第2章耦合途径和电缆的屏蔽

.,1,干扰的耦合途径和电缆的屏蔽Couplingwayofdisturbanceandshieldofcable徐义亨2012年5月,.,2,电缆之所以重要是因为它不仅是控制系统中最长的部分，容易通过近场的耦合对控制系统产生干扰；而且它还类似于一根拾取和辐射噪声的高效天线。本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合和电缆的三种屏蔽：1）电容性耦合和静电屏蔽。它起源于线路间电场的相互作用。2）电感性耦合和电磁屏蔽。它起源于线路间磁场的相互作用。3）电磁场耦合和辐射屏蔽。它是电场和磁场相结合的混合作用的耦合。故也被称为电磁耦合或辐射耦合。,.,3,1电容性耦合噪声和其抑制方法,电压源,负载,简化为,.,4,1.1耦合机理两导线间的电容性耦合如图所示。Cs为噪声导体（如电源线）和受感应导体（如信号线）间的分布电容，CL为受感应导体的对地电容，RL为受感应导体的总电阻值，Z为CL和RL的并联阻抗。US为噪声电压，设Un为感应的噪声电压。,.,5,电容性耦合的等效电路可以作为噪声导体的包括：交流低压电源、视频、高频通信线等。,Un,.,6,利用Cs和Z之间的分压公式就可以求出在受感应导体和地之间产生的感应噪声电压Un为：当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时，则为:感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电阻值RL、分布电容Cs以及噪声电压US。,.,7,当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则为:因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为,.,8,当RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，感应的噪声电压正比于CS和CL的比值，和噪声电压的频率无关。感应的噪声电压的频率特性如图所示。,.,9,1.2电容性耦合的抑制措施,电容性耦合噪声的大小，正比于下列因素：1）噪声电压；2）噪声频率；3）两导体间的分布电容；4）受感应体的对地阻抗。上述的诸因素中，噪声电压、噪声频率、受感应体的总电阻值往往是不可控的。所以抑制电容性耦合的最基本方法是减少与噪声导体间的分布电容。而减少两导体间的分布电容的最简单的方法就是加大与噪声导体之间的距离。,.,10,1.3电容性耦合和距离的关系,两根直径分别为d1和d2，间距为D的平行导线间,当D远大于d1和d2时，其分布电容Cs为：Cs=2/ln(D/d1d2)(F/m)式中：自由空间的介电常数，其值为8.8510-12F/m。由此可见：1)减少两导体间的分布电容的最简单的方法是加大与噪声导体之间的距离D和减小线径d。2)在选择线径d时，不宜过大。,.,11,一个实例,AC100V50Hz,.,12,所以，为什么在工业现场，不允许将信号线和交流电源线设在同一根电缆里，而且还需要将信号线和电源线以及高频信号线等保持一定的距离。但有时候受条件限制，无法用加大与噪声导体之间的距离来减少两导体间的分布电容时，此时采用静电屏蔽的方法是十分有效的。,.,13,1.4屏蔽对电容性耦合的影响,.,14,屏蔽层不接地时,Us,Cs,CL,屏蔽层,芯线,Ces,.,15,当受感应导线的外层包了屏蔽层后，设屏蔽层的对地电容为CL,如果屏蔽层不接地，受感应导线的对地阻抗无限大，受感应导体和屏蔽层之间的分布电容Ces上没有电流，作用在屏蔽层上的感应噪声电压Un为由于静电感应。则受感应导体上接受到的噪声电压就是屏蔽体上所感应的噪声电压。,.,16,电缆的静电屏蔽,如果屏蔽体接地，因为屏蔽层上的电压为零，所以受感应导体上的噪声电压也为零。由于受感应导线不可能全部封闭在屏蔽体内（包括导体两端外露和编织屏蔽层的空隙）,所以实际情况要复杂一些。为了获得良好的电场屏蔽，需要做到：1）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度（猪尾巴效应）；2）为屏蔽层提供一个良好的接地。,.,17,主动屏蔽和被动屏蔽,这里,我们讨论的是受感应导体屏蔽的情况（被动屏蔽）。