传感器干扰:传感器的主要干扰源

2021/10/29 19:55 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器干扰:传感器的主要干扰源已关闭评论
摘要:

传感器干扰:传感器的主要干扰源众多的干扰一直影响着传感器的测量精度,如:现场大耗能设备多,特别是大功率感性负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰,工业电网欠压或过压,常常达到额定电压的35%左右,这种恶劣的供电有时长达几分钟、几小时,甚至几天。各种信号线绑扎在一起或走同

传感器干扰:传感器的主要干扰源  第1张

传感器干扰:传感器的主要干扰源

众多的干扰一直影响着传感器的测量精度,如:现场大耗能设备多,特别是大功率感性负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰,工业电网欠压或过压,常常达到额定电压的35%左右,这种恶劣的供电有时长达几分钟、几小时,甚至几天。各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆,信号会受到干扰,特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中干扰尤甚;多路开关或保持器性能不好,也会引起通道信号的窜扰。空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作。此外,现场温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化,腐蚀性气体、酸碱盐的作用,野外的风沙、雨淋,甚至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的可靠性。
沧正压力传感器CAZF-LY51
  主要干扰源
  1、静电感应
  静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容,使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去,因此又称电容性耦合。
  2、电磁感应
  当两个电路之间有互感存在时,一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路,这一现象称为电磁感应。例如变压器及线圈的漏磁、通电平行导线等位移传感器。
  3、漏电流感应
  由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良,特别是传感器的应用环境湿度较大,绝缘体的绝缘电阻下降,导致漏电电流增加就会引起干扰。尤其当漏电流流入测量电路的输入级时,其影响就特别严重。
  4、射频干扰
  主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。如可控硅整流系统的干扰等。
  5、其他干扰
  现场安全生产监控系统除了易受以上干扰外,由于系统工作环境较差,还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。
传感器干扰:传感器的主要干扰源  第2张

传感器干扰:传感器的四种抗干扰技术措施

  传感器抗干扰技术措施有以下几种:
  一、屏蔽技术
  包括静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽、热屏蔽等。
  1.静电屏蔽:静电屏蔽就是用铜或铝等导电性能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,反过来,内部电路产生的电力线也无法外逸去影响外电路。静电屏蔽不但能够防止静电干扰,也一样能防止交变电场的干扰,所以许多仪器的外壳用导电材料制作并且接地。现在虽然有越来越多的仪器用工程塑料(ABS)制作外壳,但当你打开外壳时,仍然会看到在机壳的内壁上粘贴有一层接地的金属薄膜,它起到与金属外壳一样的静电屏蔽作用。
  2.低频磁屏蔽:低频磁屏蔽就是用来隔离低频磁场和固定磁场耦合干扰的有效措施。任何通过电流的导线或线圈周围都存在磁场,客观存在磁场,它们可能对检测仪器的信号线或者仪器造成磁场耦合干扰。为了防止磁场耦合干扰,必须采用高导磁材料作屏蔽层,以便让低频干扰磁力线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。例如,仪器的铁皮外壳就起到低频磁屏蔽的作用。若进一步将外壳接地,以同时起静电屏蔽的作用。
  3.电磁屏蔽:电磁屏蔽也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。它屏蔽的干扰对象不是电场,而是高频(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的能量。其次,电涡流也将产生一个新的磁场,根据楞次定律,其方向恰好与干扰源的方向相反,以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。
