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(jì)和使用中，都有一個如何使其測量精度達(dá)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(fù)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(dá)到額定電壓的35％左右，這種惡劣的供電有時長達(dá)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(dá)到所需要的技術(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(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達(dá)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(jìn)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(yán)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(jī)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(qiáng)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(diǎn)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(jī)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(shí)際參數(shù)所對應(yīng)的信號值不吻合，且誤差值是隨機(jī)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(jìn)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(jìn)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?yàn)槊}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(qiáng)的干擾源，它可以通過電源對其它設(shè)備進(jìn)行干擾。

抗干擾的措施

供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

對傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)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(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、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(jì)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(jìn)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(jì)時，正常程序運(yùn)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(shí)行電源分組供電。例如：將執(zhí)行電機(jī)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(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)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(jì)

(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(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)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(diǎn)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(qiáng)，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(yán)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(shí)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(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(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(diǎn)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?yàn)樵诤稿a的焊點(diǎn)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(xì)地切斷一處，再用焊錫接起來用于補(bǔ)償另一條線路中搭接處或焊錫點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)，然后和系統(tǒng)的公共端接在一起，所有電源1的負(fù)載都回到電源1公共端，所有的電源2負(fù)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(jìn)行判斷性試驗(yàn)，確定地線接法，以達(dá)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(yuǎn)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(diǎn)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(fù)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(jìn)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(dú)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(rèn)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(shí)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(bǔ)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(jìn)行修正，去掉干擾。

小結(jié)

抗干擾是一個非常復(fù)雜、實(shí)踐性很強(qiáng)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(jì)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(hù)形式不斷改進(jìn)，提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。