屏蔽抗干扰技术在电子秤中的应用探讨.docx

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屏蔽抗干扰技术在电子秤中的应用探讨

屏蔽抗干扰技术在电子秤中的应用探讨

质量管理部刘联邦

摘要：

本文从电子秤的现场情况入手，根据不同的屏蔽方式和材料，探讨单层屏蔽和双层屏蔽在电子秤测量电路中的应用，并对屏蔽层的连接方式提出了要求。

关键词：

电子秤、屏蔽、干扰

1 引言

   电子秤的设计离不开抗干扰设计，屏蔽在抗外部干扰方面有其不可替代的作用。

好的屏蔽设计不仅能提高系统的测试精度，而且直接影响系统的工作稳定性。

 屏蔽的作用主要是隔离电磁场，它只适合防止两种类型的外部干扰：

一是由大气噪声、星际干扰、雷电、天体辐射、大功率电气设备、高压设备等引起的电磁辐射干扰；二是通过静电感应引入的静电电磁干扰。

在进行屏蔽抗干扰处理时应注意以下几点：

（1）根据电子秤的浮地要求确定需屏蔽的对象；

（2）根据干扰源的性质确定屏蔽材料；（3）确定正确的屏蔽的连接和接地方案。

电子秤电路的设计过程中往往忽略对屏蔽措施的综合考虑，常常将屏蔽简化为用金属网将测试电路装起来，在某些情况下，这种屏蔽会导致适得其反的抗干扰效果。

下面针对使用中的具体屏蔽技术进行分析。

2 屏蔽接地

2．1 静电屏蔽

   图1（a）中，1和3是相邻的两导体，为了减少两者之间的耦合干扰，用导体2将导体1屏蔽起来。

图1：

（b）是各导体对地电容的等效电路。

我们首先来看一下屏蔽导体2的作用。

在导体2未引入前，1和3两导体分别有电荷Q1和Q3,对地电位器分别为Φ1和Φ3.对地电容分别为C10和C30。

互电容为C13.则有电荷方程为：

（1）

当引入导体2后，如导体2对地电容为C13。

则有电荷方程为：

（2）

在导体2处于等位面附近，且1、3距导体2的距离近于离地面的距离，则导体1、3的Φ1和Φ3及C10、C30均不改变。

比较式

（1）与

（2），因Q1和Q3均不变，有

。

即耦合电容C13减小。

一般来说，引入到电场中的任何导体2的作用是使互电容C13的数值比在导体2加进以前的数值小。

但由于互电容C12及C23的存在，由图1（b）的等效虬路，导1、3间的有效电容为：

。

尽管引入导体2使C13减小，但

要大于在导体2加入以前的数值。

当导体2接地时，C12及C23消,1与3间耦合电容减小。

由此可以得出结论：

（1）导体间引入的电屏蔽电位处于悬浮状态时会增加被屏蔽导体间的耦合；

（2）引入的电屏蔽良好时，会减小被屏蔽导体间的电耦合；

（3）在屏蔽接地情况下，被屏蔽导体与其它导体间的耦合电容为零。

（a）（b）

图1导体的屏蔽

2．2存在的问题

   当通过屏蔽接地体有电荷泄放时，屏蔽体上将流过较大的电流，由此屏蔽体上形成涡流电磁场，而形成对屏蔽导体的电磁干扰。

通常，我们将这种干扰定义为系统电磁脉冲干扰。

可见，单层的接地屏蔽虽能屏蔽掉外辐射电磁场的干扰，但不能屏蔽静电引入的系统电磁脉冲干扰。

3 屏蔽连接

3．1 屏蔽对过程通道的影响

   图2是为防止电磁辐射对过程通道的影响所加的屏蔽。

当一个放大器悬浮在屏蔽罩内，其输入端、输出端与信号地端及屏蔽罩之间分别有寄生电容C1、C2、C3。

这些寄生电容使放大器输入端与输出端之间存在寄生反馈。

寄生电容C1引起的寄生反馈在负反馈的情况下使放大器的高频增益下降，在正反馈的情况下使放大器在某一频率上产生寄生振荡。

当把屏蔽罩接到该放大器的信号地上，C3被短路，消除了上述那种不希望有的寄生反馈。

图2屏蔽罩里的放大器

屏蔽罩必须连接到所屏蔽电路的信号地上，接地阻抗充分小，以减小或消除由于屏蔽所引起的反馈作用。

3．2 屏蔽接地点的选择

   在传感器与称重显示仪本身有一定的物理距离的场合，其间用屏蔽电缆线连接起来，成为一个完整的电屏蔽，这时就出现了屏蔽应该在哪一点上与信号地相连的问题。

图3（a）和（b）分别是两种不同的连接方式。

图3（a）把两个连接点放在两个不同地点的机壳上，信号的零参考点同时被连接在机壳A中的地上和机壳B上，这时就构成了一个从机壳A处的大地通过接地参考导线连接到机壳B，再通过耦合电容C到机壳B处的大地的闭合环路。

