模(mó)擬傳感器(qì)的(dí)幹擾(rǎo)及抗幹擾(rǎo)措施(shī) 

一，前言(yán)

模(mó)擬傳感器的應用(yòng)非常廣(guǎng)泛，不論(lùn)是在(zài)工業，農業，國(guó)防建設，還是在(zài)日(rì)常(cháng)生(shēng)活，教育(yù)事(shì)業(yè)以(yǐ)及(jí)科學研(yán)究等領(lǐng)域，處處可見模擬傳(chuán)感(gǎn)器(qì)的身(shēn)影。但在模(mó)擬(nǐ)傳(chuán)感(gǎn)器的設計和(hé)使用中，都有(yǒu)一(yī)個如何(hé)使其測(cè)量精度達到(dào)zui高(gāo)的問(wèn)題。而(ér)眾多的幹(gān)擾一(yī)直影響著(zhuó)傳(chuán)感(gǎn)器的(dí)測(cè)量(liáng)精度，如(rú)：現場大耗(hào)能(néng)設備多(duō)，特(tè)別(bié)是大(dà)功(gōng)率感(gǎn)性(xìng)負載(zǎi)的啟停(tíng)往往會(huì)使(shǐ)電網(wǎng)產(chǎn)生幾(jī)百伏甚至幾(jī)千伏(fú)的(dí)尖(jiān)脈衝幹(gān)擾(rǎo)；工(gōng)業電(diàn)網欠壓或過壓，常常達(dá)到(dào)額定電(diàn)壓的(dí)35％左(zuǒ)右，這(zhè)種(zhǒng)惡(è)劣(liè)的(dí)供電有時(shí)長(cháng)達(dá)幾分(fēn)鐘(zhōng)，幾小(xiǎo)時(shí)，甚至幾天；各種信號綫綁紮在一(yī)起或(huò)走同一根多芯(xīn)電(diàn)纜，信(xìn)號(hào)會(huì)受(shòu)到幹擾，特(tè)別是信(xìn)號(hào)綫與交流(liú)動力綫(xiàn)同走(zǒu)一個(gè)長的管道(dào)中幹擾尤(yóu)甚(shèn)；多路(lù)開(kāi)關或保持(chí)器(qì)不好(hǎo)，也會(huì)引起(qǐ)通道信(xìn)號(hào)的(dí)竄擾(rǎo)；空間各種電磁，氣象(xiàng)條(tiáo)件，雷電甚(shèn)至地磁場的變化(huà)也會幹擾傳感器(qì)的(dí)正(zhèng)常工(gōng)作(zuò)；此外，現(xiàn)場(cháng)溫(wēn)度，濕度(dù)的(dí)變(biàn)化(huà)可(kě)能引起電路參(cān)數(shù)發生變化(huà)，腐蝕性氣體，酸(suān)鹼鹽(yán)的(dí)作(zuò)用，野(yě)外的(dí)風沙(shā)，雨淋，甚(shèn)至(zhì)鼠(shǔ)咬蟲蛀(zhù)等都會影響(xiǎng)傳(chuán)感器(qì)的(dí)可靠性(xìng)。模擬(nǐ)傳感(gǎn)器輸出的一般(bān)都(dū)是小(xiǎo)信號(hào)，都存(cún)在小信號放大(dà)，處理(lǐ)，整形(xíng)以(yǐ)及抗幹擾問題，也就是將(jiāng)傳感器(qì)的(dí)微(wēi)弱信號地放大(dà)到所(suǒ)需要(yào)的統一(yī)標準信(xìn)號（如(rú)1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC），並達到(dào)所(suǒ)需要的(dí)技術指(zhǐ)標(biāo)。這(zhè)就(jiù)要求(qiú)設(shè)計製作者必(bì)須注意到(dào)模擬(nǐ)傳感(gǎn)器(qì)電(diàn)路(lù)圖上未(wèi)表示(shì)出(chū)來的某(mǒu)些問(wèn)題(tí)，即(jí)抗幹擾(rǎo)問(wèn)題(tí)。隻有(yǒu)搞清(qīng)楚模擬傳感器(qì)的(dí)幹擾(rǎo)源(yuán)以及幹(gān)擾作用(yòng)方(fāng)式(shì)，設計出消(xiāo)除幹擾(rǎo)的(dí)電(diàn)路或預防幹(gān)擾的措施，才(cái)能(néng)達到(dào)應用(yòng)模擬(nǐ)傳感器(qì)的(dí)*狀(zhuàng)態。

