第十二章检测系统的抗干扰技术.docx

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第十二章检测系统的抗干扰技术

教师授课方案（首页）

授课班级

09D电气1、电气2

授课日期

课节

2

课堂类型

讲授

课题

第十二章检测系统中的抗干扰技术

第一节干扰源及防护

第二节检测技术中的电磁兼容原理

第三节几种电磁兼容控制技术

教学目的

与要求

【知识目标】1．了解干扰源的种类以及掌握对应防护措施2了解电磁干扰的种类、传播途径以及掌握对应防护措施；3、掌握抗电磁干扰技术中的屏蔽技术、接地技术、电源滤波技术以及光电耦合技术

【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会采取相应的抗干扰技术以及基本应用电路。

【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点

重点：

接地技术

难点：

接地技术中的检测系统的一次接地

教具教学辅助活动

教具：

多媒体课件、习题册

教学辅助活动：

提问、学生讨论

一节教学过程安排

复习

1．直接测量和间接测量的区别；

2．绝对式和增量式角编码器的原理；

3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；

4、光栅的原理和细分计算；

5．磁栅、容栅的原理和计算

5分钟

讲课

1．干扰源的种类以及对应防护措施2电磁干扰的种类、传播途径以及对应防护措施；3、抗电磁干扰技术中的屏蔽技术、接地技术、电源滤波技术以及光电耦合技术

73分钟

小结

小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互动答疑

10分钟

作业

习题册第十二章检测系统中的抗干扰技术习题

2分钟

任课教师：

叶睿2011年2月8日

审查教师签字：

年月日

教案附页

【复习提问】

上节课知识点：

1．直接测量和间接测量的区别；

2．绝对式和增量式角编码器的原理；

3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；

4、光栅的原理和细分计算；

5．磁栅、容栅的原理和计算

第十一章数字式位置传感器

【章节导入】：

采购的仪表，数码显示不稳定；安装到车间的仪表数据不稳、动作失常；带计算机的系统，计算机容易死机等等。

【本章要点】：

1．了解干扰源的种类以及掌握对应防护措施

2．了解电磁干扰的种类、传播途径以及掌握对应防护措施；

3．掌握抗电磁干扰技术中的屏蔽技术、接地技术、电源滤波技术以及光电耦合技术

第一节干扰源及防护

【本节内容设计】

通过课件与教师讲授干扰源的种类以及对应防护措施，为实际检测与测量做知识与技能的储备。

【授课内容】

干扰与噪声

在非电量测量装置的电路中出现的无用的背景信号与被测信号叠加在一起，这称为干扰，有时也采用噪声这一习惯用语。

噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。

衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（S/N）来表示，它是指在信号通道中，有用信号功率PS与噪声功率PN之比，或有用信号电压US与噪声电压UN之比。

信噪比常用对数形式来表示，单位为dB，即

S/N=10lg（PS/PN）=20lg（US/UN）（dB）

在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。

靠增加放大倍数减少干扰是于事无补的

信噪比（S/N）的计算举例

在扩音机输入端测得：

话筒输出的做报告者声音的平均电压为50mV，50Hz干扰“嗡嗡”声的电压为0.5mV，求信噪比。

解：

S/N=20lg（50/0.5）dB=40dB

结论：

当S/N分别为20dB、0dB、-20dB时，信噪比说明做报告者声音与干扰声音转换的电压之间各为10倍、相同、-10倍的关系；而为40dB为100倍；60dB为1000倍的关系。

噪声源及干扰源

一、机械干扰

1、产生的原因：

机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。

2、造成的危害：

焊点脱焊；电位器滑动臂移动；电感线圈电感量变化；电缆接插件滑脱；开关、继电器、插头及各种紧固螺钉松动；共振时还会引起零件的振幅加大，造成零件断裂。

3、机械干扰采取措施：

（1）减震

对机械干扰，可选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。

（2）振动试验台

将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅下，产品指标是否变化。

（3）跌落试验

产品在运输过程中常因为遭受剧烈震动或跌落而损坏或性能变差，因此需要做抗跌落试验和测试。

二、湿度及化学干扰

1、产生的原因：

当环境相对湿度大于65%时，物体表面就会附着一层0.01～0.1um的水膜，并渗入材料内部。

2、造成的危害：

降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。

某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区由海风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象。

