液位傳感器電磁兼容改進設計

智文虎，劉柏青，簡榮坤，夏云陽，秦仕鵬，李恩全

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引言

隨著科技水平不斷提升，傳感器在各領域上的應用日益增加，同時對小型化、數字化方面的要求使得設備內部布局更加緊密，傳感器的質量、體積受到嚴格控制，傳感器內部線路布局、器件密集度大幅升高［1～3］。此外，對抗電磁干擾能力的要求也在日益升高，這就使得傳感器電磁兼容問題更加突出［4～6］。電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行，并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。而電磁兼容對設備的標準要求有2個方面：一是工作時不會對外界設備產生不良的電磁干擾影響；二是當外界干擾產生時，具有一定的抗干擾能力，不產生性能降低、損壞，干擾消除后能夠恢復性能。由此可見，對傳感器進行電磁兼容設計是十分必要的。

本文根據液位傳感器在隨整機進行CS114、CS115、CS116、RS103 電磁兼容考核時，液位傳感器輸出會出現跳變，無法繼續使用，從液位傳感器的故障原因、電磁干擾來源及影響、改進原理、實驗驗證和實驗結果幾個方面對傳感器電磁兼容設計進行論證，并給出電磁兼容設計改進思想和方法。

1 工作原理

1.1 傳感器組成與工作原理

本文傳感器是由線性可變差動變壓器（linear variable differential transformer，LVDT）線圈敏感元件和變換器及線纜組成，安裝于液壓油箱上，采用法蘭固定方式，用于測量油箱內油液容積變化，實現實時信號輸出，反映油箱內液壓油的容積變化。當油箱內液壓油液面發生變化時，帶動鐵芯產生位置變化，改變初次級線圈之間的耦合，輸出電壓發生變化，即可將被測位移轉換為傳感器的互感變化，又可通過線纜傳遞給變換器內的調理電路組件，將液壓油液面位置信號轉變為4～20 mA的電流輸出［7～9］。

傳感器的工作原理框圖如圖1所示。變換器三維圖如圖2所示。

圖1 傳感器工作原理框圖

圖2 變換器三維圖

1.2 LVDT工作原理

LVDT傳感器根據變壓器工作原理，當給初級線圈提供一個交流信號E1時，其內部會產生交變磁場，此交變磁場引起2次級線圈產生感應電動勢E21和E22。當鐵芯處于2次級線圈中間位置時，2 次級線圈產生大小相等、方向相反的感應電動勢，輸出電壓E2為0；當鐵芯偏離中間位置時，2次級線圈之間互感發生變化，兩者的感應電動勢一增一減，不再相等，得到電壓信號輸出，該電壓信號在一定范圍內與鐵芯位置呈線性關系，即達到鐵芯的位置量轉換成電信號輸出的目的。其工作原理如圖3所示［9～11］。

圖3 LVDT工作原理

當忽略差動變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容的影響后，差動變壓器可以看成一個理想的模型

于是有

有效值為

當鐵芯上下移動時，M1，M2發生變化，因此可以通過測量輸出電信號的方法判斷其位置變化［11～14］。

2 故障分析

2.1 故障現象

對產品進行CS114、CS115、CS116、RS103 電磁兼容實驗。RS103實驗時，在90～200 MHz頻率下出現波動現象，傳感器輸出波動范圍超出正常變化范圍（4 ±0.08）mA；CS114、CS115、CS116實驗時，產品輸出有大幅度無規則波動，無法繼續使用，以此確定產品受到電磁干擾影響。具體實驗項目曲線、波形和限值如圖4所示，實驗數據如表1。

表1 實驗項目及測試數據

圖4 電磁干擾實驗結果

2.2 故障原理分析

根據射頻輻射干擾形成原理，頻率較低的輻射干擾是由于其波長較長，主要是被傳感器的接口線接收進入設備內部，通過變換器外殼直接進入傳感器的效率非常低；頻率較高的輻射干擾，除通過傳感器接口進入傳感器內部外，也很容易通過傳感器外殼直接被傳感器內部電路接收。測試原理如圖5所示。

圖5 實驗測試原理

干擾源的干擾原理如圖6所示。

圖6 干擾源的干擾原理

測試時，干擾通過空間輻射來施加到傳感器上，施加的干擾是射頻連續波信號，干擾場強為1～200V／m。這些干擾進入傳感器內部電路，導致模擬信號的輸入、輸出和預期效果偏離，電路的控制失效，造成處理電路的運行出錯。通過機理分析，傳感器故障主要是傳感器未做好屏蔽，線圈組件與傳感器間無濾波處理導致的。