二，幹(gān)擾源，幹擾種(zhǒng)類(lèi)及(jí)幹擾(rǎo)現象(xiàng)

傳(chuán)感(gǎn)器及儀器儀(yí)表在現場(cháng)運行所受到(dào)的幹擾多(duō)種多樣，具(jù)體情(qíng)況具體(tǐ)分析，對(duì)不(bù)同(tóng)的幹擾(rǎo)采取(qǔ)不同的措施是抗(kàng)幹擾(rǎo)的原(yuán)則(zé)。這(zhè)種靈活(huó)機動的(dí)策略與普適(shì)性無疑(yí)是矛(máo)盾的，解決的辦法是采用(yòng)模塊化(huà)的方法，除了基本(běn)構件外，針對不同(tóng)的運(yùn)行(háng)場合，儀器可裝(zhuāng)配(pèi)不同(tóng)的選(xuǎn)件以有(yǒu)效(xiào)地(dì)抗幹擾(rǎo)，提(tí)高(gāo)可靠性。在進(jìn)一(yī)步(bù)討論電路(lù)元件的(dí)選擇(zé)，電路(lù)和係(xì)統應(yīng)用之(zhī)前(qián)，有必要分(fēn)析(xī)影響(xiǎng)模擬傳(chuán)感器(qì)精(jīng)度的幹擾源(yuán)及(jí)幹擾種類。

1， 主要幹(gān)擾源

（1）靜電(diàn)感應(yīng)
靜電感(gǎn)應是(shì)由於兩(liǎng)條(tiáo)支電路(lù)或元件之(zhī)間存在(zài)著(zhuó)寄(jì)生電容，使(shǐ)一(yī)條支路上(shàng)的(dí)電荷通(tōng)過(guò)寄(jì)生電容(róng)傳(chuán)送到(dào)另一條(tiáo)支路(lù)上(shàng)去，因此(cǐ)又(yòu)稱(chēng)電容(róng)性耦合。
（2）電磁感應(yīng)
當(dāng)兩(liǎng)個電路(lù)之間(jiān)有互(hù)感存(cún)在時(shí)，一個電路中(zhōng)電(diàn)流(liú)的變(biàn)化就會(huì)通過磁(cí)場耦(ǒu)合到另一個電(diàn)路，這一現象(xiàng)稱為電磁感(gǎn)應(yīng)。例(lì)如變壓(yā)器(qì)及綫(xiàn)圈(quān)的(dí)漏磁，通電(diàn)平(píng)行導綫等。
（3）漏電(diàn)流(liú)感應(yīng)
由(yóu)於(yú)電(diàn)子綫路(lù)內(nèi)部的元件支架(jià)，接(jiē)綫(xiàn)柱，印(yìn)刷(shuā)電路板，電(diàn)容內(nèi)部(bù)介質(zhì)或外(wài)殼等(děng)絕緣不良，特(tè)別是傳(chuán)感(gǎn)器的(dí)應用(yòng)環境濕度較(jiào)大(dà)，絕緣(yuán)體的(dí)絕(jué)緣(yuán)電(diàn)阻下(xià)降，導(dǎo)致漏(lòu)電電流增(zēng)加就會引(yǐn)起幹擾。尤其當漏(lòu)電流流入(rù)測量電路的輸入級時(shí)，其影(yǐng)響就(jiù)特別嚴(yán)重。
（4）射頻幹擾
主要(yào)是(shì)大(dà)型動(dòng)力設(shè)備的(dí)啟(qǐ)動，操作停止(zhǐ)的(dí)幹(gān)擾(rǎo)和(hé)高次(cì)諧波(bō)幹擾。如(rú)可(kě)控(kòng)矽(guī)整流係(xì)統(tǒng)的(dí)幹(gān)擾等(děng)。
（5）其他幹(gān)擾
現(xiàn)場生產(chǎn)監控係統(tǒng)除了(liǎo)易受以上(shàng)幹擾(rǎo)外(wài)，由於係(xì)統(tǒng)工(gōng)作(zuò)環(huán)境較(jiào)差(chà)，還容易(yì)受到機械幹擾，熱幹擾(rǎo)及(jí)化學幹擾等(děng)。