  由于无线电广播的本质是电磁波,所以电磁屏蔽也能吸收掉它们的能量,这就是我们在汽车(钢板车身,但并未接地)里收不到电台,而必须将收音机的天线拉出车外的原因。
  若将电磁屏蔽层接地,它可同时兼有静电屏蔽作用,对电磁波的屏蔽效果就更好。通常作为传输线使用的铜质网状屏蔽电缆接地时就能同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。
  二、接地技术
  接地包括安全接地、信号接地、信号源接地、负载接地等。
  接地是保证人身和设备安全、抗干扰的一种方法。合理地选择接地方式是抑制电容性耦合、电感性耦合及电阻耦合,减小或削弱干扰的重要措施。
  检测系统通常由传感器(一次仪表)与二次仪表构成,在实际的工业现场,由于两者相距较远,信号传输线也较长,所以测量的数据会发生跳动、造成误差变大。解决此类问题必须按一点接地原则。所谓一点接地就是指在电路中如果采用多点接地的话,由于各接地点的电位不同就可能形成电路的干扰信号,因此在电路中尽可能的做到一点接地,如果不能实现一点接地,则尽量将接地线加宽,以使各接地点的电位相近,以免形成信号干扰源。
  三、隔离措施
  隔离包括变压器隔离、光电耦合器隔离等。
  隔离是破坏干扰途径、切断耦合通道,从而达到抑制干扰的一种技术措施。
  变压器隔离主要使用在传输交变信号的传输通道中。
  光电耦合器隔离广泛应用于数字接口电路中。目前,在自动检测系统中越来越多的采用光电耦合器来提高系统的抗共模干扰能力。
  光电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,但是输入、输出之间从电气上看却是绝缘的。保证了输入回路和输出回路的电气隔离。
  光电耦合器的主要特点是:输入、输出回路绝缘电阻高(大于1010Ω)、耐压超过1KV;因为光的传输是单向的,所以输出信号不会反馈和影响输入端;输入、输出回路在电气上是完全隔离的,能很好的解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离和传输矛盾。
  四、滤波技术
  滤波技术就是采用相应形式的滤波器将各种干扰信号滤除,使信号传输过程中的干扰信号不进入检测系统。它是抑制干扰的最有效措施之一。滤波技术特别对抑制经导线耦合到电路的干扰,它是一种广泛采用的措施。将相应频带的滤波器接入信号传输通道中,滤除或尽可能衰减干扰信号,以达到提高信噪比,抑制干扰的目的。
  各种滤波器是抑制差模干扰的有效措施之一。在自动检测系统中常用的滤波器有:
  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。
  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。
  在电源和负载之间插入交流电源滤波器之后,可以将几千赫兹至几十兆赫兹范围内的电磁干扰衰减几十倍以上。在干扰环境中工作的计算机、传感器、二次仪表等电器设备的电源最好都要串联交流电源滤波器。在选择交流电源滤波器时主要考虑:一是滤波器的额定电流必须大于该电气设备的工作电流;二是在可预见的频率范围内,对干扰的衰减系数必须符合要求。使用时可根据需要,选择内部包含一级LC或两级甚至三级LC的电源滤波器。在使用时必须良好接地。
  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之间的相互干扰,应在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器。
  对于热干扰、温度干扰、光干扰等其它的干扰也可采用与之相对应的措施,对于热干扰可以采用热屏蔽加以解决;对于温度干扰可以采用温度补偿的方式,以适应工作现场的温度变化。另外,设计的过程中,在选用电器元件、传感器时必须选用性能参数稳定、可靠性高、能适应具体工作现场条件的器件,以保证系统组成后工作的可靠、安全。
  总之,干扰是一个比较复杂的技术问题,要针对不同的技术要求,不同的工作环境,干扰源的种类,干扰的途径等具体情况,在设计过程中充分考虑,采用与之相适应的各种抗干扰措施,使系统可靠正常的工作。(隔离开关熔断器组版权所有)例如在实际设计汽车衡、轨道衡时就采用了屏蔽技术,信号的传输使用了带屏蔽层的多芯电缆线;在系统调零装置中使用了屏蔽技术等,通过相应措施的使用,该系统运行可靠,称量准确。在水泥生产过程中利用皮带称称重的自动配料系统中也采用屏蔽技术、接地技术等抗干扰措施,以保证系统的配料准确。在热处理工艺过程控制中,采用热电偶传感器或热辐射温度传感器作为测量元件,为了保证系统的正常工作,考虑到高温工作环境的影响,在自动检测系统中使用了热屏蔽技术、温度补偿技术、光电耦合技术等,使温度的控制比较准确,零部件的热处理工艺也达到了技术要求。

传感器干扰:传感器的主要干扰源  第3张

传感器干扰:模拟传感器容易受到干扰,该怎么处理?有哪些办法?