如果我们将噪声导体进行屏蔽并接地（主动屏蔽）,同样可以起到抑制电场耦合的作用。所以在工业现场，无论是电源电缆，或者是信号电缆，都应采用屏蔽型电缆。主动屏蔽比被动屏蔽还重要。,.,18,采用屏蔽的效果要比拉开间距显著,90m,示波器,.,19,上图是一个比较屏蔽和拉开间距的效果的试验例子。干扰源是采用两个并联的继电器，当用开关S将通电的继电器线圈突然断开时，线圈所产生的反冲电压可达1000V以上。这种反冲电压波形的前沿具有很大的变化速率，由此在导线上所产生的电力线改变的速率也非常高。这是一个含有相当高频率成分的噪声源。此外，接点间的火花放电也产生频谱很宽的噪声。由实验可知（实验数据见后表），用编织网进行屏蔽的话，感应出的噪声很小。若用增加两线间的距离d，还是能感应出几十伏的噪声电压。所以，静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比拉开间距减小分布电容的效果来得显著。,.,20,.,21,2电感性耦合噪声和其抑制方法,2.1耦合机理从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈不动，周围的磁力线发生变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。一根导线，当流过它的电流大小发生变化时，在其周围就会产生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会在回路中感应出电动势和感应电流。这两部分通过磁力线形成的耦合，其程度可用互感M来表示。,.,22,.,23,噪声源电压为Ui，Ui在导体Z1回路上产生的电流为I，则在Z2回路上产生的感应电压为：UN=jMI或UN=Mdi/dt由式可见，电感性耦合的噪声大小正比于A.噪声源回路的电流I变化率di/dt；B.互感M。一般而言，噪声源回路的电流I变化率是不可控的，有效的方法是如何减小互感M。减小互感M的方法有：A.拉开回路之间的耦合距离，包括回路之间的相对位置；B.尽可能减小噪声回路和感应回路的环路面积；此外，采用电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。,.,24,一个实例,例：某信号线与电压为220VAC、负荷为10kVA输电线的距离为1米，并平行走线10米，两线之间的互感为4.2H，则信号线上感应的干扰电压为UN=MI=23.14500.000004210000/220=59.98mV当信号电压为（15）V的信号，这个干扰电压的大小即相当于增加了1.5%的误差。,.,25,2.2回路之间的相对位置与耦合程度的关系,噪声回路,感应回路,.,26,.,27,一般而言：两个回路的平面相互垂直比平行其耦合要小。两个回路的环形面积愈小愈好。,.,28,2.3对作为噪声源的同轴电缆施行的电磁屏蔽,图所示的导线AB流过电流时，便成为向外界发出磁通的噪声源。,.,29,如果对导线AB增加屏蔽体，并按图连接。电流在流经负载后，全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源的地。由于流过屏蔽体上的电流也产生磁通，且与导体产生的磁通大小相等而方向相反，这样在屏蔽体的外面，不存在磁通，即导线AB被电磁屏蔽了。,.,30,如果将干扰源和负载都接地,当信号源和负载都接地时，由于流过屏蔽体的电流I2小于导线AB内的电流I，所以I2所产生的抵消磁通也比原来的小。然而，屏蔽体有一个重要的特性参数，即截止频率c=Rs/Ls，其中Rs和Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。,.,31,如果沿屏蔽体和接地环路A-B-C-D-A，可列出方程式：式中M为屏蔽体与中心导体间的互感，其值为M=/I2。而屏蔽体的自感Ls=/I2,包围屏蔽体和中心导体的磁通是相同的，所以M=Ls代入上式整理得：,.,32,由式可知，当导体中流经的电流其频率远大于截止频率c=Rs/Ls时，绝大部分电流流过屏蔽体，屏蔽效果很好。当频率低于5c时，大部分电流从地面返回，屏蔽作用较小（所以低频时，不宜两端接地）。大多数电缆的截止频率在数千赫到数十千赫之间。,.,33,问题：为什么要把屏蔽体做成园筒状？说明：同轴电缆之所以要将屏蔽层制作成园筒状是为了降低Rs，增加Ls，从而降低截止频率c=Rs/Ls，增加可使用的频带宽度。