2.9干扰及仪表的抗干扰措施-1ppt课件.ppt

2.9干扰及仪表的抗干扰措施用于生产过程的数字显示仪表的可靠性一直是人们关心的主要问题之一。来自于仪表本身或外部的各种干扰，都有可能引起仪表工作的不正常，轻则影响测量结果，致使产品质量下降；重则导致生产事故，造成经济损失甚至危及人身安全。所以，在仪表中要采取各种各样的抗干扰措施。,2.9.1干扰对仪表的影响及干扰源干扰对仪表的影响是多方面的，干扰的来源也是多方面的。了解干扰对仪表的影响以及干扰的来源，对于在仪表的设计、制造和使用中采取抗干扰措施，以便提高仪表的可靠性，具有重要的意义。,1.干扰对仪表的影响干扰定义：就是影响仪表正常工作的各种因素。举例：仪表受到机械震动或冲击（机械干扰）；温度变化（热干扰）；湿度变化（湿度干扰）；受到酸、碱、盐及腐蚀性气体的作用（化学干扰）；受到电磁场的影响等（电磁干扰）；通过采取减振、恒温、防潮和清洁等措施，可以有效地减小前几种因素的影响，所以，电磁场的影响通常是最重要的因素。电磁干扰是本节要讨论的主要内容。,电磁干扰将引起仪表的信号传输线上出现各种各样的无用信号(或称为干扰信号)。仪表受到电磁干扰后，可能会出现某些不正常现象，例如输出不稳定、灵敏度下降、零点移、示值误差增大等，严重时可能使仪表无法正常工作。,2.干扰对仪表的作用形式产生干扰的原因是多种多样的，干扰对仪表的作用点也是变化多端的。根据干扰的来源，可以分为外部干扰和内部干扰。外部干扰来自于仪表外部，包括自然干扰和人为干扰两类。例如，闪电、雷击等均属于自然干扰，而各种电气设备所产生的电磁场、电火花等均属于人为干扰。内部干扰来自于仪表内部，例如电子器件的热噪声、散粒噪声、接触噪声以及电源变压器电磁场的泄露等。根据干扰对仪表的作用方式及其与有用信号的关系，又可以将干扰分为串模干扰和共模干扰两种形态。,1)串模干扰串模干扰又称为差模干扰、常模干扰及横模干扰等，它使仪表的两个信号输入端的电位差发生变化。串模干扰对仪表的作用形式可以用如图2-52所示的两种方式表示，其中，ES表示有用信号电压，ZS表示有用信号源的内阻抗，Zi表示仪表的输入阻抗，EN、IN分别表示串模干扰电压和电流，ZN表示串模干扰源的内阻抗。当ZN较小时，宜用串联电压源的形式；当ZN较大时，宜用并联电流源的形式。根据图2-52可以看出，串模干扰与有用信号按照电压源叠加的形式直接作用于仪表输入端，所以它直接影响测量结果。,图2-52串模干扰等效电路(a)串联电压源形式；(b)并联电流源形式,2)共模干扰共模干扰又称为共态干扰、同相干扰、对地干扰和纵向干扰等。它是相对于公共的电位基准点，同时出现在仪表的两个输入端的干扰。共模干扰的等效电路如图2-53所示，其中，EG表示共模干扰电压，ZG表示共模干扰源的内阻抗。共模干扰虽然不直接影响测量结果，但是，当仪表输入端电路相对于共模干扰源不对称时，它就会转化为串模干扰，造成测量误差。因为共模干扰电压一般比较大，而且它的耦合机理和耦合电路不容易搞清楚，所以共模干扰对测量的影响往往更为严重。,图2-53共模干扰等效电路,3.串模干扰的来源串模干扰的来源主要有交变磁场耦合、漏阻抗耦合、共阻抗耦合与电场耦合等。1)交变磁场耦合根据法拉第电磁感应定律可知，当闭合回路中穿过交变的磁通时，将会在闭合回路内产生感应电势。一个通过交变磁场耦合引起串模干扰的例子如图2-54所示。,图2-54交变磁场耦合引起串模干扰示意图(a)交变磁场耦合示意图；(b)等效电路,热电偶的测温热电势被送入显示仪表，进行温度显示。当信号传输线附近有大功率的交流电气设备时(例如大功率变压器、交流电动机、高频感应加热炉等)，在这些大功率电气设备周围就会存在较强的交变磁场，穿过信号传输线回路的磁通就会随之改变，于是就产生了感应电势EN，EN即为串模干扰电压。,2)漏阻抗耦合由于仪表中元件支架、接线柱、印制电路板及外壳等绝缘不良，使流经漏电电阻(绝缘电阻)的漏电流窜入仪表的输入级时，就会引起串模干扰。漏阻抗耦合引起串模干扰的示意图如图2-55所示，其中，UN表示干扰源电压，IN表示流经漏电电阻Ra的漏电流，Zi表示仪表的输入阻抗。,图2-55漏阻抗耦合引起串模干扰示意图,根据图2-55可知，在仪表输入阻抗两端产生的串模干扰电压为,(2-84),结论：对于高输入阻抗放大器，在其输入端必须加强绝缘。