2，幹擾的種類

（1）常模幹(gān)擾
常模(mó)幹擾(rǎo)是指幹擾信號的(dí)侵(qīn)入在(zài)往返(fǎn)2條綫上(shàng)是一致的(dí)。常(cháng)模幹(gān)擾來源一般(bān)是周圍(wéi)較(jiào)強的交(jiāo)變磁(cí)場(cháng)，使儀器(qì)受周圍(wéi)交(jiāo)變(biàn)磁場影響而產(chǎn)生(shēng)交流(liú)電動(dòng)勢(shì)形成(chéng)幹擾，這種(zhǒng)幹擾較(jiào)難除掉(diào)。
（2）共模(mó)幹擾(rǎo)
共模幹(gān)擾(rǎo)是(shì)指幹擾(rǎo)信號(hào)在(zài)2條綫(xiàn)上(shàng)各流過一(yī)部分(fēn)，以地為公(gōng)共回路，而(ér)信號電流(liú)隻在(zài)往(wǎng)返2個綫路中流過(guò)。共(gòng)模幹(gān)擾的(dí)來源一般是(shì)設備(bèi)對地(dì)漏(lòu)電，地電(diàn)位(wèi)差(chà)，綫路本身具(jù)有(yǒu)對地幹(gān)擾等(děng)。由於(yú)綫路的(dí)不(bù)平衡(héng)狀態(tài)，共(gòng)模(mó)幹擾會(huì)轉(zhuǎn)換(huàn)成常(cháng)模幹擾，就較(jiào)難除掉了。
（3）長時幹擾
長(cháng)時(shí)幹擾(rǎo)是(shì)指長期(qī)存在的幹擾，此類幹(gān)擾的特點(diǎn)是幹擾(rǎo)電壓長期(qī)存在(zài)且變(biàn)化不(bù)大(dà)，用檢測儀(yí)表(biǎo)很(hěn)容(róng)易(yì)測(cè)出(chū)，如(rú)電(diàn)源(yuán)綫或(huò)鄰近(jìn)動(dòng)力(lì)綫(xiàn)的電磁幹擾都(dū)是連(lián)續的(dí)交流50 Hz工頻(pín)幹(gān)擾。
（4）意外的(dí)瞬(shùn)時幹擾
意外(wài)瞬時幹擾主要(yào)在電氣(qì)設備(bèi)操作時發生(shēng)，如(rú)合閘或分(fēn)閘(zhá)等(děng)，有時(shí)也在伴隨雷電(diàn)發生或無綫電設備工作(zuò)瞬(shùn)間產(chǎn)生(shēng)。
幹擾可(kě)粗略(lüè)地(dì)分為(wéi)3個(gè)方麵(miàn)：
（a）局部產生（即(jí)不需(xū)要的熱電偶）；
（b）子(zǐ)係統(tǒng)內(nèi)部的(dí)耦合（即地綫(xiàn)的路(lù)徑問(wèn)題(tí)）；
（c）外部產生（Bp電源頻率的幹擾(rǎo)）。

3，幹(gān)擾(rǎo)現象

在應(yīng)用中，常會遇到(dào)以下幾種主要幹(gān)擾現象：
（1）發指(zhǐ)令(líng)時，電(diàn)機無(wú)規(guī)則地轉(zhuǎn)動；
（2）信號(hào)等於零(líng)時，數(shù)字(zì)顯示(shì)表數值(zhí)亂跳(tiào)；
（3）傳(chuán)感(gǎn)器(qì)工作時，其輸(shū)出值與(yǔ)實際(jì)參數所對應的(dí)信(xìn)號值(zhí)不(bù)吻合(hé)，且誤(wù)差值是(shì)隨(suí)機(jī)的，無規律的(dí)；
（4）當(dāng)被測參數穩定(dìng)的情況下(xià)，傳感(gǎn)器輸(shū)出的數值與(yǔ)被(bèi)測參數所對應(yīng)的信(xìn)號數值(zhí)的差(chà)值(zhí)為(wéi)一穩(wěn)定(dìng)或(huò)呈周期(qī)性變化的值；
（5）與(yǔ)交流伺(sì)服(fú)係統共用同一(yī)電(diàn)源的設備(bèi)（如顯示(shì)器等）工作(zuò)不(bù)正常(cháng)。

