第13章检测装置的干扰技术

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1、第十三章、检测装置的干扰抑制技术 1）、检测装置主要应用于实际的工业生产过程，而工业现场的环境往往干扰严重。这些干扰的存在，轻则影响测量精度，重则使测量结果完全失常，因此，有效地排除和抑制各种干扰，保证检测装置能在实际应用中可靠地工作，已成为必须探讨和解决的问题。2）、本章就检测装置的干扰类型、干扰的传输途径以及干扰的硬件软件抑制技术做一介绍。 第一节、干扰的来源一、常见的干扰类型 对于检测装置总是存在着影响测量结果的各种干扰因素，这些干扰因素来自干扰源，按干扰的来源，可把干扰分成内部干扰和外部干扰两大类。 1、外部干扰 、外部干扰主要来自：自然界以及检测装置周围的电气设备，是由使用条件和外界

2、环境决定的，与系统装置本身的结构无关。 、自然界产生干扰的原因为：自然现象：如雷电、大气电离、宇宙射线、太阳黑子活动以及其他电磁波干扰。自然界的干扰不仅对通信、导航设备有较大影响，而且因为现在的检测装置中已广泛使用半导体器件，在射线作用下将激发电子，空穴对而产生电动势，以致影响检测装置的正常工作。 、检测装置周围的电气设备产生干扰的因素有：电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、晶闸管整流装置等强电系统的影响。这些干扰主要通过供电电源对检测装置产生影响。在大功率供电系统中，大电流输电线产生的交变电磁场，也会对检测装置产生干扰。 2、内部干扰 、内部干扰是由装置内部的各种元器件引起的。它包括固定干扰

3、和过渡干扰。、过渡干扰是：电路在动态工作时引起的干扰。、固定干扰包括：电阻中随机性电子热运动引起的热噪声；半导体及电子管内载流子随机运动引起的散粒噪声；由于两种导电材料之间不完全接触时，接触面电导率的不一致而产生的接触噪声。如继电器的动静触头接触时发生的噪声等；因布线不合理，寄生振荡引起的干扰热骚动的噪声干扰等。固定干扰是引起测量随机误差的主要原因，一般很难消除，主要靠改进工艺和元器件质量来抑制。 二、噪声与信噪比 1、噪声 噪声就是检测系统及仪表电路中混进去的无用信号。通常所说的干扰就是噪声造成的不良效应。噪声和有用信号的区别在于，有用信号可以用确定的时间函数来描述，而噪声则不可以用预先确定

4、的时间画数来描述。噪声属于随机过程，必须用描述随机过程的方法来描述，分析方法亦应采用随机过程的分析方法。 2、信噪比 、在测量过程中，人们不希望有噪声信号，但客观事实中噪声总是与有用的信号联系在一起的，而且人们也无法完全排除噪声，只能要求噪声尽可能小，究竟允许多大的噪声存在，必须与有用信号联系在一起考虑。显然，大的有用信号，允许噪声较大，而小的有用信号，允许噪声也随之减少。、为了衡量噪声对有用信号的影响，需引入信噪比(S/N)的概念。 信噪比：是指在通道中有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为Ps，有用信号电压为Us，噪声功率为PN，噪声电压为UN。则有： （13-1) 式（13-1

5、)表明，信噪比越大，表示噪声的影响越小。在检测装置中应尽量提高信噪比。 第二节、干扰的耦合方式及传输途径干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。 也就是说，造成系统不能正常工作的干扰形成需要具备三个条件： 、干扰源；、对干扰敏感的接收电路；、干扰源到接收电路之间的传输途径。常见的干扰藕合方式主要有：静电藕合、电磁藕合、共阻抗藕合、漏电流藕合。 a）静电藕合的实际表示 b）等效电路图13-1、静电藕合等效电路1、静电藕合 1）、静电藕合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。2）、在一般情况下，静电藕合传输干扰可用图13-1表示。E

6、n为干扰源电压；Zi为被干扰电路的输入阻抗；Cm为造成静电藕合的寄生电容。3）、根据图13-1所示的电路，可以写出在Zi上干扰电压的表达式： 式中：为干扰源En的角频率。 4）、考虑到一般情况下有 jwCmZi 1，故上式可简化为： Unc=jCmZiEn （13-3) 5）、从上式可以得到以下结论： 、干扰源的频率越高，静电藕合引起的干扰也越严重。 、干扰电压Une与接收电路的输入阻抗Zi成正比；因此，降低接收电路输入阻抗，可减少静电藕合的干扰。 、应通过合理布线和适当防护措施，减少分布电容Cm，以减少静电藕合引起的干扰。6）、 图13-2所示为仪表测量线路受静电藕合而产生干扰的示意图及等效

7、电路。a) 放大器输入受静电藕合的干扰、b）等效电路 图13-2、静电藕合对测量线路的干扰 图中：A导体为对地具有电压En的干扰源；B为受干扰的输入测量电路导体；Cm为A与B之间的寄生电容；Zi为放大器输入阻抗Une为测量电路输出的干扰电压。设：Cm=0.01pF， Zi=0.1M， k=100， En=5V， f=1MHz，则有：Uni=n2fCmEn= 521060.0110-12105 =31.4mV 而经放大器输出端的干扰电压为：Une=KUni=3.14V 显而易见，这样大的干扰电压是不能容忍的。 2、电磁藕合 1）、电磁藕合又称互感藕合。当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流变