3、采取的措施

（1）将变压器等易漏电或击穿的元器件用绝缘漆或环氧树脂浸渍，将整个印刷电路板密封。

（2）对设备定期加热驱潮，或保持箱内的微热状态。

（3）对易受潮的电子线路安装在不透气的机箱中，箱盖用橡胶圈密封。

（4）仪器设备的防潮试验：

喷淋试验、恒温恒湿房

三、热干扰

1、造成的危害：

热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：

（1）元件参数的变化（温漂）

（2）接触热电势干扰

（3）元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。

2、克服热干扰的防护措施有：

（1）选用低温漂元件

（2）采取软、硬件温度补偿措施

（3）选用低功耗、低发热元件

（4）提高元器件规格余量

（5）仪器的前置输入级远离发热元件

（6）加强散热

（7）采用热屏蔽等

四、固有噪声干扰

产生的原因及采取的措施：

在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。

例如电视机的雪花现象；喇叭、耳机的噪声；输出电压无规律跳变。

（1）电阻热噪声：

电阻不与电源相连，两端有噪声电压。

输入信号较小时，会被电阻热噪声产生的电压淹没。

应根据需要确定电路带宽；不要强调高频输入和高输入电阻；尽量降低前置级的温度。

（2）半导体散粒噪声：

在半导体噪声中，载流子的随机扩散以及电子-空穴对随机发生及复合，干扰测量结果。

采取的措：

采用低噪声以及较大放大倍数的三极管；减小半导体器件的电流和电路的带宽。

（3）接触噪声：

元器件之间不完全接触，引起电导率的起伏。

例如：

开关、继电器触点、电位器触点、接线端子电阻、晶体管内的不良接触。

采取的措施：

是低频电路的主要噪声，减小流过触点的直流电流；采用镀金或镀铑触点；增加接触压力。

五、电、磁噪声干扰

1、产生的原因：

电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。

2、造成的危害：

在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场，他们将对十分灵敏的检测装置造成干扰。

3、采取的措施：

由于这些干扰源功率强大，要消除他们的影响较为困难，必须采取多种措施来防护。

在下一节详细学习。

第二节检测技术中的电磁兼容原理

【本节内容设计】

通过课件与教师讲授电磁干扰的种类、传播途径以及对应防护措施，为工程测量与检测做知识与技能的储备。

【授课内容】

从一、电磁兼容（EMC）概念

电磁兼容是指电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常工作的能力，而且还不允许产生超过规定的电磁干扰。