模拟传感器容易受到干扰,该怎么处理?有哪些办法?
在硬件设计当中,对传感器的信号采集会经常用到,但经常会出现各类干扰,所以这里简单阐述一下,各类干扰原因有哪些
传感器受到干扰的影响
模拟量收到干扰信号后,单片机采集到的信号纹波增大,测量的精度降低。直接决定了项目的成败。
几种干扰的造成原因
1,pcb布板涉及问题,在模拟信号走线时,没有用模拟地包裹模拟信号,甚至有可能信号线然后直接走了电源线,这种就很容易受到干扰,
解决方案:是布板时,将GND包裹住模拟信号线。如果有模拟GND和数字GND,则需要进行分开连接,并使用0欧电阻进行级联。
2 ,原理设计问题。 模拟信号的采集芯片供电系统文波过大,其滤波电路没有涉及合理,隔离电路没有做到位,滤波电路没有紧靠器件等。
解决方案:保证供电电压文波,滤波电路需要靠近芯片或者传感器;
3,器件布局的问题,假如有对应的无线模组如2G/4G/Wifi/nbio/zigbee等通信模组时,如果设计时布局位置不合理,其发射的无线信号对模拟量将会有很大纹波,更有可能辐射会对单片机的供电系统,复位电路的电平都造成影响。出现重启,关机,死机等不良现象。
解决方案:如天线是板载天线,则天线周边需要镂空,辐射的方向要向外,传感器与传输模块要进行分开放置,有条件传感器可以安装屏蔽罩。
几种对干扰控制严格的领域
1, 医疗行业,为了能够采集人体各类参数,会使用非常多的传感器,而人体很多的参数都很小,所以需要对信号进行放大,如胎心仪,心电监护仪,如果在电路设计中,文波干扰源过大,则不能得到正常的波形和赋值,项目直接就失败了。
2,仪器仪表行业 ,我们常用的万用表,示波器,会需要测量各类外接的数字量模拟量,本来就是用来测量外接信号源,经常会需要测量uA级别电流和mA电压,如果文波过大,覆盖了正常型号,那性能就直线下降。很多场合需求就不可用了。
这样的应用还很多很多,这里就不再举例说明。
总结
信号干扰的原因各种各样,根据项目的不同而各有差异,所以在设计原理图和pcb画板时,要综合考虑电源,滤波,辐射,布局,工频等因素。合理设计。
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传感器干扰:电子电路设计解惑篇,如何解决传感器电子电路设计中的干扰问题

电子电路设计应用广泛,对于电子电路设计,很多朋友都存在浓厚兴趣。在进行电子电路设计过程中,设计人员总会遇到各种电子电路设计难点,如干扰。为帮助大家提供解决电子电路设计中的抗干扰设计问题,本文将对电子电路的抗干扰问题予以解析。如果你对本文即将探讨的内容存在一定兴趣,不妨继续往下阅读哦。
一、基于传感器电子电路的抗干扰问题予以解析
传感器电路通常用来测量微弱的信号,具有很高的灵敏度,如果不能解决好各类干扰的影响,将给电路及其测量带来较大误差,甚至会因干扰信号淹没正常测量信号而使电路不能正常工作。
在此,研究了传感器电路设计时的内部噪声和外部干扰,并得出采取合理有效的抗干扰措施,能确保电路正常工作,提高电路的可靠性、稳定性和准确性。
传感器电路通常用来测量微弱的信号,具有很高的灵敏度,但也很容易接收到外界或内部一些无规则的噪声或干扰信号,如果这些噪声和干扰的大小可以与有用信号相比较
那么在传感器电路的输出端有用信号将有可能被淹没,或由于有用信号分量和噪声干扰分量难以分辨,则必将妨碍对有用信号的测量。
所以在传感器电路的设计中,往往抗干扰设计是传感器电路设计是否成功的关键。
1 传感器电路的内部噪声
1.1 高频热噪声
高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。
温度越高,电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动,因其是无序运动,故它的平均总电流为零,但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后,其内部的电流就会被放大成为噪声源,特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。
通常在工频内,电路的热噪声与通频带成正比,通频带越宽,电路热噪声的影响就越大。在通频带△f内,电路热噪声电压的有效值:
传感器电路抗干扰设计方案
以一个1 kΩ的电阻为例,如果电路的通频带为1 MHz,则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290 K)。
看起来噪声的电动势并不大,但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时,其输出噪声可达4 V,这时对电路的干扰就很大了。
1.2 低频噪声
低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。