,.,34,2.4同轴电缆作为信号线路施行的电磁屏蔽(即外部已有一个交变的干扰磁场),感应的干扰电流,.,35,几种情况的对比:图a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影响。图b)是加不接地的屏蔽，由于不能减小回路的包围面积，无电磁屏蔽的效果。图c)是加一端接地的屏蔽，也不能减小回路的包围面积。图d)是加屏蔽体两端接地，可以减小回路的包围面积，有电磁屏蔽作用。当然这是有前提的，感应的干扰电流I（不是信号电流）的频率远大于导线的截止频率，否则，大部分返回电流也将从地面回路返回，也不能减小回路的包围面积。,.,36,我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，其实这不是利用屏蔽体的磁屏蔽特性实现屏蔽的，而是将非磁性屏蔽体包在导体周围，并让它成为流经导线返回电流的一个通路，起到使电流的回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小。,.,37,2.5双绞线的电磁屏蔽原理及其应用1）对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽,.,38,2）对信号线实施电磁屏蔽,.,39,双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高（见表）。表中的噪声衰减度系指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线后的干扰磁场值之比。但是，每单位长度的绞合数愈大，耗资也大，从后面的表看，绞距为50mm左右就可以了。由于双绞线使用十分方便，价格较低，屏蔽效果也较好，所以，在工程中常用到它。如果双绞线再加金属编织网就可以克服双绞线易受静电感应的缺点，使其屏蔽效果更好。双绞线和屏蔽双绞线常用于频率低于100kHz的屏蔽。,.,40,几种不同双绞线的效果比较,.,41,2.6同轴电缆和屏蔽双绞线的应用,1）使用的频率范围双绞线和屏蔽双绞线因为有较大的电容，不适用于高频或高阻抗回路。非常适用频率低于100kHz的屏蔽。同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高频乃之超高频的频段。,.,42,2）低频时屏蔽双绞线和同轴电缆的接地方法,均采用单端接地，以避免因地电位差造成的环流，影响屏蔽的效果。,.,43,只有在高频（大于1MHz)时才将屏蔽体两端接地。或者，一端接地，另一端通过小电容再接地。这样，在低频时，电容有较大的阻抗，可认为是一端接地；高频时，电容阻抗变小，则成为两端接地。高频时，由于地电位差在电路中引起的噪声电压，其频率成分主要是工频信号及其谐波，容易被滤去。,.,44,屏蔽双绞线和同轴电缆一端屏接地和两端接地的噪声衰减度比较,如果在实际应用中如需要两端都接地时，应在线路中使用隔离变压器或光电隔离器，以切断对地回路。,.,45,2.7电容性耦合与电感性耦合噪声的比较,.,46,另外，高电压回路，容易成为电容性耦合的噪声源；大电流回路，容易成为电感性耦合的噪声源。电容性耦合噪声对受影响的电路是属于共模噪声；电感性耦合噪声对受影响的电路是属于串模噪声。,.,47,2.8用于防雷的电缆的双层屏蔽,当控制系统遭雷击时，由于静电感应和雷电电磁脉冲的磁场强度非常强大，本章讨论的电缆的屏蔽方法还不足以抑制雷电波的生成。此时，应采用电缆的双层屏蔽:内层单端接地，抑制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合，噪声电流只能在外屏蔽层上流动；两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的。（这部分内容留在第4章控制系统的雷电保护中再作详细讨论。）,.,48,外屏蔽层两端接地的屏蔽原理,Ic,外屏蔽层,.,49,3电磁场耦合噪声和辐射屏蔽,辐射耦合包括：电缆电缆；电缆机壳；机壳机壳。,.,50,3.1近场和远场（感应场和辐射场）辐射源附近称近场，距离大于/2（为电磁波的波长）的地方称远场，这是一种约定。波长和传播速度以及频率的关系如下式所示。=c/f式中：c-传播速度（3108m/s）；f-频率（Hz）。