第9章检测装置的干扰抑制.ppt

第九章 检测装置的干扰抑制技术,干扰：工业生产中检测装置的使用条件很复杂，被测量往往被转换为微弱的低电平信号，并远距离传输送至显示仪表，这时经常会有一些与被测量无关的电量（电压或电流）与有用的信号一起进入检测装置之中。这些与被测量无关的影响检测装置正常工作的非信号电量（电压或电流）就称为“干扰”。 危害：在测量过程中，由于这些干扰的存在，轻则使测量装置示值误差加大、灵敏度降低、指示不稳、零点漂移、严重失真或超差等，重则使测量结果完全失常。,第一节 干扰的形成,一、形成干扰的三要素 干扰源、耦合通道和接收电路是形成干扰的三个要素。三要素之间的联系如图所示。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。,二、常见的干扰耦合方式 （一）电磁耦合 电磁耦合又称互感耦合，它是由于两电路之间存在互感而产生的。一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一个电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。 在大功率变压器、交流电机、强电流电力线等周围存在较强的交变磁场，如果仪表信号线在其附近通过，就会受到交变磁场影响而产生交变电动势，形成工频干扰，如图所示。,电磁耦合及等效电路如图所示。图中In为电路A中的干扰电流源，M为两电路之间的互感，Unc为B中所引起的感应干扰电压。可以得出 结论：干扰电压Unc正比于干扰源的电流Unc、干扰源的角频率和互感M。,电磁耦合及等效电路 (a) 电磁耦合的实际情况 (b) 等效电路,（二）静电耦合 静电耦合又称电容耦合，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。信号线靠近电网线敷设，电网线与信号线之间存在分布电容，因电网线与两信号线距离不等，分布电容亦不同，从而会由于静电耦合而产生感应电压，形成差模干扰es,静电耦合产生干扰,仪表测量线路受静电耦合传输干扰的示意图及等效电路如图所示 。可以写出在Xi上干扰电压的表达式： 考虑到一般情况下有 ，故上式可简化为,静电耦合 （a）示意图 （b）等效电路,若干扰信号U=5V，分布电容为0.01pf，信号频率为1MHz，放大器输入阻抗为100k，则此干扰在放大器输入端所造成的干扰电压Us=31.4mV，再经放大倍数为100的放大器后，在放大器输出端的干扰电压为3.14V，可见其影响是很大的。 可以得到以下结论： （1）干扰源的频率越高，静电耦合引起的干扰也越严重。 （2）干扰电压与接收电路的输入阻抗成正比，降低接收电路的输入阻抗可减少静电耦合的干扰。 （3）通过合理布线和适当防护措施以减小分布电容，可减少静电耦合的干扰。,（三）公共阻抗耦合 公共阻抗耦合就是多个电路通过共有阻抗造成的耦合。当某一电路的电流通过共有阻抗时，会在共有阻抗上产生电压，该电压就可能成为其他电路的干扰。干扰电压正比于公共阻抗和噪声源电流。 公共阻抗耦合是检测仪表中很常见的一种干扰，如： 由接地线阻抗形成的公共阻抗耦合干扰。多台电子测量装置的公共线接地时，若在接地线上有较大电流通过，会通过接地线阻抗产生公共阻抗耦合干扰，如图所示；, 由电源内阻形成的公共阻抗耦合干扰。当用同一个电源同时对多个仪表供电时，如有高电平电路的输出电流流过电源，这个电流就会在电源内阻上产生压降，形成干扰电压，造成对其它低电平电路的干扰，如图所示；,（3）信号输出电路的相互干扰。当电子测量装置的信号输出电路带有多路负载时，如果有任一路负载发生变化，此变化都将通过输出阻抗公共耦合而影响到其它输出电路，如图所示。,公共阻抗耦合等效电路可用图表示。图中Zc表示两个电路之间的共有阻抗，In表示干扰源的电流，Unc表示被干扰电路的干扰电压。 可写出被干扰电路的干扰电压Unc的表达式 可见公共阻抗耦合干扰电压Unc正比于共有阻抗Zc值和干扰源电流In 。若要消除公共阻抗耦合干扰，首先要消除两个或几个电路之间的共有阻抗。,当信号线路与动力线路之间绝缘低劣，或信号线路之间绝缘低劣，就可能出现导电性接触，给信号线路引入共模干扰电压，其等效电路如图所示。 图中EN表示噪声电动势， Rm为漏电阻，Zi为漏电 流流入电路的输入阻抗， UN为干扰电压。 若直流放大器的输入阻抗Zi=108，干扰源电动势UN=15V，绝缘电阻Rm=108，可以得出,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。 漏电流耦合的实例如图所示，使用热电偶测量温度时，耐火砖在高温下的绝缘性电阻大大下降，热电偶的陶瓷套管、绝缘子在高温下绝缘性能同样大大下降。因此在高温下，电加热设备的电源会通过热电偶保护套管泄漏到热电偶上，形成高温漏电，从而在热电偶与地之间产生一个共模干扰电压ec。,（五）外线路附加电势 在测量系统中，由于不同金属零件或导线相接触，当其两端接点处于不同温度时，会产生附加热电势；两种金属因某种原因进入酸、碱、盐溶液，产生化学电势。