特别是碳膜电阻,其碳质材料内部存在许多微小颗粒,颗粒之间是不连续的,在电流流过时,会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化,产生类似接触不良的闪爆电弧。
另外,晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近,也与晶体管的掺杂程度有关。
1.3 半导体器件产生的散粒噪声
由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变,从而显现出电容效应。
当外加正向电压升高时,N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动,相当于对电容充电。当正向电压减小时,它又使电子和空穴远离耗尽区,相当于电容放电。
当外加反向电压时,耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时,这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动,从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。
1.4 电路板上的电磁元件的干扰
许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件,在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量,其能量会对周围的电路产生干扰。
像继电器等元件其反复工作,通断电时会产生瞬间的反向高压,形成瞬时浪涌电流,这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击,从而严重干扰电路的正常工作。
1.5 电阻器的噪声
电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻本身的热噪声。
例如一个阻值为R的实芯电阻,可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。
一般来说,寄生电容为0.1~0.5 pF,寄生电感为5~8 nH。在频率高于1 MHz时,这些寄生电感电容就不可忽视了。
各类电阻都会产生热噪声,一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时,在频带宽度B内所产生的热噪声电压为:
式中:k为玻尔兹曼常数;T是绝对温度(单位:K)。热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数,因此,它的频率范围是很宽广的。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。
另外,电阻还会产生接触噪声,其接触噪声电压为:
式中:I为流过电阻的电流均方值;f为中心频率;k是与材料的几何形状有关的常数。由于Vc在低频段起重要的作用,所以它是低频传感器电路的主要噪声源。
1.6 晶体管的噪声
晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。
热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb'所产生的噪声是主要的。
通常所说的BJT中的电流,只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目,在各个瞬时都不相同,因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动,会产生散粒噪声。
由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。
它与半导体表面少数载流子的复合有关,表现为发射极电流的起伏,其电流噪声谱密度与频率近似成反比,又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。
1.7 集成电路的噪声
集成电路的噪声干扰一般有两种:一种是辐射式,一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至100 MHz以上。
在实验室中,可以用高频示波器(100 MHz以上)观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地引脚之间的波形,会看到噪声尖刺峰-峰值可达数百毫伏甚至伏级。
2 传感器电路的外部干扰
2.1 电源的干扰
大多数电子电路的直流电源是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的。如果电源系统没有经过净化,会对测试系统产生干扰。
