1、第十二章 检测系统的抗干扰技术,本章学习干扰的来源及防护方法、自动检测系统中的电磁兼容原理及对策，学习掌握检测系统的抗干扰技术。,第一节 干扰源及防护,在非电量测量过程中，一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起，这称为干扰，这些无用的背景信号称为“干扰信号”，也称为“噪声”。 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（分贝），即 S/N=10lg（ PS / PN ）=20lg（ US / UN
2、）（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。,干扰与噪声,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 =40 dB 又问：当S/N分别为20 dB、0 dB 、 -20 dB 时，说明做报告者声音与干扰声音之间各为什么关系？,噪声源及干扰源,一、机械干扰,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。 消除方法：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
3、的谐振频率，吸收振动的能量， 从而减小系统的振幅。,橡胶 海绵软垫,橡胶垫脚及弹簧,振动试验台,频率、振幅均可调节,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。,固定,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。,跌落试验机,二、湿度及化学干扰,当环境相对湿度大于60%时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，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
4、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。 必须采取以下措施来加以保护：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。,用绝缘漆浸渍过的控制变压器,浸漆可防止水分进入线圈内部,仪器设备的防潮试验,喷淋试验,三、热干扰,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： 元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。 克服热干扰的防护措施有： 选用低温漂元件；采取软、硬件温度补偿措施；选用低功耗、低发热元件；提高元器件规格余量；仪器的前置输入级远离发热元件；加强散热、采用热屏蔽等
5、。,散热实例,散热风扇,四、固有噪声干扰,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。 最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。,五、电、磁噪声干扰,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。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。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。,第二节 检测技术中的电磁兼容原理,一、电磁兼容（EMC）概念 电磁兼容是
6、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 。含：设备内电路各模块之间的兼容性；设备与设备之间的兼容性；系统与系统之间的兼容性。 我国从世纪80年代至今已制定了上百个电磁兼容的国家标准，强制要求多数电气设备必须通过相关电磁兼容标准的性能测试，否则为不合格产品,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
7、源。,自然界干扰源和人为干扰源,X光机产生大功率 高频干扰,闪电产生电磁场干扰,自然界干扰源和人为干扰源,雷达会产生大功率高频干扰,变电站会产生50Hz的高次 谐波干扰以及电晕放电干扰,2018/6/6,17,电磁干扰的形成必须同时具备三个因素：干扰源、干扰途径、对电磁干扰敏感性较高的接收电路。 1.消除或者抑制干扰源。 2.切断干扰途径。绝缘、隔离、光电耦合、滤波、屏蔽等。 3.削弱接收回路对干扰的敏感性。,三、电磁干扰的传播途径,电吹风机干扰电视机的演示,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
8、扰途径。,路和场的干扰,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
9、入电阻 R-漏电阻,负载（喇叭）的电流较大，它与放大器的负电源线共用了一段地线，在地线的微小电阻上产生了压降，造成了干扰。,2）由共阻抗耦合引起的干扰,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。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。,负载电流,干扰压降,正确接线,3）由电源配电回路引入的干扰,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
10、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,1）由电场耦合引起的干扰： 电场耦合实质上是电容性耦合。要减少电源线对信号线的电场耦合干扰，就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。,带电物体产生的电场,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
11、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 。,C型变压器的漏感比E型的小,4对双绞扭线,由电焊引起的干扰,电焊机电缆产生强磁场干扰,磁场交链,信号线,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。 共模干扰仪可依靠放大器的共模抑制比KCMR来克服。较好的放大器共模抑制比可达100dB以上,所以共模干扰对检测装置的影响
12、不大。但当系统的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。因此必须尽量保持电路的对地平衡。,第三节 几种电磁兼容控制技术,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。,未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。,加屏蔽罩后的中频变压器,1.静电屏蔽,静
13、电屏蔽是用铜或铝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。,各种静电屏蔽,仪器设备的屏蔽外壳必须接地,带孔屏蔽板,各种静电屏蔽,自制的屏蔽罩,通风屏蔽窗,各种静电屏蔽,开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄,各种静电屏蔽,带调试孔的屏蔽盒,屏蔽线,三绞扭屏蔽线,铜芯,4对双绞扭屏蔽线（屏蔽层接地）,聚氟乙烯绝缘层,铜线编织网（接地）,2.低频磁屏蔽,低频磁屏蔽是用来隔离
