陽極和陰極之間會產(chǎn)生高頻振蕩，頻率一般在幾千赫茲左右。,2、電磁干擾的耦合路徑,干擾源與測量設(shè)備間的耦合途徑,傳導(dǎo)耦合,輻射耦合,1）傳導(dǎo)耦合,傳導(dǎo)耦合是導(dǎo)體之間及元件之間的主要干擾耦合方式，分為共阻抗耦合、電感應(yīng)耦合和磁感應(yīng)耦合。傳導(dǎo)耦合可以通過電源線、信號線、接地導(dǎo)體進(jìn)行耦合。,（1）電阻傳導(dǎo)耦合（共阻抗耦合） 通常干擾都是通過公共回路或公共阻抗，引入到測量回路中，當(dāng)兩個以上不同電

4、路的電流流過公共阻抗時，就出現(xiàn)共阻抗干擾耦合。,可見，測量回路中干擾電壓是干擾源電壓、公共阻抗和干擾耦合電阻的函數(shù)。,所有獨立電路的地通過串聯(lián)連接，這對噪聲來說是一種最不希望的共地系統(tǒng)。任一個電路電流的變化都會對其他電路產(chǎn)生影響。,（2）電容性傳導(dǎo)耦合（電感應(yīng)耦合）,干擾源與測量電路間通過分布電容產(chǎn)生的干擾耦合方式。,干擾源電壓U1，在導(dǎo)線2測量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un,（3）電感性傳導(dǎo)耦合（磁感應(yīng)耦合）,干擾源與測量回路通過互感產(chǎn)生干擾耦合。,干擾源電壓U1在測量回路中產(chǎn)生噪聲電壓Un,可采用電路上物理隔離的方法，減小穿過測量回路的磁通密度； 可將導(dǎo)線緊貼地平面或采用雙絞線，盡可能減小測量回

5、路的等效面積； 調(diào)整干擾源與測量回路的相對位置。,降低感性耦合干擾的方法,2）輻射耦合,由于現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的廣泛使用，以空間電磁輻射形式出現(xiàn)的干擾源越來越普遍。,對于輻射耦合，分為近場輻射和遠(yuǎn)場輻射。為對實際情況有效簡化，單極天線又稱為高電壓、小電流高阻抗源。,3、電磁干擾的抑制方法,電磁干擾主要抑制方式,屏蔽 抑制輻射干擾,濾波 抑制傳導(dǎo)干擾,最基本、最有效，也是最廉價,保護(hù) 抑制能量型干擾,接地,4.2 檢測系統(tǒng)的接地技術(shù),接地,保護(hù)地 信號地,為雷電、靜電等能量提供安全釋放的通道。,為模擬或數(shù)字信號提供穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點。,地球相當(dāng)于一個巨大的電容器，通常意義上可以認(rèn)為大地是穩(wěn)定的電位基

6、準(zhǔn)點。 問題是對如飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星等飛行體，是無法真正與大地相聯(lián)接的。,理想地對于流過的電流沒有電阻，其結(jié)果是不管流過的電流有多大，在地線不同點之間沒有電壓降。 在設(shè)計地線時，必須了解地電流的實際流動路徑。,信號地,為電路提供參考等電位點 為電流流回電源提供一條低阻抗路徑,常規(guī)接地系統(tǒng),懸浮接地,單點接地,多點接地,混合接地,1、懸浮接地,懸浮地是指設(shè)備或單元地線在電氣上與參考地相絕緣的情況。 比較常見的懸浮接地是為了防止機(jī)箱上的干擾電流直接耦合到信號電路，將信號地與機(jī)箱有意地絕緣。,設(shè)備懸浮地,懸浮接地易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電，在雷電或操作過電壓下，在機(jī)箱和單元電路間產(chǎn)生飛弧，所以該接地

7、方式不宜在電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用。,單元懸浮地,2、單點接地,又稱一點接地，要求電路每個獨立單元只接地一次，并接在同一參考點上。,串聯(lián)一點接地,并聯(lián)一點接地,在信號頻率小于1MHz以下時，單點接地是最理想的。但當(dāng)頻率升高時，由于接地阻抗較大，電路中會產(chǎn)生較大的共模電壓。,由于串聯(lián)一點接地會在地回路中，出現(xiàn)共阻抗的情況。所以并聯(lián)一點接地最常用和有效，這種接地方式，由于只有一個參考點，沒有地回路存在，可以避免地線上各單元間的電流不會相互干擾。,3、多點接地,多點接地是指設(shè)備中的內(nèi)部電路都以機(jī)殼為參考點，又由一個安全地將所有參考點連接在一起。 多點接地方式適用于高頻（10 MHz）和數(shù)字電路，只