这种电势均为直流，在接线端子板或是干簧继电器等处容易产生，对仪表影响极重，应尽量避免这种干扰出现。 （六）不等电位接地 同一信号回路多点接地，“大地”成为信号回路的一部分。由于实际大地电阻不为零，因此当大地中流过电流时，在不同点上就会产生不等电位的现象。如果仪表输入回路中存在两个或多个接地点，就可能出现因接地点不等电位而产生共模干扰ec。特别是出现接地故障电流或有直接雷击电流时，将出现强大的大地杂散电流，大地上不同接地点可能出现明显的电位差ec。,第二节 差模干扰与共模干扰,根据干扰进入信号测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将干扰分为差模干扰与共模干扰。 一、差模干扰 差模干扰又称横向干扰、正态干扰或串模干扰等。它使测量装置的两个信号输入端子的电位差发生变化，即干扰信号与有用信号是按电压源形式串联起来作用于输入端的。由于它和有用信号叠加起来直接作用于输入端，因此它直接影响测量结果。差模干扰可用图所示的两种方式表示。,差模干扰等效电路 （a）串联电压源形式 （b）并联电流源形式,造成差模干扰的原因很多。,差模干扰产生的原因 （a）温度测量系统的差模干扰 （b）热电偶焊在通过电流的导体上引进差模干扰 （c）动圈式检流计的差模干扰,（a）,(b),(c),常用的消除差模干扰的方法有： 用低通输入滤波器滤除交流干扰； 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线或电缆线，并有良好的接地系统。,二、共模干扰 共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等。它是相对于公共的基准地（接地点），在测量系统的两个输入端子上同时出现的干扰，如图所示。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。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。虽然它不直接影响测量结果，但当信号输入电路参数不对称时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。 共模干扰通常用等效电压源表示。,共模干扰 共模干扰等效电路,共模干扰电流的通路只是部分与信号电路共有，且共模干扰会通过干扰电流通路和信号电流通路的不对称性转化为差模干扰，从而影响测量结果。 常见的共模干扰耦合有下面几种： （1）在测量系统附近有大功率电气设备，因绝缘不良漏电，或三相动力电网负载不平衡，零线有较大电流时，都存在着较大的地电流和地电位差。这时，若测量系统有两个以上接地点，则地电位差就会造成共模干扰。 （2）当电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到测量系统的信号回路，形成干扰。 （3）在交流供电的电子测量仪表中，动力电源会通过电源变压器的原边、副边绕组间的杂散电容、整流滤波电路、信号电路与地之间的杂散电容与地构成回路，形成工频共模干扰。,三、共模干扰向差模干扰的转化 共模干扰对仪表的影响比差模干扰小，但在一定条件下，共模干扰会转化为差模干扰，其对仪表的影响大大加强。 如果组成信号传输外线路的桥路不平衡，共模干扰可以转化为差模干扰，转化原理如图所示。,由于共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测仪表产生干扰作用，所以共模干扰对测量系统的影响大小取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。可以利用“共模干扰抑制比”值的大小来衡量测量系统对共模干扰的抑制能力。 共模干扰抑制比定义为作用于测量系统的共模干扰信号与使测量系统产生同样输出所需的差模信号之比。通常以对数形式表示为 式中 Ucm为作用于测量系统的共模干扰信号；Ucd为使测量系统产生同样输出所需的差模信号。 共模干扰抑制比也可定义为检测仪表的差模增益Kd与共模增益Kc之比，即 值越高，说明系统对共模干扰的抑制能力越强。,共模干扰是一种常见的干扰源，常采用的抑制共模干扰的方法有： 采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，是抑制共模干扰的有效方法。设计比较完善的差分放大器，在不平衡电阻为1k的条件下，共模抑制比CMRR可达100160dB； 采用变压器或光耦合器把各种模拟负载与数字信号隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制； 可以采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。,第三节 抑制干扰的措施,首先要发现干扰源，在干扰源处杜绝干扰是积极的措施。有些干扰，如自然干扰及某些现场环境干扰是不可避免的。这时，削弱干扰通道对干扰的耦合，以及提高接收电路的抗干扰能力就显得非常重要。 （1）消除干扰源 一般来说，电压或电流剧变的地方就是干扰源。