二、电磁干扰的来源

电磁干扰源分为两大类：

自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。

1.自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。

后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。

2.人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。

三、电磁干扰的传播途径

电磁干扰必须同时具备三个因素：

干扰源、干扰途径、敏感接收器

消除或减弱电磁干扰的方法针对三方面因素，采取三方面措施：

（1）消除或抑制干扰源。

例如使干扰的电气设备原理检测装置；整流子电动机改为无刷；继电器、接触器加消弧线圈。

（2）破坏干扰途径。

提高电路绝缘性能；隔离变压器；光耦合器；

改变接地形式；采取电、磁、电磁屏蔽。

（3）削弱接收回路对干扰的敏感性。

数字电路比模拟电路抗干扰；低输入阻抗比高输入阻抗抗干扰。

电磁干扰途径：

电吹风机产生的电磁波干扰以两种途径到达电视机：

一是通过共用的电源插座，二是以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收。

应设法切断这些干扰途径。

此时电吹风为干扰源。

总结：

电磁干扰有“路”和“场”的干扰。

“路”和“场”的干扰区别

路的干扰必须在干扰源和被干扰对象之间有完整的电路连接，干扰沿着这个通路到达被干扰对象。

例如通过电源线、变压器引入的干扰。

场的干扰不需要沿着电路传输，而是以电磁场辐射的方式进行。

例如，电源线对传感器的信号线的电场耦合干扰；又如电焊机电缆上的强电流对信号线的磁场耦合干扰。

1．通过路的干扰

（1）由泄漏电阻引起的干扰

当仪器的信号输入端子与220V电源进线端子之间产生漏电、印制电路板上前置级输入端与整流电路存在漏电等情况下，噪声源可以通过这些漏电电阻作用于有关电路而造成干扰。

被干扰点的等效阻抗越高，由泄漏电阻而产生的干扰影响越大。

1-干扰源2-仪器输入端子3-仪器的输入电阻R-漏电阻

此干扰为差模干扰采取的措施有：

在印制电路板正、反面各制作一个接地的环状印制电路，将高输入阻抗的元件电路及单元包围在环的里面，由印制电路引起的漏电流直接通过接地保护环流入地线。

消除电源变压器的漏电引起的干扰：

将变压器真空浸漆或用环氧树脂灌封。

信号输入端漏电引入的干扰：

信号源远离220V电源进线端子，并在它周围设置接地保护端子。

（2）由共阻抗耦合引起的干扰

共阻抗：

当两个或两个以上的电路共同享有或使用一段公共的线路,而这段线路又具有一定的阻抗时,这个阻抗成为这两个电路的共阻抗。

引起的干扰：

第二个电路的电流流过这个共阻抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压。

常见的例子是通过接地线阻抗引入的共阻抗耦合干扰。

此干扰也为差模干扰采取的措施：

将地线分开设置。

（3）由电源配电回路引入的干扰

产生的原因：

交流供配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各种干扰的网络,而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处，经检测装置的电源线进入仪器内部造成干扰。

最明显的是电压突变和交流电源波形畸变，它使工频的高次谐波（从低频一直延伸至高频）经电源线进入仪器的前级电路。

例如，由调压或逆变电路中的晶闸管引起的大功率高次谐波干扰；又如开关电源经电源线往外泄漏出的几百千赫兹尖脉冲干扰。

2．通过场的干扰

工业现场各种线路的电压、电流的变化反映在其对应的电场、磁场的变化，各种噪声源通过这些场的途径将噪声源的部分能量传递给检测电路，造成干扰。

（1）由电场耦合引起的干扰：

电场耦合实质上是电容性耦合。

采取的措施：

必须减小两者间的分布电容；必须尽量保持电路和信号线的对地平衡；布线时，多采用双绞扭屏蔽线。

（2）由磁场耦合引起的干扰

磁场耦合干扰的实质是互感性耦合干扰。

防止磁场耦合干扰途径的办法有：

使信号线远离强电流干扰源，从而减小互感量M；采用低频磁屏蔽，从而减小信号线感受到的磁场；采用绞扭导线使引入到信号处理电路两端的干扰电压大小相等、相位相同，使差模干扰转变成共模干扰。

3、共模干扰与串模干扰

如果干扰源对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同,就属于共模干扰。

由于“仪用放大器”的共模抑制比KCMR较大,所以共模干扰可以被抑制。

但当系统两个输入端出现很难避免的不平衡时,共模电压的一部分将转换为串模干扰，就较难消除了。

举例说明

热电偶引线与220V电源线靠得太近将引起电场偶合干扰。

如果UNi对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同,就属于共模干扰。

第三节几种电磁兼容控制技术

【本节内容设计】

通过课件与教师讲授几种电磁兼容控制技术：

屏蔽技术、接地技术、电源滤波、光电耦合技术的应用，为实际工程测量与检测做知识与技能的储备

【授课内容】

抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术。

可采用破坏干扰途径和削弱检测系统电路对干扰的敏感性等方法，常用的抗干扰措施有屏蔽、接地、浮置、滤波、光电隔离等技术。

一、屏蔽技术

利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。

屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。

根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。

屏蔽措施有静电屏蔽、低频磁屏蔽、电磁屏蔽

1.静电屏蔽

静电屏蔽是用铜或铝（有些设备虽然用工程塑料做外壳），但内部贴有金属薄膜）等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反之，内部电路产生的电力线也无法影响外电路。