3 設計改進原理

3.1 共模干擾及抑制

共模干擾產生的原因：電路串入共模干擾信號，輻射干擾在信號線上感應出共模干擾；接地電壓不一致，地電位差異引入共模干擾；傳感器內部導線及PCB布線對電源線和信號線的影響。通過使用LC 濾波網絡構造的共模濾波器，在高頻時利用電容的高頻低阻抗性能，使干擾信號導出經殼體流入大地；在低頻時有共模電感器L1，L2 對干擾信號進行衰減。當電路中正常的電流流經濾波網絡時，電流在同相位繞制的共模電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消。當有共模電流流經時，由于共模電流的同向性，會在線圈內產生同相的磁場而增大線圈的感抗，產生較強的阻尼效果，以此來衰減共模電流，達到濾波的目的。

3.2 差模干擾及抑制

采用LC 濾波網絡構造差模濾波器，由差模電感對差模干擾產生衰減，并聯電容以旁路差模干擾電流信號。差模電感線圈在電流流經后，線圈內磁通增強，線圈表現為低頻低阻、高頻高阻，差模電感器利用線圈高頻高阻特性來衰減干擾信號。

3.3 瞬態干擾及抑制

瞬態抑制器D2 當出現擊穿電壓時，立即轉變為低阻抗，使電流離開被保護電路，避免高電壓對后續調理電路造成損壞。產品輸出跳變超差說明對于干擾信號的衰減以及濾波未達到一定的衰減水平。而濾波電路的加入則能對產品的電磁兼容性能起到重要的作用，如圖7所示，為采用的濾波電路，采取了共模干擾抑制、差模干擾抑制及瞬態干擾抑制等，可以有效保證傳感器的電磁兼容性能。

圖7 濾波電路原理示意

4 改進設計措施

4.1 改進方案

通過對傳感器進行原理分析與故障定位，已基本確定傳感器存在的設計不足：由于連接器與上蓋間、上蓋與殼體間存在縫隙，未接觸良好；產品使用的電纜為非屏蔽電纜；變送器內部電路抗衰減干信號能力低。以上原因導致產品整體抗電磁干擾能力不足，因此將進行針對性改進，但由于產品電纜為指定型號，不能做出更改，因此僅能通過增加濾波器及導電布墊方式提升產品電磁兼容性能。

4.2 濾波器件

該濾波器共設計為3路濾波，由3個相同的電路組成，每1路是1 組π型濾波，電路原理如圖8 所示。π 型濾波結構形式由2 只差模電容器、1 只共模電感器和2 只共模電容器組成。以第1 路濾波電路為例，差模電容器C1，C2為差模干擾噪聲提供低阻抗通道，將其吸收共模電感L1在100 kHz～30 MHz頻率范圍內，呈現高阻抗狀態，吸收共模干擾噪聲；共模電容器C3，C4 為共模干擾噪聲提供低阻抗通道，將噪聲排放到金屬外殼上，并通過金屬外殼導通到地上。

圖8 濾波電路原理

根據計算，C1，C2選取0.2 nF；C3，C4選取20～30 nF；L1選取15 μH。

4.3 電磁屏蔽

屏蔽主要能夠防止靜電耦合干擾、低頻磁場干擾和高頻場的干擾。屏蔽的設置是將關鍵電路用一個導電表面包圍起來，使耦合到電路上的磁場通過反射和吸收被衰減。通過導電布墊的使用，將其貼到連接器與上蓋之間，增加接觸面積，減小安裝縫隙，使產品整體搭接良好形成等勢體，以此來屏蔽外界輻射進來的電磁能量，組織高頻低頻能量向外輻射。導電布襯墊安裝效果如圖9所示。

圖9 導電布襯墊安裝效果

4.4 實驗驗證

將經過電磁兼容設計改進措施完全落實到液位傳感器，完善設計產品后進行了CS114、CS115、CS116、RS103 實驗，產品輸出均符合要求，實驗數據如表2 所示，證明改進措施可行有效。

表2 改進后測試數據

5 結論

通過實驗驗證，通過合理增加濾波電路設計、磁屏蔽設計，可以很好地消除和屏蔽電磁環境產生的干擾，保證傳感器的穩定工作，提高了傳感器的電磁兼容性。本文闡述的改進設計方案正確，針對抗電磁干擾問題的解決措施可行、有效。