8、化，就会通过磁交链影响到另一个电路，从而形成干扰电压。2）、在电气设备内部，变压器及线圈的漏磁就是一种常见的电磁藕合干扰源。另外，任意两根平行导线也会产生这种干扰。 3）、在一般情况下，电磁藕合可用图13-3表示。图中：In为电路A中的干扰电流源；M为两电路之间的互感；Uen为B中所引起的感应干扰电压。a）电磁藕合的实际情况 b）等效电路图13-3、电磁藕合及等效电路4）、根据交流电路理论和等效电路可得 Une=jMIn （13-4) 式中：为电流干扰源In的角频率。 5）、分析上式可以得出：干扰电压Unc正比于干扰源的电流In。干扰源的角频率和互感M。 例：图13-4是交流电桥测量电路受磁场

9、藕合干扰的示意图。图中U。为电桥输出的不平衡电压，交流供电电源频率为10kHz，导线A在电桥附近产生干扰磁场，并藕合到电桥测量电路上。若In=10mA，M=0.1uH，干扰源的频率与交流供电电源频率相同，则由(13-4)可得: Unc=MIn=21040.110-61010-3 V=62.8V 可见，电磁藕合也是较严重的，应给以足够重视。 3、共阻抗藕合 图13-5、共阻抗藕合等效电路 1）、共阻抗藕合干扰是由于两个以上电路有公共阻抗，当一个电路中的电流流经公共阻抗产生压降时，就形成对其他电路的干扰电压。 2）、共阻抗藕合等效电路可用图13-5表示，图中Ze表示两个电路之间的共有阻抗，In表示

10、干扰源的电流，Unc表示被干扰电路的干扰电压。 3）、根据图13-5所示的共阻抗藕合等效电路，被干扰电路的干扰电压Unc的表达式为：Unc=InZc （13-5）可见：共阻抗藕合干扰电压Unc正比于共有阻抗Zc和干扰源电流In ；若要消除共阻抗搞合干扰，首先要消除两个或几个电路之间的共有阻抗。 4）、共阻抗藕合干扰在测量仪表的放大器中是很常见的干扰，由于它的影响，使放大器工作 不稳定，很容易产生自激振荡，破坏正常工作。5）、例：电源电阻的共阻抗藕合干扰：、当几个电子线路共用一个电源时，其中一个电路的电流流过电源内阻抗时就会造成对其他电路的干扰。、图13-6表示两个三级电子放大器电路由同一直流电

11、源E供电。由于电源具有内阻抗Ze；、当上面的放大器输出电流i1流过Ze时，就在Ze上产生干扰电压U1= i1Ze此电压通过电源线传导到下面的放大器，对下面的放大器产生干扰。、另外对于每个三级放大器，末级的动态电流比前级大的多，因此末级动态电流流经电源内阻扰时，所产生的压降对前两级电路来说，相当于电源被动干扰，对于多级放大器来说，这种电源波动是一种寄生反馈，当它符合正反馈条件时，轻则造成工作不稳定重则会引起自激振荡。图13-5、电源内阻产生的共阻抗藕合干扰4、漏电流藕合 1）、由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流所引起的干扰叫图13tl漏电流干扰等效电路 做漏电流藕合。2）、图13-7表示了漏电

12、流引起干扰的等效电路；图13-7、漏电流引起干扰的等效电路图中：En表示噪声电动势；Rn为漏电阻；Zi为漏电流流入电路的输入阻抗；Unc为干扰电压。3）、从图13-7的等效电路中可以写出 Une的表达式： （13-6） 4）、漏电流藕合经常发生在：用仪表测量较高的直流电压的场合、或在检测装置附近有较高的直流电压源时；或在高输入阻抗的直流放大器中。 5）、举例：如图13-7所示，直流放大器的输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V，绝缘电阻Rn=1010。估算漏电流干扰对此放大器的影响。根据上述给出的数据可以得出： 6)、从以上估算可知，对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电流干扰，也

13、将造成严重的后果。所以必须提高与输入端有关电路的绝缘水平。 第三节、差模干扰和共模干扰各种噪源产生的干扰必然通过各种藕合方式及传输途径进入检测装置。根据干扰进入测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰和共模干扰。 1、差模干扰 1）、差模干扰又称串模干扰、正态干扰、常态干扰、横向干扰等；是指干扰电压与有效信号串联叠如后作用到检测装置的输入端，如图13-8所示。2）、差模干扰通常来自高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感器来的信号线有时长达一二百米，干扰源通过电磁感应和静电藕合的作用再加上如此之长的信号线上的感应电压，数值是相当可观的。3

14、）、例如：一路电线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到毫伏级，然而来自传感器的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏，甚至更小。图13-8、差模干扰等效电路4）、由此可知:、由于栓测装置的信号线较长，通过电磁和静电桐合所产生的感应电压有可能达到与被测有效信号相同的数量级，甚至比后者大得多；、对检测装置，除了信号线引人的串模干扰外，信号源本身固有的漂移、纹波，以及电源变压器不良屏蔽等也会引人串模干扰。 5）、图13-9所示，就是一种较常见的外来交变磁通对传感器的一端进行电磁藕合产生串模干扰的典型例子。外交变磁通穿过其中一条传输线，产生的感应干扰电动势Unm便与热电

15、偶电动势e，相串联。 图13-9、产生差模干扰的典型例子6）、消除串模干扰的方法常用的有:、可用低通输入滤波器滤除交流干扰；、应尽可能早地对被测信号进行前置放大，以提高回路中的信噪比；、在选取组成检测系统的元器件时，可以采用高抗扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低噪声的干扰，或采用低速逻辑部件来抑制高频干扰；、信号线应选用带屏蔽层的双绞钱或电缆线；并有良好的接地系统。 2、共模干扰 1）、共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、间相干扰、共态干扰等，它是指检测装置两个输入端对地共有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高。2）、造成共模干扰的主要原因是被测信号的参考接地点和检测装置输入信号的参考接地点不同。因此就会产生一定的电压。如图