静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。

2.低频磁屏蔽

低频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合干扰的有效措施。

静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。

必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。

有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。

将屏蔽线穿在铁质蛇皮管中起到双重屏蔽的作用。

3.电磁屏蔽

电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。

它屏蔽的干扰对象是高频（40kHz以上）磁场。

干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。

其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。

二、接地技术

（一）地线的种类

接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。

这种地线也称为“保安地线”。

它的接地电阻值必须小于规定的数值。

对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。

它可以接大地，也可以与大地隔绝。

通常将仪器设备的公共参考端称为信号地线。

信号地线分为模拟信号地线、数字信号地线、信号源地线、负载地线。

1.模拟信号地线

是模拟信号的零信号电位公共线。

因为模拟信号电压多数情况下均较弱、易受干扰，易形成级间不希望的反馈，所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。

2.数字信号地线

数字信号地线是数字信号的零电平公共线。

由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜，否则会严重干扰模拟信号的测量结果。

图示为数字电路干扰模拟电路的例子。

该图错误地将数字面板表的电源负极（有较大的数字脉冲电流）与被测电压（易受干扰的模拟信号）的负极在数字面板表的接插件上用一根地线连接到印制电路板上，就会使数字面板表的示值跳动不止。

如果将数字电路的地线与模拟电路的地线分开设置就能有效地消除这种干扰。

正确接法如图红线所示。

3.信号源地线

传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较为微弱，通常传感器安装在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的公共参考端就是信号源地线，它必须与测量装置进行正确的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。

4.负载地线

负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。

例如，若误将喇叭的负极（接地线）与扩音机话筒的屏蔽线碰在一起，就相当于负载地线与信号地线合并，可能引起啸叫。

又如当负载是继电器时，继电器触点闭合和断开的瞬间经常产生电火花，容易反馈到前级，造成干扰，因此应正确连接。

（二）一点接地原则

对于模拟信号地线、数字信号地线、信号源地线、负载地线等几种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，也必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，才能消除各地线之间的干扰。