如继电器通断、电容充电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。 消除和抑制干扰源的方法可采用低噪声电路、瞬态抑制电路和稳压电路等。所用器件尽可能采用低噪声、高频特性好、稳定性高的电子元件。器件选择不当可能产生新的干扰源。,（2）割断干扰耦合路径 对于以“电路”的形式侵入的干扰，可采取提高绝缘性能、改变接地形式及采用隔离变压器、光耦合器等措施切断干扰途径。采用退耦、滤波等手段也可引导干扰信号的转移。对于以“辐射”的形式侵入的干扰，一般采取各种屏蔽措施，如静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽等。 （3）提高接收电路的抗干扰能力 一般来说，高输入阻抗的电路比低输入阻抗的电路易受干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差；布局松散的电子装置比结构紧凑的易于接收干扰。为消弱电路对干扰的敏感性，可以采用滤波、选频、双绞线、对称电路和负反馈等措施。一个设计良好的检测装置应该具备对有用信号敏感、对干扰信号尽量不敏感的特性。 此外，还可采用软件抑制干扰。通过编入一定的程序进行信号处理和分析判断，达到抑制干扰的目的。,经常采用的措施有以下几种。 一、隔离 隔离有两种含义，即可靠的绝缘和合理地布线（考虑间距和走向）。 1. 隔离变压器,地环路干扰 变压器阻隔地环路,2.光电耦合 二、屏蔽 屏蔽技术主要是抑制电磁感应对检测装置的干扰，它是利用铜或铝等低阻材料或导磁性良好的铁磁性材料把元件、电路、组合件或传输线等包围起来以隔离内外电磁的相互干扰，屏蔽一般分为静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽。,光电耦合截断地环路,（1）静电屏蔽 静电屏蔽是根据静电学原理，即处于静电平衡状态下，导体内部各点等电位，故在导体内部无电力线。因此采用导电性能良好的金属作屏蔽盒，并将它接地，可使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。,（a）非屏蔽 （b）屏蔽 静电屏蔽的原理,静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。静电屏蔽时，可以在屏蔽导体上任意开缝，以防止涡流损耗。 静电屏蔽的典型应用之一，是在电源变压器的原边与副边绕组之间，插入一个梳齿形导体，并将其接地，可以防止两绕组之间的静电耦合。,（a）非接地情况 （b）接地情况 接地导线的静电屏蔽作用,（2）电磁屏蔽 电磁屏蔽主要防止交变电场的影响。其基本原理是采用导电良好的金属屏蔽罩、屏蔽盒等，将被保护的电路包围在其中，屏蔽体良好接地。利用高频电磁场对屏蔽金属的电磁感应作用，在屏蔽金属内产生涡流，用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而得到屏蔽的效果。 电磁屏蔽的必要条件是在屏蔽导体内流过高频电流，而且电流必须在抵消干扰磁通的方向上。它主要用来防止高频电磁场的影响，对低频磁场干扰的屏蔽影响很小。 屏蔽层的材料必需选择导电性能良好的低电阻金属，如铜、铝或镀银铜板等。 用导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，可同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用。,（3） 低频磁屏蔽 低频磁场由于其频率低，趋附效应很小，吸收损耗小，并且由于其波阻抗低，反射损耗也很小，电磁屏蔽对这种低频磁通干扰的屏蔽效果是很差的。,低频磁屏蔽的原理,（4）驱动屏蔽 驱动屏蔽又称“电位跟踪屏蔽”，就是用被屏蔽导体的电位通过1:1电压跟随器来驱动屏蔽导体的电位，其原理如图11-24所示。若1:1电压跟随器是理想的，则导体B与屏蔽层C二者等电位。尽管导体B和屏蔽层C之间有寄生电容存在，但因B与C等电位，故此寄生电容不起作用。因此驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容产生的耦合干扰。,综上所述，在现场中敷设信号线时要注意：现场中带盖的钢质电缆槽和穿线管兼有静电屏蔽能力及一定的电磁屏蔽能力。因此远距离信号线传输宜采用钢质电缆槽、穿线管进行屏蔽敷设。如果电缆槽内安放不同用途、不同电压等级的电线电缆时，应分类布置，如毫伏类低电平信号、本安线路、开关量联锁线路、电源线路等，应使用钢质隔离板分类敷设，进行补充屏蔽；小型装置以及现场接线箱引出线的分支线路宜用钢管分类穿管走线。 对重要的信号线，尤其是毫伏级低电平信号线，宜用带屏蔽的电线电缆，此是抗静电感应干扰的最有效方法。,三、 双绞线 所谓双绞线，是由成对的两根导线（线芯）相互绞扭而形成的电线电缆。两根导线的位置反复交替，纵观全线路，其与干扰源间的分布电容几乎相等，因交变磁场感应或静电感应产生的干扰电势几乎可以相互抵消（线路电阻对称情况下），残留的差模干扰电势就很小了。 