同时,在传感器测试系统附近的大型交流电力设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。
此外,雷电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压。如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部,将会干扰其正常工作,影响系统的测试精度。
2. 2 地线的干扰
传感器接口各电路往往共用一个直流电源,或者虽然不共用一个电源,但不同电源之间往往共一个地,因此,当各部分电路的电流均流过公共地电阻(地线导体阻)时便会产生电压降,该电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。
同时,在远距离测量中,传感器和检测仪表在两处分别接地,于是在两“地”之间就存在较大的接地电位差,在仪表的输入端易形成共模干扰电压。
共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。由于线路的不平衡状态,共模干扰会转换成常模干扰,较难除掉。
2.3 信号通道的干扰
通常传感器设在生产现场,而显示、记录等测量装置安装在离现场有一定距离的控制室内,这样需要很长的信号传输线,信号在传输的过程中很容易受到干扰,导致所传输的信号发生畸变或失真。
长线信号传输所遇到的干扰有:
(1)周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰。
(2)信号线间的串扰。当强信号线(或信号变化速度很快的线)与弱信号线靠得很近时,通过线间分布电容和互感产生线间干扰。
(3)长线信号的地线干扰。信号线越长,则信号地线也越长,即地线电阻较大,形成较大的电位差。
2.4 空间电磁波的干扰空间电磁波干扰主要有:
(1)雷电、大气层的电场变化、电离层变化及太阳黑子的电磁辐射等;
(2)区域空间中通信设备、电视、雷达等通过天线发射强烈的电磁波;
(3)局部空间电磁波对电路、设备产生的干扰,如氖灯、荧光灯等气体放电设施产生的辉光放电干扰,弧光放电产生的电波形成的干扰。
二、电子电路设计中的抗干扰问题的抑制传感器电路噪声的几大措施
1. 根据不同工作频率合理选择噪声低的半导体元器件
在低频段,晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题,噪声较大。而结型场效应管因为是多数载流子导电,不存在势垒区的电流不均匀问题。
而且栅极与导电沟间的反向电流很小,产生的散粒噪声很小。故在中、低频的前级电路中应采用场效应管,不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。
另外如果需要更换晶体管等半导体元件,一定要经过对比选择,即使型号相同的半导体器件参数也是有差别的。
同样,电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的,金属膜电阻的噪声比碳膜的要小,特别是在前级小信号输入时,可以考虑用噪声小的金属膜电阻。
2. 根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路
选择适当的放大电路不仅对本级电路有直接影响,对整个电路的工作参数、工作状态都会产生重要影响。
如共射组态连接时,电路有较高的放大增益,同时它的噪声对后级的影响较小。而共集组态时有较高的输入阻抗同时也有较好的频响。
因此根据不同的电路对参数应有不同要求,选择好的电路,不仅可以简化线路结构,同时也可以减少噪声对整个电路的干扰。
在电路性能参数允许的条件下,尽可能采用抗干扰能力较好的数字电路。
3. 传感器电路中加入滤波环节
在放大电路中,频带越宽,噪声也越大,而有用信号的频率往往在一定范围内,故可在电路中加入滤波环节,滤除或尽可能衰减干扰信号,以达到提高信噪比抑制干扰的目的。
滤波技术对抑制经导线耦合到电路的干扰特别有效,将相应频带的滤波器接入信号传输通道中,各种滤波器是抑制差模干扰的有效措施之一。
在自动检测系统中常用的滤波器有:
(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滤波器将会对串模干扰有较好的抑制效果。
(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,例如100μH的电感、0.1 μF的电容组成的高频滤波器能吸收中短波段的高频噪声干扰。
(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相互干扰,应该在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器,用来滤除低频噪声。