不仅输入信号线要短，要用接地的屏蔽线包裹起来，并且还要尽量远离诸如供电电源、输出级及其它大信号元件及走线，否则就会通过漏阻抗耦合产生严重的串模干扰。,3)共阻抗耦合共阻抗耦合干扰是由于两个以上的电路存在共有阻抗，其中任何一个电路的电流都会在共有阻抗上产生压降，从而成为其它电路的干扰电压。其大小与共有阻抗的阻值及干扰源的电流成比例。(1)通过电源内阻的共阻抗耦合干扰。仪表中的多个电路往往都共用一个直流稳压电源。但是，直流稳压电源的内阻不可能等于零，而且电源引线也存在着导线电阻和寄生电感，这就成为各部分电路的共有阻抗，以致各电路之间互相干扰。,(2)通过公共接地线阻抗的共阻抗耦合干扰。仪表的各个电路都有自己的地线，如果这些地线不是一点接地而是多点接地，各个电路的电流就会流经公共地线，在公共地线的导线电阻上产生压降，成为其它电路的干扰电压。如图2-56所示，交流电压经整流后，其中的交流成分主要通过滤波电容Cb到地，于是在A、B两点之间的导线电阻上产生了压降EN，EN与信号电压ES相串联，造成了串模干扰。,图2-56共阻抗耦合引起串模干扰示意图,4)电场耦合电场耦合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路，因此又称为电容性耦合。电场耦合引起串模干扰示意图如图2-57所示,图2-57电场耦合引起串模干扰示意图(a)两平行导线之间的电场耦合；(b)等效电路,电场耦合串模干扰电压计算两根平行导线1和2之间存在寄生电容C12，它们对地之间的寄生电容分别为C1G和C2G，导线2的对地电阻为R。假设导线1上存在着对地电压U1，角频率为，那么，通过电场耦合，在导线2上产生的干扰电压约为,UN=jRC12U1(2-86)由此可见，干扰电压UN与R、C12、U1以及成正比。因此在设计仪表时应尽量减小R和C12，以减小因电场耦合而引起的串模干扰。,4.共模干扰的来源共模干扰的来源主要有设备漏电、地电位差、线路本身具有共模电压以及变压器容性漏电等。1)设备漏电图2-58(a)所示为热电偶测量电炉内温度的结构示意图。因为耐火砖和氧化铝材质的热电偶套管的绝缘性能随着炉温的升高而下降，加热电流泄漏到耐火砖及热电偶套管，又从热电偶套管泄漏到热电偶丝上。这样，在热电偶与地之间就会出现干扰电压，此干扰电压即共模干扰，等效电路如图2-58(b)所示。,图2-58设备漏电引起共模干扰示意图(a)热电偶测量电炉内温度；(b)等效电路,2)地电位差在远距离测量中，传感器与测量仪表若不是一点接地，而是分别接地，传感器处的地电位与测量仪表处的地电位不相等，就会因地电位差而形成共模干扰。3)电路本身具有共模电压如图2-59所示，在测量不平衡电桥的输出电压UAB时，两个输出端对地具有共模干扰电压EG。,图2-59线路本身具有共模电压引起共模干扰示意图(a)测量桥路；(b)等效电路,4)变压器容性漏电使用交流电供电的测量仪表，通常都需要采用变压器将220V的工频电降压后再整流稳压，结构示意图如图2-60(a)所示。其中C1为变压器一次绕组对机壳的寄生电容，C2为变压器一次绕组与二次绕组之间的寄生电容，C3为变压器二次绕组对机壳的寄生电容。变压器容性漏电形成的共模干扰等效电路如图2-60(b)所示。,图2-60变压器容性漏电引起共模干扰示意图(a)结构示意图；(b)等效电路,5.干扰的抑制各种干扰都能够对仪表产生不良的影响，抑制干扰不仅是仪表设计的重要课题，也是生产制造及装配调试时的关键技术之一。就干扰的形成来说，必须具备三个要素，即干扰源、被干扰的对象(仪表)以及干扰的耦合通道。这三个要素之间的关系如图2-61所示。,图2-61形成干扰的三要素之间的关系,为了抑制干扰，首先必须对干扰有深刻的了解，即要分析干扰的来源、性质、耦合途径和方式以及引起干扰的位置，以便有针对性地采取措施来抑制干扰。消除干扰源是抑制干扰的最根本的措施，但实际上有些干扰源是难以消除甚至是不能消除的。这就必须采取其它措施来抑制这些干扰，诸如阻断干扰的耦合途径、提高仪表的抗干扰能力等。,2.9.2串模干扰的抑制对于串模干扰，常见的抑制方法有如下几种。1.采用双绞线传输信号交变磁场耦合产生的干扰电压的大小，除了与交变磁场的幅度和变化率有关外，还与磁场穿过的信号线回路的面积有关。采用双绞线传输信号时，不仅能够有效地缩小回路面积，还可以使相邻两个“扭结”的感应电势大小相等、方向相反，使总的感应电势为零。