模擬傳感器的抗干擾措施

　　一、前言

　　模擬傳感器的應(yīng)用非常廣泛，不論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防建設(shè)，還是在日常生活、教育事業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，處處可見模擬傳感器的身影。但在模擬傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，都有一個(gè)如何使其測(cè)量精度達(dá)到最高的問題。而眾多的干擾一直影響著傳感器的測(cè)量精度，如：現(xiàn)場(chǎng)大耗能設(shè)備多，特別是大功率感性負(fù)載的啟停往往會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過壓（涉縣鋼鐵廠供電電壓在160V～310V波動(dòng)），常常達(dá)到額定電壓的35％左右，這種惡劣的供電有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天；各種信號(hào)線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號(hào)會(huì)受到干擾，特別是信號(hào)線與交流動(dòng)力線同走一個(gè)長(zhǎng)的管道中干擾尤甚；多路開關(guān)或保持器性能不好，也會(huì)引起通道信號(hào)的竄擾；空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì)干擾傳感器的正常工作；此外，現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野外的風(fēng)沙、雨淋，甚至鼠咬蟲蛀等都會(huì)影響傳感器的可靠性。模擬傳感器輸出的一般都是小信號(hào)，都存在小信號(hào)放大、處理、整形以及抗干擾問題，也就是將傳感器的微弱信號(hào)精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(如1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計(jì)制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來的某些問題，即抗干擾問題。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式，設(shè)計(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達(dá)到應(yīng)用模擬傳感器的最佳狀態(tài)。

　　二、干擾源、干擾種類及干擾現(xiàn)象

　　傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析，對(duì)不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則。這種靈活機(jī)動(dòng)的策略與普適性無疑是矛盾的，解決的辦法是采用模塊化的方法，除了基本構(gòu)件外，針對(duì)不同的運(yùn)行場(chǎng)合，儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾、提高可靠性。在進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前，有必要分析影響模擬傳感器精度的干擾源及干擾種類。
1、 主要干擾源
（1）靜電感應(yīng)
靜電感應(yīng)是由于兩條支電路或元件之間存在著寄生電容，使一條支路上的電荷通過寄生電容傳送到另一條支路上去，因此又稱電容性耦合。
（2）電磁感應(yīng) 
當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路中電流的變化就會(huì)通過磁場(chǎng)耦合到另一個(gè)電路，這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導(dǎo)線等。
（3）漏電流感應(yīng) 
由于電子線路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印刷電路板、電容內(nèi)部介質(zhì)或外殼等絕緣不良，特別是傳感器的應(yīng)用環(huán)境濕度較大，絕緣體的絕緣電阻下降，導(dǎo)致漏電電流增加就會(huì)引起干擾。尤其當(dāng)漏電流流入測(cè)量電路的輸入級(jí)時(shí)，其影響就特別嚴(yán)重。
（4）射頻干擾 
主要是大型動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)、操作停止的干擾和高次諧波干擾。如可控硅整流系統(tǒng)的干擾等。
（5）其他干擾 
現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)除了易受以上干擾外，由于系統(tǒng)工作環(huán)境較差，還容易受到機(jī)械干擾、熱干擾及化學(xué)干擾等。
2、干擾的種類
（1）常模干擾
常模干擾是指干擾信號(hào)的侵入在往返2條線上是一致的。常模干擾來源一般是周圍較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，使儀器受周圍交變磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)形成干擾，這種干擾較難除掉。
（2）共模干擾
共模干擾是指干擾信號(hào)在2條線上各流過一部分，以地為公共回路，而信號(hào)電流只在往返2個(gè)線路中流過。共模干擾的來源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差、線路本身具有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾，就較難除掉了。
（3）長(zhǎng)時(shí)干擾
長(zhǎng)時(shí)干擾是指長(zhǎng)期存在的干擾，此類干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長(zhǎng)期存在且變化不大，用檢測(cè)儀表很容易測(cè)出，如電源線或鄰近動(dòng)力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50 Hz工頻干擾。
（4）意外的瞬時(shí)干擾
意外瞬時(shí)干擾主要在電氣設(shè)備操作時(shí)發(fā)生，如合閘或分閘等，有時(shí)也在伴隨雷電發(fā)生或無線電設(shè)備工作瞬間產(chǎn)生。 
干擾可粗略地分為3個(gè)方面：
（a）局部產(chǎn)生（即不需要的熱電偶）；
（b）子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合(即地線的路徑問題)；
（c）外部產(chǎn)生（Bp電源頻率的干擾）。
3、干擾現(xiàn)象
在應(yīng)用中，常會(huì)遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：
（1）發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng)；
（2）信號(hào)等于零時(shí)，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；
（3）傳感器工作時(shí)，其輸出值與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值不吻合，且誤差值是隨機(jī)的、無規(guī)律的；
（4）當(dāng)被測(cè)參數(shù)穩(wěn)定的情況下，傳感器輸出的數(shù)值與被測(cè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈周期性變化的值；
（5）與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備(如顯示器等)工作不正常。
干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類：信號(hào)傳輸通道干擾，干擾通過與系統(tǒng)相聯(lián)的信號(hào)輸入通道、輸出通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾。
信號(hào)傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)器接收反饋信號(hào)和發(fā)出控制信號(hào)的途徑，因?yàn)槊}沖波在傳輸線上會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾，所以在傳輸過程中，長(zhǎng)線的干擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒有內(nèi)阻，無論何種噪聲都會(huì)被電源短路吸收，線路中也不會(huì)建立起任何干擾電壓；此外，交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器本身也是較強(qiáng)的干擾源，它可以通過電源對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾。

　　三、抗干擾的措施

　　1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)
對(duì)傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等。尖峰干擾可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來抑制。 
（1）用硬件線路抑制尖峰干擾的影響 
常用辦法主要有三種：
①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性；
②在儀器交流電源輸入端加超級(jí)隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖；
③在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。
（2）利用軟件方法抑制尖峰干擾 　
對(duì)于周期性干擾，可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波，也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣，從而有效地消除干擾。
（3）采用硬、軟件結(jié)合的看門狗（watchdog）技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響 　
軟件：在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪問一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)，正常程序運(yùn)行，該定時(shí)器不會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì)起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”，則CPU就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問定時(shí)器，因而定時(shí)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)，從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷，保證智能儀器回到正常程序上來。 
（4）實(shí)行電源分組供電，例如：將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分開，以防