14、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。,低频磁屏蔽举例,多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。,
15、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。,镀铜电磁屏蔽盒,军用屏蔽帐篷,几种用导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材,军用 电子方舱,屏蔽通信车,防电磁波屏蔽围裙,几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服,辐射源,防电磁波屏蔽服装,防电磁波屏蔽围裙的使用,屏蔽室,
16、导电PVC地板 用于防静电及 底部屏蔽,干扰信号无法穿透钢板屏蔽室,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。,四种触电情况,保安地线,电烙铁的外壳必须良好地接大地，以保证人身安全以及焊接对象不致被静电击穿。,接大地与防静电的关系,人在工频电场中工作时，身体可能感应出几十伏以上的电压；当人
17、在地板上行走时，也可能因摩擦而带上几百伏以上的静电。因此在焊接集成电路时，人体必须良好地接大地，以保证集成电路的CMOS输入端不致被静电击穿。人体接地的方法之一是带上接地的防静电手腕带。,防静电手腕带,防静电手腕带的使用,接地,信号地线分类,1.模拟信号地线,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.数字模拟地线,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
18、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。,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
19、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,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。,1接线端子 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,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
20、间的相互干扰。 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。,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。,检测系统的一点接地原则,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。在这种情况下多采用二次仪表测公共参考端接地的方案。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
21、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。,检测系统一点接地原则的改错,请指出下图的接地错误,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。,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
22、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。,交流电源滤波器外形,交流电源滤波器的内部电路,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。,交流电源滤波器的内部电路,共模电感,差模电感,交流电源滤波器外形,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。 右图的电源滤波器共有几级LC滤波电路？,交流电源滤
23、波器外形,带交流电源 滤波器的插座,开关电源内部的电源滤波器及共模电感,电源滤波器中的共模电感,当50Hz电流流经共模电感时，由于进线与出线产生的磁场方向相反，相互抵消，不会产生压降，但共模电感对共模干扰却有较大的感抗。,三相共模电感,交流电源滤波器的使用效果,使用电源滤波器前观察到的干扰,使用电源滤波器后干扰消失,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0.010.1F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
24、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。 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。,光耦的外形,双列直插式,贴片式,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。 请分析当交流接触器未吸合时和吸合后两种状态
25、下流过光耦中的红外发光二极管V1的电流、光耦中的光敏三极管V1的状态，以及Ue、o的电平。,用“测电笔”测试IC1左右两侧的带电状态，哪一侧电笔亮？这个实验说明了什么？,光耦的隔离、传输、电平转换作用举例,下图是NPN常开型接近开关光耦电路。请回答：VCC、OUT、GND1三端分别是什么颜色？请分析当金属板靠近接近开关至额定动作距离时，发光二极管 V2的状态。GND1与GND2接在一起会有什么不良效果？,金属板,电磁兼容实验室及新产品的电磁兼容试验,（参考上海市计量测试技术研究院电磁兼容实验室资料）,空调的电磁兼容试验,电磁兼容实验室及新产品的电磁兼容试验（续）,（参考上海市电磁兼容检测重点实
26、验室资料）,电磁兼容实验室及角锥形吸波材料,各种吸波材料,吸波角锥,角锥型吸波材料是由软质聚氨酯泡沫经过浸炭及阻燃处理等工序加工制成，使用频带宽，是建造无回波暗室的最常用材料。,（参考大连东信微波吸收材料有限公司资料）,各种吸波材料,劈形吸波材料,（参考大连东信微波吸收材料有限公司资料）,大形角锥,电波暗室的结构及特点,电波暗室的结构分为3层，最外层是金属屏蔽层，起到隔离空间电磁波的作用；中间一层是铁氧体吸波材料，主要吸收低频段的电磁波；最里层为聚合物泡沫吸波材料，吸收低频至高频所有频率。其中几百毫米长的尖劈可吸收2-3GHz以下的电磁波，一百多毫米长的尖劈可吸收高大40GHz的电磁波。电波暗
27、室的屏蔽性能在18GHz时仍可达到几十分贝。,电磁兼容实验室（续）,平板型吸波材料由橡胶和磁性吸波填料膜压成形，可弯曲和切割。,电磁兼容实验室的天线,“三米法” 和 “十米法”暗室天线的高度分别为1.8m 和3m ，与被测物的距离分别为3m和10m。,EMC辐射干扰测试室（参考江苏省电子产品监督检验所资料）,被测试仪器,干扰辐射天线,干扰源,用于传导测量的屏蔽室,（参考信息产业部通信计量中心资料）,EMC传导干扰测试室,干扰源将高压电火花信号迭加到被测仪器的电源线上，再测试此时仪器性能的变化。,电磁兼容试验及试验报告,参考Rainford公司资料,EMI（电磁干扰）测试仪表,交直流电场、磁场检测仪表（接收测头未画出）,EMI测试仪器（仪表）,AEFM型交流电场计,作业p273：2、4,休 息 一 下,作业p273：2、4,休 息 一 下,休 息 一 下,作业p273：2、4,