幹(gān)擾(rǎo)進(jìn)入定(dìng)位控製係(xì)統的(dí)渠道主要有兩(liǎng)類：信號傳輸通(tōng)道幹(gān)擾(rǎo)，幹擾(rǎo)通過與(yǔ)係統相聯(lián)的(dí)信號輸(shū)入(rù)通道，輸出通(tōng)道(dào)進入(rù)；供(gōng)電係統幹(gān)擾(rǎo)。信號(hào)傳(chuán)輸通(tōng)道是(shì)控製(zhì)係統或驅(qū)動器(qì)接收反饋信(xìn)號和發出控製信(xìn)號(hào)的(dí)途徑(jìng)，因為(wéi)脈衝(chōng)波(bō)在(zài)傳輸綫上會(huì)出現延(yán)時(shí)，畸變，衰(shuāi)減與(yǔ)通道(dào)幹擾(rǎo)，所(suǒ)以(yǐ)在傳輸過(guò)程中(zhōng)，長(cháng)綫的幹擾是主要因素。任(rèn)何電源及輸電綫路(lù)都存在內阻，正(zhèng)是這些(xiē)內(nèi)阻(zǔ)才(cái)引起了電源(yuán)的噪聲(shēng)幹(gān)擾，如果(guǒ)沒(méi)有內阻，無論何種噪(zào)聲(shēng)都(dū)會被(bèi)電(diàn)源短(duǎn)路吸(xī)收(shōu)，綫(xiàn)路中也不會建(jiàn)立起任何(hé)幹擾(rǎo)電壓；此外(wài)，交流伺服(fú)係統驅動器本(běn)身也是較(jiào)強(qiáng)的幹擾源(yuán)，它可以(yǐ)通過電(diàn)源(yuán)對其它設(shè)備進(jìn)行(háng)幹擾。

三，抗(kàng)幹(gān)擾(rǎo)的(dí)措(cuò)施(shī)

1，供電係統(tǒng)的抗幹擾設(shè)計

對傳感器，儀器儀表(biǎo)正常工作(zuò)危害(hài)zui嚴重(zhòng)的是電網尖峰(fēng)脈衝幹(gān)擾(rǎo)，產生尖峰(fēng)幹(gān)擾的(dí)用(yòng)電(diàn)設(shè)備有(yǒu)：電(diàn)焊(hàn)機(jī)，大(dà)電機(jī)，可控機，繼(jì)電(diàn)接觸器，帶鎮(zhèn)流(liú)器的(dí)充氣照明(míng)燈，甚(shèn)至(zhì)電烙(lào)鐵等(děng)。尖(jiān)峰幹(gān)擾可用硬件，軟(ruǎn)件(jiàn)結合的辦法(fǎ)來(lái)抑製。