8、要接地引線長度小于干擾波長1/10，多點接地效果都很理想，此時機(jī)殼應(yīng)鍍銀。,設(shè)備多點接地,單元電路多點接地,4、混合接地,測量系統(tǒng)內(nèi)電源以及低頻部分需要一點接地，而數(shù)字和高頻部分則需要多點接地。,混合接地使用電抗性器件（主要是電容）使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同特性。這種接地方法在低頻時相當(dāng)于一點接地，在高頻時相當(dāng)于多點接地。,絕大部分測量設(shè)備都采用混合接地方式：,各單元電源地都接到電源總地線上； 各單元信號地都接到信號總地線上； 兩根總地線最后匯總到公共的參考地。,5、多極電路的接地,對于單元電路，為使電路工作穩(wěn)定，最好采用單點接地。,多極電路接地點選擇十分重要。如果接地點設(shè)在輸出處高電平

9、單元，則輸入級的地對參考地的電位受干擾影響最大，是不合理的。接地點應(yīng)選在低電平電路單元的輸入端，最接近參考地。,6、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟,分析監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各單元的干擾特性和敏感特性。 查清監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各電路的工作電平、信號種類和電源電壓。,6、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟,將地線分類，并進(jìn)行分組。 給出總體地線布局圖。 排出地線網(wǎng)。,6、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟,應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，測量系統(tǒng)除安全地外，至少應(yīng)有兩個分開的地：一個電路地和一個機(jī)殼地。這些地應(yīng)僅在電源處相連。 機(jī)箱地為高頻提供很好的回路，而電氣地應(yīng)通過一個10-100 nF的電容器與機(jī)殼相連。,6、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟,各單元的安全地可以連到金屬機(jī)架上，但必須保證

10、個金屬件間可靠搭接。對于永久性的搭接，最理想的方式就是焊接。,總結(jié),對于低于1MHz的場合，盡量使用單點接地。 對于高于10MHz的場合，可采用多點接地。,總結(jié),當(dāng)在高頻場合存在敏感電路單元時，應(yīng)避免多點接地，采用混合接地。 為避免地環(huán)路引起的干擾，應(yīng)將信號地與機(jī)殼絕緣。 將不同用途的接地總線分開。,7、屏蔽電纜的接地,研究儀器之間電纜的相互連接，以及如何恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些電纜，以避免我們不希望的電流和輻射信號影響精密測量的準(zhǔn)確度。,4.3 檢測系統(tǒng)的屏蔽技術(shù),什么是屏蔽？,屏蔽技術(shù)用來抑制電磁干擾沿空間的傳播。 其實質(zhì)是將關(guān)鍵電路用屏蔽體包圍起來，使耦合到這個電路的電磁場通過反射和吸收被衰減。,

11、現(xiàn)場主要輻射源,無線電干擾 射頻干擾 移動通訊干擾 （900MHz1.8GHz） 雷達(dá)干擾 交流干擾,2、屏蔽的基本原則,近場電場輻射屏蔽的必要條件是采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體和接地。 近場低頻磁場屏蔽可采用高導(dǎo)磁率材料進(jìn)行屏蔽或磁旁路。增加屏蔽體厚度或采用多層屏蔽，可提高屏蔽性能。屏蔽體不需接地。,2、屏蔽的基本原則,近場高頻磁場，應(yīng)采用高導(dǎo)電率金屬，因頻率較高時，磁損將增加，高磁導(dǎo)率材料的屏蔽效果并不理想。 遠(yuǎn)場電磁屏蔽應(yīng)采用高導(dǎo)電率金屬并良好接地。,4、電纜輻射及其抑制,電纜是干擾出入屏蔽體的主要途徑。由于屏蔽機(jī)箱不允許有任何導(dǎo)線穿過，否則屏蔽效能將大幅度下降。,4.4 檢測系統(tǒng)的濾波方法,

12、濾波,當(dāng)干擾頻譜成分不同于有用信號的頻帶時，可以用濾波器將干擾加以濾除。濾波器將有用信號與干擾的頻譜隔離的越完善，它對減少有用信號中的干擾的效果就越理想。 因此恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計、選擇和正確地使用濾波器，對抑制傳導(dǎo)干擾是非常重要的。,1、濾波器的構(gòu)造,在抗干擾設(shè)計中，濾波器通常是指低通濾波器，如電源濾波器和信號線濾波器等. 濾波器的有效性取決于與濾波器連接的網(wǎng)絡(luò)阻抗。,簡單的電感濾波在低阻抗電路中，效果理想，衰減超過40dB，但在高阻抗電路中就效果很差。 單電容濾波在高阻抗電路中效果很好，但對低阻電路效果很差。 多元件構(gòu)成的濾波器，應(yīng)使電容器面對高阻抗，電感器面對低阻抗。,基本構(gòu)造原則,基本構(gòu)造原則,

13、但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是濾波器元件與其他電路元件一樣，也是非理想的。電感線圈上存在寄生電容，而電容引線上存在寄生電感。 所以使用分立元件濾波器當(dāng)頻率超過10MHz時，將開始性能下降。,濾波器在屏蔽體內(nèi)的位置也很重要，其輸入輸出線之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，最好在屏蔽體兩側(cè)，以使相互間耦合電容最小。所有連線，特別是地線，要盡量短，并按順序布置。,2、濾波器的放置,濾波器不同放置方式,3、濾波元件,在濾波器設(shè)計中，通常會使用一些專用的元件。,1）三端電容器,除了簡單的電感性濾波器之外，任何低通濾波器都要使用旁路電容。由于電容器引線電感的存在，濾波器的高頻性能將受到限制。,2）饋通電容器,要在UHF或更高頻段獲得更好濾波效