,2.采用滤波器采用滤波器是一种应用非常广泛的干扰抑制技术。滤波器只允许某一频带的信号通过，或只阻止某一频带的信号通过。一般，有用信号的频带较窄而干扰的频带较宽，采用带通滤波器只让有用信号频带内的成分通过，可以大大降低通频带以外的干扰成分的影响。对于那些带宽较窄且位于有用信号频带内的干扰成分，可以采用带阻滤波器减小其影响。,滤波器主要用来对电源和信号进行滤波。滤波方式可以分为无源滤波、有源滤波和数字滤波。无源滤波和有源滤波皆属于硬件滤波，数字滤波属于软件滤波。与硬件滤波相比，数字滤波具有成本低、可靠性高、灵活方便等特点，从而获得了越来越多的应用。,1)电源滤波电源滤波主要采用无源滤波方式。包括交流电源进线端滤波和直流电源输出端滤波。(1)交流电源进线端滤波。交流电网可以看做一个巨大的接收天线，它拾取了各种各样的高、中、低频干扰。任何使用交流电供电的仪表，干扰都会经过电源线传导进入到仪表屏蔽层(外壳)内，进而通过寄生电容等耦合到测量电路中，对仪表工作造成影响。为了抑制这种干扰，在交流电源进线端之间加装滤波器是十分必要的。抑制高、低频串模和共模干扰的对称滤波器如图2-62所示，为了增强滤波效果，它们还经常结合在一起使用。,图2-62交流电源进线端滤波器(a)抑制高频串模干扰；(b)抑制高频共模干扰；(c)抑制低频串模干扰；(d)抑制低频共模干扰,(2)直流电源输出端滤波。在仪表中，直流电源往往对几个电路同时供电，为了减小电源内阻在各电路之间形成的干扰耦合，可以在直流电源输出端加装滤波器，如图2-63所示。也可以在每个电路的直流电源进线与地之间加装退耦滤波器，如图2-64所示。,图2-63直流电源输出端滤波器(a)高频滤波器；(b)低频滤波器,图2-64电源退耦滤波器(a)RC退耦滤波器；(b)LC退耦滤波器,2)信号滤波在获取信号和传输信号的过程中，可能会受到干扰。为此，通常需要对信号进行滤波。对信号进行滤波时既可以采用无源滤波方式，也可以采用有源滤波方式，还可以采用数字滤波方式。有时候还混合使用，以便取得更好的滤波效果。,(1)无源滤波方式。无源滤波方式通常采用RC滤波器，必要时甚至采用多级RC滤波器，也可以采用LC滤波器。选择滤波器参数时一般主要考虑抑制50Hz的工频干扰。常见的RC滤波器有“L”形和双“T”形两种，如图2-65所示。对于“L”形滤波器来说，要想提高滤波效果，可以增大电容C和电阻R。但是，前者会使电容的体积增大，后者会增大对有用信号的衰减，降低仪表的灵敏度。双“T”形滤波器采用的电阻值比较小，对有用信号的衰减也就小，但参数调整困难，给生产带来不便。,图2-65RC滤波器(a)单级“L”形滤波器；(b)双“T”形滤波器,(2)有源滤波方式。有源滤波方式采用的有源滤波器是由运放和RC网络组成的，与无源滤波器相比，它能够对信号提供一定的增益和缓冲，不用电感元件，所以具有线性特性，且损耗和体积都比较小，但是它的带宽有限。有源滤波器有低通、高通、带通、带阻和移相五种类型。典型的二级低通有源滤波器如图2-66所示。,图2-66典型的二阶低通有源滤波器,(3)数字滤波方式。在微机化数字仪表中可以采用数字滤波方式，它是利用计算机程序实现对信号的滤波的。这种方式在抑制低频干扰和随机出现的尖脉冲干扰方面具有明显的优势。工业自动化中常用的数字滤波方法有算术平均值法、中值法和加权平均法等，其特点如表2-7所示。,3.采取屏蔽措施屏蔽技术是抑制电、磁场干扰的重要措施，其目的是隔断“场”的耦合，从而抑制各种场的干扰。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽三种。1)静电屏蔽由静电学知道，处于静电平衡状态下的导体内部各点等电位，即在导体内部没有电力线。因此，若将金属屏蔽盒接大地，则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒而进入内部。前者可以使被屏蔽的电路不成为其它电路的干扰源，后者可以使被屏蔽的电路不受其它电路的干扰。,2)电磁屏蔽电磁屏蔽是采用良导体做成屏蔽盒，屏蔽盒外部(或内部)高频电磁场在盒体内产生电涡流，电涡流产生的反向磁场可以抵消屏蔽盒内部(或外部)的高频干扰磁场，从而达到屏蔽的目的。在实际应用中，一般都将电磁屏蔽盒接大地