,.,51,例如，10MHz的电磁干扰的远场界区约为5m左右，30MHz的电磁干扰的远场界区约为3m左右，100MHz的电磁干扰的远场界区约为0.5m左右。如果30kHz,近场范围可达1.6公里。在近场中，噪声一般是通过前述的电容性耦合和电感性耦合的方式传播到控制系统中去的。在远场中，对控制系统的干扰是通过能量向四方的辐射方式进行的。,.,52,3.2波阻抗,由上述可知，在近场，干扰的耦合主要是通过电场，或者通过磁场。而在远场，辐射的电磁场在空间的传播是由于电场和磁场的相互作用。例如，在一根导线上流过直流电流，则在导线周围会产生磁力线，而沿导线产生电力线（即电场的方向和磁场的方向是垂直的）。这样就产生了磁场和电场。当电流发生变化，导线周围的磁场和电场也相应发生变化，这种变化在空间中的传播就是电磁波，它的传播速度等于光速。,.,53,最常见的辐射源如无线电广播、通信设备、对讲机、电焊机、晶闸管整流器等高频设备，在工作时会辐射功率很大的电磁波。我们把电场强度E和磁场强度H的比值定义为波阻抗Z，即Z=E/H（欧）式中E电场强度（伏/米）；H磁场强度（安/米）。在远场中，电磁波十分规整，电场和磁场在强度上有固定的比例关系。,.,54,在远场时，波阻抗Z=E/H是一个常数为120，即377欧。所以用场强仪只要测出一个场的强度，另一个场强就可以计算出来。波阻抗Z和离干扰源距离r的关系如图所示。,近场,.,55,对近场而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离。如干扰源为大电流低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗呈低阻抗特性，以电感性耦合的噪声为主。如干扰源为高电压小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗呈高阻抗特性，以电容性耦合的噪声为主。,.,56,令离干扰源的距离和波长之比为式中r-干扰源和观察点之间的距离；-电磁波的波长。在近场时，干扰源主要为电场时波阻抗为：干扰源主要为磁场时波阻抗为：,.,57,3.3电磁场耦合的感应噪声,一根金属导线在辐射的电磁场里，就象一根天线，在导体上会产生正比于电场强度的感应电动势U式中-比例常数，也称天线的有效高度。导线，特别是长的I/O信号电缆、通信电缆和电源电缆等在电磁场中都能接收电磁波而感应出噪声电压。例如当垂直极化波的电场强度为100mV/m时，长度为10cm的垂直导体，可以产生5mV的感应电动势。,.,58,3.4抑制电磁波传播的主要方法辐射屏蔽,抑制电磁波传播的主要方法就是屏蔽，远场中的屏蔽包括如下两个方面：1）用金属屏蔽体把电磁场包容起来，不让它向外扩散（主动屏蔽）；2）对受干扰对象如系统、元件、电缆进行屏蔽，使之不受外界电磁场的影响（被动屏蔽）。屏蔽效果取决于1）频率；2）屏蔽体的几何形状；3）材料性质。,.,59,金属屏蔽体对入射电磁波的衰减过程,.,60,金属屏蔽体的屏蔽效果是透过金属屏蔽体后的电磁波Et和入射波Ei的强度之比。S=20lg(Ei/Et)=A+R+B(dB)式中：Ei-入射波强度；Et-穿透过屏蔽体后的波强度；A-电磁波在屏蔽体内传播中由于感应涡流产生的衰减，称吸收损耗；R-由于反射作用造成的入射波的损耗，称反射损耗；B-因入射波在金属屏蔽体内多次反射造成的损耗（一般可忽略）。,.,61,其中吸收损耗为（dB)式中：t-屏蔽体厚度mm；f-频率MHz；-相对导磁率；G-相对于铜的导电率。在金属材料的导体情况下，反射损耗为可见，反射损耗和屏蔽体厚度无关。（dB),.,62,三种材料的反射损耗曲线,.,63,远场内厚度为0.508mm的铜屏蔽的效果,反射,吸收,.,64,1）在频率不太高的情况下，金属材料的屏蔽效果几乎是由其反射损耗R所决定的。2）反射损耗R随频率增加而降低；而吸收损耗A随频率增加而增加，即低频时的大量衰减是由于反射损耗，而高频时大量损耗是由于吸收损耗。3）最小的屏蔽效果（R和A之和）在中频段。,.,65,请思考一个问题：抑制电磁辐射用的屏蔽层需要接地否？请注意：1）抑制三种不同耦合途径的屏蔽：静电屏蔽；电磁屏蔽；辐射屏蔽。其屏蔽机理、接地方式是不同的。2）静电屏蔽层和电磁屏蔽层均具有辐射屏蔽的功能。,.,66,4外部信号线缆的选择和敷设,信号线缆的选择应从实用、经济和抗干扰这三个方面考虑，其中应以抗干扰能力放在首