14、果，特別是為保護(hù)屏蔽體不被導(dǎo)線穿透時，必須使用饋通濾波器。 饋通電容器外表面直接用螺紋或焊接方式連接到金屬屏蔽體構(gòu)成接地，由于地電流分散在中心導(dǎo)體360范圍內(nèi)，因此實際上不存在電感，電容可以在超過1GHz頻率范圍內(nèi)保持良好特性。,3）片狀電容器,在實際工程應(yīng)用中，旁路和去耦電容是減小印制電路板和邏輯器件上產(chǎn)生瞬態(tài)干擾電流的有效方法。,由于片狀電容器的引線電感幾乎為零，所以被認(rèn)為是作為旁路和去耦電容器的理想器件。其引線電感通常只是傳統(tǒng)電容器的1/3-1/5，因此它們的自諧振頻率可以達(dá)到同樣容量的帶引線電容器的2倍。 為了避免走線引入附加電感，連接旁路和去耦電容器的引線要盡量短直。,4、電源濾波器

15、,在現(xiàn)場，電源是許多設(shè)備公用的，通常也無屏蔽措施。所以在線監(jiān)測設(shè)備的電源線是引入傳導(dǎo)干擾的主要來源。 電源濾波器實際上是一種低通濾波器，它能夠毫無衰減地將直流、50Hz、400Hz的電源功率傳送給設(shè)備，卻大大衰減進(jìn)電源傳入的干擾信號。,4、電源濾波器,電源濾波器通常包括火線對地和零線對地兩個獨立端口間的低通濾波器，用以抑制電源系統(tǒng)內(nèi)存在的共模干擾； 利用電感之差和電容構(gòu)成火線對地端口的低通濾波器，用來抑制電源上存在的差模干擾。,電源濾波器是無源網(wǎng)絡(luò)，具有互易性，既能有效抑制來自電源的干擾信號，同時也能衰減由測量設(shè)備產(chǎn)生的干擾傳向電源。,1）插入損耗,電源濾波器的性能有插入損耗IL來表示 IL=

16、20log(E1/E2) (dB),式中， E1為未接電源濾波器時接收機(jī)測得的信號源輸出電壓；E2為接入電源濾波器后接收機(jī)測得的信號源輸出電壓。,2）失配端接,在實際用中，要達(dá)到有效抑制干擾的目的，必須對濾波器兩端需連接的阻抗特性進(jìn)行很好的配合。 因為當(dāng)濾波器輸出阻抗與外部端接阻抗失配時，將在端口產(chǎn)生反射。有意造成這種失配，利用反射現(xiàn)象可以更加有效地抑制干擾信號。,3）電源濾波器的安裝,在實際用中，濾波器的安裝是應(yīng)當(dāng)非常重視的，不恰當(dāng)?shù)陌惭b，將使濾波器失去其應(yīng)有的作用。,最不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的是，在捆扎設(shè)備電纜時，把濾波器輸入端和輸出端引線捆扎在一起，這無疑將導(dǎo)致輸入端和輸出端的電磁耦合，破壞了濾波器

17、的性能。,4.5 檢測系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù),1、瞬態(tài)能量型干擾,快速瞬變脈沖群 雷擊浪涌 靜電放電,2、瞬態(tài)干擾吸收器,避雷管 壓敏電阻 TVS,1）避雷管,避雷管是一種氣體放電管。 當(dāng)兩端出現(xiàn)較高的瞬變電壓時，管內(nèi)氣體電離，使避雷管連端電壓迅速將到一個很低的水平，使大部分瞬態(tài)能量被轉(zhuǎn)移掉。,避雷管具有很強(qiáng)的浪涌電流吸收能力，同時具有很高的絕緣電阻（104M）和很小的寄生電容(小于2pF)，所以不會對測量設(shè)備的正常工作，產(chǎn)生任何有害影響。非常適用于在線監(jiān)測的傳感器輸入保護(hù)。 但避雷管對浪涌電壓的響應(yīng)水平低。所以對快脈沖的保護(hù)不理想。,避雷管對瞬態(tài)干擾的抑制作用,2）壓敏電阻,壓敏電阻主要成分為氧化鋅、鉍、鈷等金屬氧化物，是。電壓敏感型器件。兩端電壓低于額定電壓時，其電阻無窮大；而兩端電壓稍微超過額定值后，電阻值便急劇下降，響應(yīng)時間為納秒級。,壓敏電阻的電容量較大，通常為數(shù)百到數(shù)皮法，意味其不適用于較高頻率測量回路的保護(hù)，更適合于電源系統(tǒng)