（1）用(yòng)硬件(jiàn)綫路抑製(zhì)尖峰(fēng)幹擾(rǎo)的影響(xiǎng)
常(cháng)用(yòng)辦法(fǎ)主(zhǔ)要有三(sān)種：
①在(zài)儀器交(jiāo)流(liú)電(diàn)源(yuán)輸(shū)入端(duān)串(chuàn)入(rù)按頻(pín)譜均(jūn)衡的(dí)原理(lǐ)設(shè)計(jì)的(dí)幹擾控(kòng)製器，將(jiāng)尖(jiān)峰電壓(yā)集中的能量分配(pèi)到不同(tóng)的頻段(duàn)上，從(cóng)而減(jiǎn)弱(ruò)其(qí)破(pò)壞性(xìng)；
②在(zài)儀器交流電源輸入端(duān)加超級(jí)隔離變(biàn)壓(yā)器(qì)，利用(yòng)鐵磁共(gòng)振原理抑製(zhì)尖峰脈衝；
③在儀器交流電源的輸入端並(bìng)聯壓敏電(diàn)阻(zǔ)，利(lì)用尖(jiān)峰脈(mài)衝(chōng)到來時(shí)電阻值減小以降低儀(yí)器從電源分得的電(diàn)壓(yā)，從而(ér)削(xiāo)弱(ruò)幹擾(rǎo)的(dí)影(yǐng)響(xiǎng)。
（2）利(lì)用軟(ruǎn)件方法(fǎ)抑製(zhì)尖(jiān)峰(fēng)幹擾(rǎo) 　
對於周期性(xìng)幹(gān)擾，可(kě)以采用(yòng)編程(chéng)進(jìn)行時間(jiān)濾波，也(yě)就是用程(chéng)序(xù)控製可控(kòng)矽導通瞬間不(bù)采(cǎi)樣(yàng)，從(cóng)而(ér)有效地消除幹(gān)擾。
（3）采(cǎi)用硬，軟(ruǎn)件(jiàn)結合(hé)的(dí)看門狗（watchdog）技(jì)術抑製(zhì)尖峰脈(mài)衝的影(yǐng)響(xiǎng) 　
軟件：在(zài)定時器定(dìng)時到(dào)之(zhī)前，CPU訪(fǎng)問一(yī)次定(dìng)時器，讓(ràng)定時器重新(xīn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，正常(cháng)程序運行(háng)，該(gāi)定(dìng)時器(qì)不會(huì)產生(shēng)溢出(chū)脈(mài)衝，watchdog也(yě)就不(bù)會起作(zuò)用。一旦尖峰幹(gān)擾(rǎo)出現了“飛程序”，則CPU就(jiù)不(bù)會(huì)在(zài)定(dìng)時到之前(qián)訪問(wèn)定時器，因而(ér)定(dìng)時(shí)信(xìn)號(hào)就(jiù)會(huì)出現，從而引起係統復(fù)位(wèi)中斷(duàn)，保(bǎo)證(zhèng)智(zhì)能儀器回到正(zhèng)常(cháng)程(chéng)序(xù)上(shàng)來(lái)。
（4）實行電源(yuán)分組供電(diàn)，例如(rú)：將執(zhí)行電機(jī)的(dí)驅(qū)動電源與控(kòng)製電源分開(kāi)，以(yǐ)防止(zhǐ)設(shè)備(bèi)間的幹擾。
（5）采(cǎi)用噪(zào)聲濾波器(qì)也可(kě)以有效地抑(yì)製交(jiāo)流(liú)伺服驅動器對(duì)其它設(shè)備的幹(gān)擾。該(gāi)措(cuò)施對(duì)以(yǐ)上(shàng)幾種幹(gān)擾現(xiàn)象都(dū)可以有效(xiào)地抑(yì)製。
（6）采用(yòng)隔(gé)離變壓(yā)器
考(kǎo)慮到高(gāo)頻噪聲通(tōng)過(guò)變(biàn)壓器主(zhǔ)要不(bù)是(shì)靠(kào)初，次級綫圈(quān)的互感(gǎn)耦合，而(ér)是(shì)靠(kào)初，次級寄生(shēng)電容耦(ǒu)合的，因(yīn)此隔(gé)離(lí)變(biàn)壓(yā)器(qì)的初(chū)，次級(jí)之(zhī)間(jiān)均(jūn)用(yòng)屏蔽層隔離，減(jiǎn)少其分布電(diàn)容(róng)，以提高(gāo)抵抗共模力(lì)。
（7）采用高(gāo)抗(kàng)幹(gān)擾的(dí)電源(yuán)，如(rú)利(lì)用(yòng)頻譜(pǔ)均(jūn)衡(héng)法設(shè)計的(dí)高抗幹擾(rǎo)電源(yuán)。這種電源抵抗(kàng)隨(suí)機幹(gān)擾非常(cháng)有效，它(tā)能把(bǎ)高(gāo)尖峰(fēng)的擾(rǎo)動電壓脈(mài)衝(chōng)轉換成(chéng)低(dī)電壓(yā)峰(fēng)值（電壓(yā)峰(fēng)值小(xiǎo)於TTL電平）的(dí)電(diàn)壓，但(dàn)幹(gān)擾脈衝的能量不(bù)變(biàn)，從(cóng)而可以提高(gāo)傳感器，儀器(qì)儀表的(dí)抗力(lì)。