双绞线一般由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成，如果把一对或多对绞合导线放在一个绝缘套管中便构成了双绞线电缆。两根导线相互扭合，其扭绞节距的长短与该导线的线径有关。线径越细，扭绞节距越短，抑制感应噪声的效果越明显，但成本增加。,双绞线主要用来传输模拟信号，也适用于数字信号传输，对较短距离的数字信号传输效果好。双绞线在信号传输应用中具有传输距离远、传输质量高、抗干扰能力强、布线方便、造价低廉等优点。但其对信号也存在着较大的衰减，并且产生波形畸变。所以在用双绞线远距离传输信号时，必须采取放大、补偿等措施。 双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两种。屏蔽双绞线电缆的外层由一层金属箔包裹，从而能抑制双绞线向外辐射电磁波，同时具有很高的信号传输速率。但屏蔽双绞线造价相对较高，安装施工也比非屏蔽双绞线电缆困难。 双绞线抗干扰有效、经济，可明显抑制静电感应和交变磁场引入的干扰，是优先考虑的措施之一。,四、实现正确接地 所谓接地是指将一个点与某个电位基准面用导体连接起来建立低电阻的导电通道。 这里的“地”通常是指以下两种：一种是“大地”（安全地）。接地的目的是为电气设备提供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的要求。一种是“信号基准地”（信号地）。 接地的目的是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位，并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。,（1）检测装置的地线 屏蔽接地线及机壳接地线 信号接地线 功率地线 交流电源地线（即交流50Hz地线） （2）常见的接地方式 电路的一点接地和多点接地 一般高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。 一点接地又分单级电路一点接地和多级电路一点接地两种情况。,单级电路的一点接地 （a）任意点接地 （b）一点接地,各种地线的分开设置,五、浮置技术 浮置又称浮空、浮接。如果检测装置的输入放大器的公共线，既不接机壳也不接大地，则称为浮空。浮空的目的是要阻断干扰电流的通路。浮空后，检测电路的公共线与大地（或机壳）之间的阻抗很大。被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直流联系。,六、加装滤波器,滤波器的安装和使用应注意以下几点： （1）为了防止由于滤波器输入线路和输出线路的感应而导致性能下降，滤波器的输入及输出线必须采用屏蔽电缆或将导线置于金属管中，电缆外壳或金属管应与滤波器外壳连接，并要接地。 （2）在浮地系统中，滤波器外壳应与设备机架或机箱绝缘，以防止设备带电。 （3）滤波器接地不仅是为了安全，主要还在于可提高滤波器抑制共模干扰的能力。因此在可能的情况下设备和滤波器均应有可靠的接地装置。在浮地系统中，滤波器和电网之间应接入1:1的隔离变压器，然后将滤波器外壳与系统的地可靠连接。,七、软件抗干扰技术 常用的软件干扰抑制技术主要有数字滤波、指令冗余技术、软件陷阱技术等。 数字滤波具有很多硬件滤波器没有的优点。它是由软件算法实现的，不需要增加硬件设备，只要在程序进入控制算法之前，附加一段数字滤波的程序即可。各个通道可以共用一个数字滤波器，而不像硬件滤波器那样存在阻抗匹配问题。它使用灵活，只要改变滤波程序或运算参数，就可实现不同的滤波效果，很容易解决较低频信号的滤波问题。目前先进的数字滤波方法有卡尔曼滤波、自适应滤波、自适应卡尔曼滤波、小波滤波等。常用的数字滤波方法有算术平均值法、中位值法、抑制脉冲算术平均法（复合滤波法）。,（2） 冗余技术 当干扰信号通过某种途径作用到CPU上，使CPU不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这就是所说的程序“跑飞”。对程序“跑飞”后使其恢复正常的一个最简单的方法是通过人工复位，使CPU重新执行程序。采用这种方法虽然简单，但需要人的参与，而且复位不及时。因此可从软件设计上考虑在程序“跑飞”时如何自动恢复到正常状态下运行。冗余技术是经常用到的方法。它包括指令的冗余设计和数据程序的冗余设计。,指令的冗余设计，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。当程序“跑飞”到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。应该注意的是在一个程序中“指令冗余”不能使用过多，否则会降低程序的执行效率。 数据和程序的冗余设计的基本方法是在EPROM的空白区域，再写入一些重要的数据表和程序作为备份，以便系统程序被破坏时仍有备份参数和程序维持系统的正常工作。 抗干扰问题是仪表正确使用中不可忽视的问题，必须认真分析，针对具体情况采取有效措施，必要时采用多种措施并用的手段，进行隔离、屏蔽、芯线对绞、抑制地回路干扰以及正确接地等。,