4. 通过负反馈电路来抑制噪声
负反馈电路可以通过反馈信号的取样、控制来稳定电路,提高放大器的信噪比,使放大电路的动态性能获得多方面的改善。
负反馈信号可以稳定电路的静态工作点,从而稳定电路的温度、电流、电压等多项参数。在多级电路中,第一级电路因为是原始小信号,因此经常采用的是有较大增益的共射电路组态。
除非是特殊需要,共射组态电路往往是不加负反馈的。所以第一级电路产生的噪声只能通过后级的负反馈电路来抑制。
对于多级电路而言,通过负反馈信号稳定本级的静态工作点,可以抑制本级电路噪声的产生和传播。因此在多级电路中,负反馈电路是抑制噪声的一个重要手段。
5. 抑制和减少输入端偏置电路的噪声
输入端偏置电路噪声一般是由输入端偏置分流电阻产生的。当流过偏置电阻的直流电流过大时就会使能量过剩从而产生电流噪声。
如果选择合适的偏置电路,噪声就可以通过旁路电容短接入地,可以抑制噪声输出,减小对下一级电路的影响。另外优质的信号源也是电路抗干扰的重要保证。
三、电子电路设计抗干扰问题
1.合理布局
合理的电路布局可以减少不同工作频段电路之间的相互干扰,同时也使对干扰信号的滤除变得相对简单。
1.1 地线布置的抗干扰措施
为克服这种由于地线布设不合理而造成的干扰,在设计印制电路时,应当尽量避免不同回路的电路同时流经某一段共用地线。
特别是在高频电路和大电流回路中,更要讲究地线的接法。把“交流地”和“直流地”分开,是减少噪声通过地线串扰的有效方法。
1.2 电源布线的抗干扰措施
在布线时,首先要将交流电源部分与直流电源部分分开,不要共用接地导线,就是把“交流地”和“直流地”分开,减少噪声通过地线串扰。
另外,在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声。
具体配置方法是在电源输入端接一个10~100μF的电解电容,如果印制电路板的位置允许,采用100μF以上的电解电容的抗干扰效果会更好。
在电源线布线时,根据印制电路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。
同时,使电源线、地线的走线和数据信号传递的方向一致,有助于增强抗干扰能力。
1.3 元器件布局的抗干扰措施
(1)抑制电磁干扰。相互可能产生影响或干扰的元器件,应当尽量分开或采取屏蔽措施。要设法缩短高频部分元器件之间的连线,减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰(如果需要对高频部分使用金属屏蔽罩,还应该在板上留出屏蔽罩占用的面积)。易受干扰的元器件不能离得太近。
强电部分(220 V)和弱电部分(直流电源供电)、输入级和输出级的元件应当尽量分开。直流电源引线较长时,要增加滤波元件,防止50 Hz干扰。
扬声器、电磁铁、永磁式仪表等元件会产生恒定磁场,高频变压器、继电器等会产生交变磁场。
这些磁场不仅对周围元件产生干扰,同时对周围的印制导线也会产生影响。
这类干扰要根据情况区别对待,一般应该注意几点:
减少磁力线对印制导线的切割,确定两个电感类元件的位置时,尽量使它们的磁场方向相互垂直,减少彼此间的耦合;
对干扰源进行磁屏蔽,屏蔽罩要良好接地;
使用高频电缆直接传输信号时,电缆的屏蔽层应一端接地。
(2)抑制热干扰。温度升高造成的干扰,在印制板设计中也应该引起注意。在排版设计印制板的时候,应采取措施进行元器件之间的热隔离。
比如对于温度敏感的元器件,如晶体管、集成电路和其他热敏元件、大容量的电解电容器等,不宜放在热源附近或设备内的上部。
电路长期工作引起温度升高,会影响这些元器件的工作状态及性能。
2.屏蔽技术
采用屏蔽技术可以有效防止电场或磁场的干扰。屏蔽又可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。
2.1 静电屏蔽
用铜或铝等导电性良好的金属为材料,制作密闭的金属容器,并与地线连接,把需要保护的电路置于其中,使外部干扰电场不影响其内部电路,反过来,内部电路产生的电场也不会影响外电路。
例如传感器测量电路中,在电源变压器的初级和次级之间插入一个留有缝隙的导体,并把它接地,可以防止两绕组之间的静电耦合。
2.2 电磁屏蔽
对于高频干扰磁场,利用电涡流原理,使高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生电涡流,消耗干扰磁场的能量,涡流磁场抵消高频干扰磁场,从而使被保护电路免受高频电磁场的影响。
若电磁屏蔽层接地,同时兼有静电屏蔽的作用。传感器的输出电缆一般采用铜质网状屏蔽,既有静电屏蔽又有电磁屏蔽的作用。
屏蔽材料必须选择导电性能良好的低电阻材料,如铜、铝或镀银铜等。
2.3 低频磁屏蔽