2，信(xìn)號(hào)傳輸通道的抗(kàng)幹擾設(shè)計

（1）光電耦合(hé)隔離措(cuò)施(shī)
在(zài)長(cháng)距離傳(chuán)輸(shū)過程中，采用光電耦(ǒu)合(hé)器，可(kě)以將控製係統(tǒng)與(yǔ)輸(shū)入(rù)通(tōng)道(dào)，輸出通(tōng)道以(yǐ)及伺服(fú)驅動器的輸入(rù)，輸出通道切(qiē)斷(duàn)電路(lù)之間(jiān)的。如(rú)果在電(diàn)路(lù)中(zhōng)不(bù)采用光電(diàn)隔(gé)離，外部(bù)的尖峰(fēng)幹(gān)擾(rǎo)信號(hào)會進入(rù)係(xì)統或直接(jiē)進入伺服(fú)驅動(dòng)裝(zhuāng)置(zhì)，產生*種幹(gān)擾(rǎo)現(xiàn)象。
光電耦合的(dí)主要(yào)優點是(shì)能(néng)有效地抑製(zhì)尖(jiān)峰(fēng)脈(mài)衝(chōng)及(jí)各(gè)種噪聲幹擾，使信號傳輸(shū)過程的信(xìn)噪比大大提(tí)高。幹擾(rǎo)噪聲(shēng)雖然有較大的(dí)電(diàn)壓(yā)幅度(dù)，但(dàn)是(shì)能量(liáng)很小，隻(zhī)能形(xíng)成微弱(ruò)電流(liú)，而光(guāng)電(diàn)耦合器輸入部(bù)分(fēn)的(dí)發光二極(jí)管是在電流狀態下(xià)工作(zuò)的(dí)，一般(bān)導(dǎo)通(tōng)電流為10mA～15mA，所(suǒ)以即使有很大幅度的幹(gān)擾(rǎo)，這種(zhǒng)幹(gān)擾也會由於(yú)不能提供(gōng)足夠(gòu)的(dí)電(diàn)流而被(bèi)抑製(zhì)掉(diào)。

（2）雙絞屏蔽(bì)綫長綫傳輸(shū)
信號在傳輸過程(chéng)中(zhōng)會受到電(diàn)場，磁場和地阻抗(kàng)等(děng)幹(gān)擾(rǎo)因素(sù)的(dí)影響(xiǎng)，采用接(jiē)地屏(píng)蔽綫(xiàn)可(kě)以(yǐ)減小電(diàn)場的幹擾。雙絞綫(xiàn)與(yǔ)同軸(zhóu)電纜(lǎn)相(xiāng)比，雖然(rán)頻帶(dài)較差(chà)，但(dàn)波(bō)阻抗(kàng)高，抗共(gòng)模(mó)噪(zào)聲能力強，能(néng)使各(gè)個小(xiǎo)環節的電(diàn)磁感應幹擾(rǎo)相互抵消。另外(wài)，在長距離(lí)傳輸過程(chéng)中，一(yī)般(bān)采(cǎi)用差分信號傳(chuán)輸，可提(tí)高抗幹(gān)擾(rǎo)。采(cǎi)用雙(shuāng)絞屏蔽綫(xiàn)長綫(xiàn)傳(chuán)輸(shū)可以有效地抑製前文提到的(dí)幹(gān)擾(rǎo)現象中的（2），（3），（4）種(zhǒng)幹(gān)擾(rǎo)的產生。

3，局部(bù)產(chǎn)生誤(wù)差(chà)的消除
在低電平測量中，對於在(zài)信(xìn)號(hào)路徑中所(suǒ)用的（或構(gòu)成的(dí)）材(cái)料必須給予(yú)嚴(yán)格(gé)的(dí)注意，在簡單的電(diàn)路中遇到的焊錫(xī)，導(dǎo)綫以及接綫柱等都可能(néng)產(chǎn)生(shēng)實(shí)際(jì)的(dí)熱電(diàn)勢(shì)。由(yóu)於它們經(jīng)常是成對(duì)出現，因(yīn)此盡量(liáng)使(shǐ)這些成(chéng)對(duì)的熱(rè)電(diàn)偶保持在相(xiāng)同(tóng)的(dí)溫(wēn)度下是(shì)很(hěn)有效的(dí)措(cuò)施(shī)，為此(cǐ)一(yī)般(bān)用熱屏(píng)蔽，散(sàn)熱(rè)器(qì)沿等溫(wēn)綫排(pái)列(liè)或(huò)者將大功率。