在两个不同的位置的大地接点之间存在干扰电压源时，这个干扰电压源引起的环路电流会在信号地线ef的电阻上产生压降，把干扰电压引入测量系统。

若使屏蔽罩在输入信号零电压基准点处接地，就能断开这个环路，如图3（b）。

屏蔽罩应当与输入信号源的零电压基准点相接。

图3屏蔽接地

4 几种可供选择的屏蔽技术

4．1单层防护屏蔽

   图3（b）将输入回路及输入引线完全置于屏蔽罩内，这种屏蔽接地方法如图4（b）所示的那样，将共模干扰电压Ecm。

产生的电流I3，经过屏蔽流经Cs回地，可使输入端之间不产生差模电压，从而消除干扰。

这种输入回路的屏蔽称为防护屏蔽。

图4（a）表示共模电压产生差模输入的情况。

（a）

（b）

图4屏蔽旁路干扰电路

减少共模电压干扰的办法都是根据避免共模电压引入输入回路，从而不在输入回路上产生差模电压的原则来考虑的。

单层防护屏蔽是使电子设备的输入回路及模拟电路部分不接地，让它的电源部分自成回路，电源的地线（称模拟地）与电子仪器的机壳绝缘。

用Z1表示模拟地与机壳之间的绝缘电阻，如图5所示共模电流将大大减小。

   当屏蔽层电阻Rc>>地线电阻RE，放大器输入端是单端放大器。

信号源地端至放大器地端引线电阻ZR，且放大器输入阻抗ZA<<。

考虑B输入回路的共模电流I在ZB上的压降V，此电压作为差模干扰入了输入放大电路。

习惯上用共模抑制比“CMR”来表示共模干扰电压E与输入回路引起的差模干扰电压V之比，用分贝表示为：

（3）

图5单层防护屏蔽

4．2 双层浮地防护屏蔽

   单层浮地防护屏蔽的Z1实际上因寄生耦合和漏电，是比较低的。

适用于要求不高的测量电路。

对于抗共模干扰要求较高的测量设备，采用双层浮地防护屏蔽以减少模拟地与机壳间的耦合。

如图6所示，采用双层屏蔽加浮地技术，即电子回路的工作地不接地而呈现悬浮状态，电子部件外围附加一个保护屏蔽壳，且与机器外壳隔离，具有很高的绝缘电阻和很小的分布电容。

在这个系统中，屏蔽层包括信号电线的外皮金属网，电子部件的外围附加保护屏蔽罩和机器外壳。

   这些屏蔽体之间的连接问题应注意以下几点：

（1）屏蔽地线的配置。

信号电缆的屏蔽层与电子部件外围附加的保护屏蔽罩相连，电源变压器二次侧的屏蔽绕组也与电子部件外围附加的保护屏蔽罩相连，然后将信号电缆屏蔽层与信号源侧的现场地线相连。

（2）保护地线的配置。

变压器一次绕组的屏蔽绕组与显示仪外壳相连，机壳接地，称为保护接地。

   （3）浮地技术。

电子部件的工作地采用浮空，保护屏蔽罩对机壳也处于悬浮状态。

保护地线与屏蔽地线在机柜内分别设置，完全隔开。

     抑制共模干扰的方法可以用切断干扰信号通道或增加通道阻抗的方法。

由于保护屏蔽罩对机壳的高度悬浮状态，直流绝缘电阻很高，共模噪声电流很难进入电子回路，使电子回路的直流抑制比可达160dB以上。

信号源处的共模噪声的另一个途径是通过电源变压器二次侧的屏蔽层与机壳构成回路（通过分布电容），产生的共模噪声也很小。

由于变压器一、二次侧间的分布电容较大，增加二次侧屏蔽层切断了共模噪声信号通过较大的分布电容直接耦合到机壳的通路，使共模干扰大大降低。

变压器一次绕组的屏蔽层起静电屏蔽作用，抑制来自电网的高频干扰噪声。

图6双层屏蔽浮地技术

5 屏蔽材料的选取

   目前，应用较多的电磁屏蔽材料主要包括两大类：

表面导电材料和导电复合材料。

表面导电这类屏蔽材料通常采用化学镀金、真空喷镀、贴金属箔以及金属熔射等技术，使绝缘的塑料表面覆盖一层导电层，从而达到屏蔽电磁波干扰（EMI）的目的。

导电复合材料将无机导电材料填充到合成树脂中，通过混炼造粒、并采用注射成型、挤出成型或压塑成型等方法便可制成导电复合材料。

其中导电材料一般选用导电性能优良的纤维状或片状金属，以及镀金属的碳纤维、石墨纤维和云母片等。

常用的合成树脂主要有ABS、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、尼龙（PA）、聚苯醚（PPO）以及热塑性聚酯（PBT）。

导电复合材料是继表面导电材料之后发展起来的新型电磁屏蔽材料，目前已广泛用作电子计算机及其它电子设备的壳体材料。

前者是使塑料表面金属化来反射电磁波；后者则通过在塑料中填充导电材料，形成导电网络，达到屏蔽效果。

    实际运用中，应选择具有高电导率与磁导率的铁磁性材料，如铜、铝、钢、纯铁及高磁导率的铁镍合金等。

金属材料的屏蔽效果，几乎是由其反射损耗所决定，所以即使是非常薄的金属箔也有lOOdB以上的屏蔽效果。

铜或类似的金属可以有效地抑制静电及高频电磁场干扰。

类铁金属能有效地使电子设备避免磁场的干扰。

应从费效比要求选择合适材料，一般都选择电工用纯板和镀锌的钢板。

6 结束语

  某些屏蔽保护措施往往只对一种干扰源有屏蔽保护作用，为了得到满意的屏蔽效果，必须针对保护不同的干扰源采用不同的保护措施。

在采用一种屏蔽保护措施的同时要注意使该措施不能破坏另一种屏蔽保护措施收到的屏蔽效果。