1.单级电路的一点接地原则

1—接线端2—印制板安装孔3—接地母线4—高频变压器屏蔽外壳接地点

考虑到加工工艺，在实际的印制电路板设计中，只能做到各接地点尽量靠近、并加大地线的宽度。

2.多级电路的一点接地原则

若将多级电路的地线逐级串联，在最后一段地线上将存在一定的对地电位差，有可能产生共阻抗耦合干扰，应采取并联接地方式，才不易产生级与级之间的相互干扰。

注意：

只有频率为1MHz下才予以使用。

高频时采用3.大面积接地。

设计多级电路的地线应注意以下两个原则：

一是公用地线截面积应尽量大些，以减小地线的内阻，二是应把电流最大的电路放在距电源的接地点最近的地方。

举例

大面积接地

当频率较高时，应采取大面积的地线，这时允许“多点接地”，这是因为接地面积十分大，内阻很低，事实上相当于一点接地，不易产生级与级之间的共阻耦合。

3、检测系统的一点接地原则

将检测系统的一次仪表和二次仪表安装到工厂时，出现测量数据跳变，涉及到检测系统的一点接地。

产生的原因是：

（1）大地电位差：

在工业现场接地电气设备多，大地出现电位差

（2）若将传感器及二次仪表的零电位参考点在安装地点分别接大地，因大地电位差，产生大地换流

（3）检测系统接地方案1屏蔽线的屏蔽层应接传感器的地线，而不允许屏蔽层两端接地。

（4）浮置电路：

二次仪表电路未接信号线之前，与大地之间没有任何导电性的直流电阻联系，上述方案1中二次仪表属于此类情况。

有许多传感器采用两线制电流输出形式，它的两根信号线均不接大地。

如果这时二次仪表也采用浮置电路，容易出现静电积累现象，易产生电场干扰。

（5）在这种情况下多采用二次仪表测公共参考端接地的方案。

即检测系统接地方案2

此种情况下，检测系统仍然符合一点接地原则。

在二次仪表与计算机相连接的情况下，由于计算机的公共参考端已被接金属机箱，并通过保安地线接大地，所以这时二次仪表的零电位端（公共参考端）也就通过计算机接大地了。

在这种情况下，传感器的公共参考端绝对不应再接地，否则会产生大地环流，造成干扰。

此电路为两线制，二次仪表浮置，静电积累造成干扰，正确接法如电路中的红线

三、滤波技术

滤波器是抑制交流差模干扰的有效手段之一。

有RC滤波器和LC滤波器等几种。

1、RC滤波器：

当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果。

采用两级，差模干扰衰减更明显。

a）单节RC滤波器与放大器的连接b）双节RC滤波器c）低通滤波器图形符号d）频率特性

2.交流电源滤波器

电源网络吸收了各种高、低频噪声，对此常用LC滤波器来抑制混入电源的噪声。

图中的100H电感、0.1F电容组成高频滤波器，用于吸收从电源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰；图中两只对称的5mH电感是由绕在同一只铁心两侧、匝数相等的电感绕组构成的，称为共模电感，用于吸收因电源波形畸变而产生的谐波干扰；图中的压敏电阻用于吸收因雷击等引起的浪涌电压干扰。

用户可根据需要，选择内部包含一级LC或两级甚至三级LC的电源滤波器。

使用时外壳需要良好接大地。

结论：

购买开关电源、UPS、变频器或电子调压器，必须查明是否串有合格的LC滤波器，是否符合国家电磁兼容标准，否则会传送电磁干扰。

3.直流电源滤波器

直流电源往往为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰，应在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器。

下图中的电解电容用来滤除低频噪声，电解电容旁边并联一个0.01~0.1F的磁介电容或独石电容，用来滤除高频噪声。

四、光电耦合技术

目前检测系统越来越多地采用光耦合器，也称光电耦合器或光耦，它可较大地提高系统的抗共模干扰能力。

（一）光耦合器

1、光耦合器的原理

光耦合器是一种电→光→电耦合器件，它的输入量是电流，输出量也是电流，可是两者之间从电气上看却是绝缘的，输入、输出回路的绝缘电阻可高达1010、耐压超过1kV。

光耦中的发光二极管一般采用砷化镓红外发光二极管，而光敏元件可以是光敏二极管、三极管、达林顿管，甚至可以是光敏双向晶闸管、光敏集成电路等。

2、光耦合器的特点：

1）输入、输出回路绝缘电阻高（1010、耐压超过1kV）

2）光的传输是单向的，所以输出信号不会反馈和影响输入端。

3）输入、输出回路在电气上是完全隔离的，很好地解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离和传输之间的矛盾。

（二）光耦的隔离、传输作用举例

下图是用光耦传递信号并将输入回路与输出回路隔离的电路。

光耦的红外发光二极管经两只限流电阻R1、R2跨接到三相电源路中。

当交流接触器未吸合时，光敏三极管VL1的电流为零，截止，Ue为低电平，反相器Uo为高电平。

继电器吸合后，流过光耦中的红外发光二极管VＬ1的电流不为零、导通，以及Ue为高电平，Ｕo的低电平，输出方波，单片机工作。

【知识小结】:

通过对以下知识的学习

1．了解测量和间接测量的区别；

2．了解绝对式和增量式角编码器的原理；掌握两种编码器的分辨力计算

3．掌握光栅的原理和变向技术与细分技术计算；

4．了解光栅、磁栅、容栅传感器的原理和应用

为实际检测和测量工程作知识与技能储备。

【教学后记】:

通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习.

【板书设计】:

如下

第一节干扰源及防护

一、机械干扰

二、湿度及化学干扰

三、热干扰

四、固有噪声干扰

五、电磁干扰

第二节检测技术中的电磁兼容原理

一、电磁兼容概念

二、电磁干扰来源

三、电磁干扰的传播途径

路干扰

场干扰

第三节几种电磁兼容控制技术

一、屏蔽技术

二、接地技术

三、电源滤波技术

一点接地原则

四、光电耦合技术

【知识小结】