傳感器應用中的抗干擾技術

[摘要]隨著自動化水平的提高，傳感器的應用越來越多，但在應用中的各種干擾問題是應用中的一個難題，它會影響整個系統的控制精度和準確性。因此在自動化檢測系統中應用各種抗干擾措施以提高系統的穩定性和準確性就必不可少。干擾的類型不同，干擾的途徑不同，抗干擾的措施也會不同。

[關鍵詞]傳感器 應用中 抗干擾措施

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110027-02

隨著現代科學技術的發展，自動化水平的不斷提高，在工業、農業生產、交通運輸、航天、航空等各領域大量使用了各種類型的傳感器和自動檢測技術來監控生產過程、控制生產過程中的各個環節，從而使系統的生產過程具有較高的自動化水平，系統的控制精度、準確度得到很大的提高。傳感器是自動檢測系統中的“感覺器官”，它的反應靈敏度、測量誤差，線性度、遲滯等性能指標會影響整個系統的性能，有時對整個檢測系統、自動化生產線等設備的性能有決定性的影響。除了傳感器本身的性能指標外，生產現場中存在的各種干擾問題也會使自動檢測系統發生一些故障、誤動作、甚至造成計算機的“死機”和系統的嚴重故障。這些干擾如有些生產現場大能耗設備多，特別是大功率感性負載的啟、停往往會使電網產生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾，供電電壓的波動，各種信號線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號線間的干擾，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，生產現場溫度、濕度的變化可能引起電路參數發生變化等等，以上各種情況都可能引起自動檢測系統、傳感器的工作異常，為了保證自動檢測系統的正常工作，必須采用相應的措施，將各種干擾消除或抑制干擾，使系統正常工作。

要消除干擾，首先要分清干擾源是什么，干擾的途徑是什么，干擾信號是怎樣進入系統的等問題，只有這樣，才能針對不同問題，采用不同的措施。

一、干擾的種類

（一）電和磁的干擾

電和磁可以通過電路和磁路對系統產生干擾作用，電場和磁場的變化在系統的有關電路或導線中感應出干擾電壓，從而影響系統的正常工作。

（二）機械干擾

機械振動和沖擊，使系統中的儀表或某些裝置的電氣元件發生振動、變化等，從而影響系統的正常工作。

（三）熱干擾

設備和元器件在工作時產生的熱量所引起的溫度波動以及環境溫度的變化引起儀表和測量裝置中電路的元器件參數發生變化，從而影響系統的正常工作。

（四）光干擾

測量儀表或傳感器所使用的半導體元件在光作用下會改變其導電性能，從而影響系統的正常工作。

（五）溫度干擾

溫度增加會引起絕緣電阻下降，漏電流增加，從而影響系統的正常工作。

（六）射頻干擾

電磁波、射線會使氣體、電離，使金屬逸出電子，從而影響系統的正常工作。

（七）化學干擾等

二、干擾信號進入系統的途徑

（一）通過電路進入系統

1．通過電源回路進入系統；

2．通過電路中的共阻抗進入系統；

3．通過電路中的共漏電阻進入系統。

（二）通過場進入系統

1．通過電場耦合進入系統；

2．通過磁場耦合進入系統。

三、消除干擾的措施

可以從以下三個方面采取措施：

1．消除或抑制干擾源；

2．破壞干擾途徑；

3．削弱接收回路對干擾的敏感性。

主要措施有以下幾種：

（一）屏蔽技術

包括靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽、熱屏蔽等。

1．靜電屏蔽：靜電屏蔽就是用銅或鋁等導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部的電路，反過來，內部電路產生的電力線也無法外逸去影響外電路。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電材料制作并且接地。現在雖然有越來越多的儀器用工程塑料（ABS）制作外殼，但當你打開外殼時，仍然會看到在機殼的內壁上粘貼有一層接地的金屬薄膜，它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。干擾源產生的高頻磁場遇到導電良好的電磁屏蔽層時，就在其外表面感應出同頻率的電渦流，從而消耗了高頻干擾的能量。其次，電渦流也將產生一個新的磁場，根據楞次定律，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更好。通常作為傳輸線使用的銅質網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。

（二）接地技術

接地包括安全接地、信號接地、信號源接地、負載接地等。

接地是保證人身和設備安全、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。

檢測系統通常由傳感器（一次儀表）與二次儀表構成，在實際的工業現場，由于兩者相距較遠，信號傳輸線也較長，所以測量的數據會發生跳動、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。

（三）隔離措施

隔離包括變壓器隔離、光電耦合器隔離等。

隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道，從而達到抑制干擾的一種技術措施。

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用于數字接口電路中。目前，在自動檢測系統中越來越多的采用光電耦合器來提高系統的抗共模干擾能力。

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。

（四）濾波技術

濾波技術就是采用相應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入檢測系統。它是抑制干擾的最有效措施之一。濾波技術特別對抑制經導線耦合到電路的干擾，它是一種廣泛采用的措施。將相應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。在自動檢測系統中常用的濾波器有：

1．RC濾波器，當信號源為熱電偶、應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，電源網絡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的電磁干擾衰減幾十倍以上。在干擾環境中工作的計算機、傳感器、二次儀表等電器設備的電源最好都要串聯交流電源濾波器。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備的工作電流；二是在可預見的頻率范圍內，對干擾的衰減系數必須符合要求。使用時可根據需要，選擇內部包含一級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阻造成幾個電路之間的相互干擾，應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的方式，以適應工作現場的溫度變化。另外，設計的過程中，在選用電器元件、傳感器時必須選用性能參數穩定、可靠性高、能適應具體工作現場條件的器件，以保證系統組成后工作的可靠、安全。

總之，干擾是一個比較復雜的技術問題，要針對不同的技術要求，不同的工作環境，干擾源的種類，干擾的途徑等具體情況，在設計過程中充分考慮，采用與之相適應的各種抗干擾措施，使系統可靠正常的工作。例如在實際設計汽車衡、軌道衡時就采用了屏蔽技術，信號的傳輸使用了帶屏蔽層的多芯電纜線；在系統調零裝置中使用了屏蔽技術等，通過相應措施的使用，該系統運行可靠，稱量準確。在水泥生產過程中利用皮帶稱稱重的自動配料系統中也采用屏蔽技術、接地技術等抗干擾措施，以保證系統的配料準確。在熱處理工藝過程控制中，采用熱電偶傳感器或熱輻射溫度傳感器作為測量元件，為了保證系統的正常工作，考慮到高溫工作環境的影響，在自動檢測系統中使用了熱屏蔽技術、溫度補償技術、光電耦合技術等，使溫度的控制比較準確，零部件的熱處理工藝也達到了技術要求。

作者簡介：

唐惠龍，女，陜西寶雞人，副教授，寶雞職業技術學院電子信息工程系副主任。