干扰如为低频磁场,这时的电涡流现象不太明显,只用上述方法抗干扰效果并不太好,因此必须采用采用高导磁材料作屏蔽层,以便把低频干扰磁感线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部,使被保护电路免受低频磁场耦合干扰的影响。
传感器检测仪器的铁皮外壳就起低频磁屏蔽的作用。若进一步将其接地,又同时起静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。
基于以上3种常用的屏蔽技术,因此在干扰比较严重的地方,可以采用复合屏蔽电缆,即外层是低频磁屏蔽层,内层是电磁屏蔽层,达到双重屏蔽的作用。
例如电容式传感器在实际测量时其寄生电容是必须解决的关键问题,否则其传输效率、灵敏度都要变低,必须对传感器进行静电屏蔽,而其电极引出线就采用双层屏蔽技术,一般称之为驱动电缆技术。用这种方法可以有效的克服传感器在使用过程中的寄生电容。
3.接地技术
接地技术是抑制干扰的有效技术之一,是屏蔽技术的重要保证。正确的接地能够有效地抑制外来干扰,同时可提高测试系统的可靠性,减少系统自身产生的干扰因素。
接地的目的有两个:安全性和抑制干扰。因此接地分为保护接地、屏蔽接地和信号接地。保护接地以安全为目的,传感器测量装置的机壳、底盘等都要接地。
要求接地电阻在10 Ω以下;屏蔽接地是干扰电压对地形成低阻通路,以防干扰测量装置。接地电阻应小于0.02Ω;信号接地是电子装置输入与输出的零信号电位的公共线,它本身可能与大地是绝缘的。
信号地线又分为模拟信号地线和数字信号地线,模拟信号一般较弱,故对地线要求较高;数字信号一般较强,故对地线要求可低一些。
不同的传感器检测条件对接地的方式也有不同的要求,必须选择合适的接地方法,常用接地方法有一点接地和多点接地。
3.1 一点接地
在低频电路中一般建议采用一点接地,它有放射式接地线和母线式接地线路。
放射式接地就是电路中各功能电路直接用导线与零电位基准点连接;
母线式接地就是采用具有一定截面积的优质导体作为接地母线,直接接到零电位点,电路中的各功能块的地可就近接在该母线上。
这时若采用多点接地,在电路中会形成多个接地回路,当低频信号或脉冲磁场经过这些回路时,就会引起电磁感应噪声,由于每个接地回路的特性不同,在不同的回路闭合点就产生电位差,形成干扰。为避免这种情况,最好采用一点接地的方法。
传感器与测量装置构成一个完整的检测系统,但两者之间可能相距较远。
由于工业现场大地电流十分复杂,所以这两部分外壳的接大地点之间的电位一般是不相同的;若将传感器与测量装置的零电位在两处分别接地,即两点接地,则会有较大的电流流过内阻很低的信号传输线产生压降,造成串模干扰。因此这种情况下也应该采用一点接地方法。
3.2 多点接地
一般建议高频电路采用多点接地。高频时,即使一小段地线也将有较大的阻抗压降,加上分布电容的作用,不可能实现一点接地,因此可采用平面式接地方式,即多点接地方式,利用一个良好的导电平面体(如采用多层线路板中的一层)接至零电位基准点上,各高频电路的地就近接至该导电平面体上。
由于导电平面体的高频阻抗很小,基本保证了每一处电位的一致,同时加设旁路电容等减少压降。因此,这种情况要采用多点接地方式。
4.隔离技术
在接口电路中,如出现两点以上接地时,可能引入共阻耦合干扰和地环路电流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技术。通常有电磁隔离和光电隔离两种。
(1)电磁耦合隔离
利用隔离变压器来切断环流,由于地环路则被切断,两电路有独立的地电位基准,因而不会造成干扰,信号通过耦合形式进行传递。
(2)光电耦合隔离
光电耦合器是一种电-光-电的耦合器件,它由发光二极管和光电晶体管封装组成,其输入与输出在电气上是绝缘的,因此,这种器件除了用于做光电控制外,现在被越来越多的用于提高系统的抗共模干扰能力。这样即使输入回路有干扰,只要它在门限之内,就不会对输出造成影响。
5.其他抗干扰技术
(1)稳压技术。目前智能传感器及仪器仪表开发中常用的稳压电源有两种:一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源,另一种是DC-DC稳压电源,这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作十分有效。
(2)抑制共模干扰技术。采用差分放大器,提高差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模干扰的影响。
(3)软件补偿技术。外界因素如温湿度变化等也会引起某些参数的变化,造成偏差。可以利用软件根据外界因素的变化和误差曲线进行修正,去掉干扰。
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