干擾及其抑制技術(shù)

檢測系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

本章學(xué)習(xí)干擾的來源、干擾的耦合方式及抑制措施、干擾的疊加方式及抑制措施。2/3/20231生產(chǎn)第一線的工程技術(shù)人員，經(jīng)常會遇到這樣一些現(xiàn)象：采購來的測量儀表安裝到機(jī)器上時(shí)，儀表數(shù)碼管顯示的數(shù)字有時(shí)會忽大忽小地亂跳，但有時(shí)又顯得很正常；2/3/20232在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試好的檢測、控制系統(tǒng)，安裝到車間里，時(shí)不時(shí)發(fā)生動作失常，數(shù)據(jù)失實(shí)；帶計(jì)算機(jī)的儀表偶爾還發(fā)生“死機(jī)”現(xiàn)象。我們可能需要花費(fèi)許多時(shí)間來尋找這些現(xiàn)象的原因。2/3/20233最后會發(fā)現(xiàn)：可能是一根地線忘了接，也可能是為了美觀而將信號線與電源線捆扎在一起。也許只要在信號線輸入端并聯(lián)一只電容器，數(shù)據(jù)就不亂跳了；也許換上一個(gè)帶濾波器的電源插座時(shí)，設(shè)備的動作就變得規(guī)矩了。2/3/20234

衡量噪聲對有用信號的影響常用信噪比（S/N）來表示，它是指在信號通道中，有用信號功率PS與噪聲功率PN之比，或有用信號電壓US與噪聲電壓UN之比。信噪比常用對數(shù)形式來表示，單位為dB，即

S/N=10lg（PS/PN）=20lg（US/UN）（dB）在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對測量結(jié)果的影響。

2/3/20235信噪比（S/N）的計(jì)算舉例

在擴(kuò)音機(jī)輸入端測得：話筒輸出的做報(bào)告者聲音的平均電壓為50mV，50Hz干擾“嗡嗡”聲的電壓為0.5mV，求信噪比。解S/N=20lg（50/0.5）dB=40dB

2/3/20236一、機(jī)械干擾機(jī)械干擾是指機(jī)械振動或沖擊使電子檢測裝置中的元件發(fā)生振動，改變了系統(tǒng)的電氣參數(shù)，造成可逆或不可逆的影響。對機(jī)械干擾，可選用專用減振彈簧-橡膠墊腳或吸振橡膠海綿墊來降低系統(tǒng)的諧振頻率，吸收振動的能量，從而減小系統(tǒng)的振幅。

橡膠海綿軟墊橡膠墊腳及彈簧2/3/20237振動試驗(yàn)臺

頻率、振幅均可調(diào)節(jié)

將被測儀器（如圖中的電子天平）固定在振動臺上，逐漸增大振幅，測試在不同頻率的規(guī)定振幅下，產(chǎn)品指標(biāo)是否變化。固定2/3/20238跌落試驗(yàn)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中常因?yàn)樵馐軇×艺饎踊虻涠鴵p壞或性能變差，因此需要做抗跌落試驗(yàn)和測試。跌落試驗(yàn)機(jī)2/3/20239二、濕度及化學(xué)干擾

當(dāng)環(huán)境相對濕度增加時(shí)，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部，降低了絕緣強(qiáng)度，造成了漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕，并產(chǎn)生原電池電化學(xué)干擾電壓；在較高的溫度下，潮濕還會促使霉菌的生長，并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。某些化學(xué)物品如酸、堿、鹽、各種腐蝕性氣體以及沿海地區(qū)由海風(fēng)帶到岸上的鹽霧也會造成與潮濕類似的漏電腐蝕現(xiàn)象，必須采取以下措施來加以保護(hù)：浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等。用絕緣漆浸漬過的控制變壓器浸漆可防止水分進(jìn)入線圈內(nèi)部2/3/202310儀器設(shè)備的防潮試驗(yàn)噴淋試驗(yàn)2/3/202311三、熱干擾

熱量，特別是溫度波動以及不均勻的溫度場對檢測裝置的干擾主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：元件參數(shù)的變化（溫漂）、接觸熱電勢干擾、元器件長期在高溫下工作時(shí)，引起壽命和耐壓等級降低等?？朔岣蓴_的防護(hù)措施有：選用低溫漂元件，采取軟、硬件溫度補(bǔ)償措施，選用低功耗、低發(fā)熱元件，提高元器件規(guī)格余量，儀器的前置輸入級遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，加強(qiáng)散熱、采用熱屏蔽等。

2/3/202312散熱實(shí)例

散熱風(fēng)扇2/3/202313四、固有噪聲干擾

在電路中，電子元件本身產(chǎn)生的、具有隨機(jī)性、寬頻帶的噪聲稱為固有噪聲。最重要的固有噪聲源是電阻熱噪聲、半導(dǎo)體散粒噪聲和接觸噪聲等。固有噪聲可以從喇叭或耳機(jī)中反映出來，但更多的時(shí)候是反映在輸出電壓的無規(guī)律跳變上。

2/3/202314五、電磁噪聲干擾

電磁波可以通過電網(wǎng)以及直接輻射的形式傳播到離這些噪聲源很遠(yuǎn)的檢測裝置中。在工頻輸電線附近也存在強(qiáng)大的交變電場，在強(qiáng)電流輸電線附近存在干擾磁場，他們將對十分靈敏的檢測裝置造成干擾。由于這些干擾源功率強(qiáng)大，要消除他們的影響較為困難，必須采取多種措施來防護(hù)。

2/3/202315電磁干擾的來源

電磁干擾源分為兩大類：自然界干擾源和人為干擾源，后者是檢測系統(tǒng)的主要干擾源。1.自然界干擾源包括地球外層空間的宇宙射電噪聲、太陽耀斑輻射噪聲以及大氣層的天電噪聲。后者的能量頻譜主要集中在30MHz以下，對檢測系統(tǒng)的影響較大。2.人為干擾源又可分為有意發(fā)射干擾源和無意發(fā)射干擾源。

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有意發(fā)射干擾源：如廣播、電視、通訊雷達(dá)和導(dǎo)航等無線設(shè)備，它們有專門的發(fā)射天線，所以空間電磁場能量很強(qiáng)，特別是離這些設(shè)備很近時(shí)，干擾能量是很大的。2/3/202317

無意發(fā)射干擾是各種工業(yè)、交通、醫(yī)療、家電、辦公設(shè)備在完成自身任務(wù)的同時(shí)，附帶產(chǎn)生的電磁能量的輻射。

如工業(yè)設(shè)備中的電焊機(jī)、高頻爐、大功率機(jī)床起停電火花、高壓輸電線路的電暈放電，汽車、摩托車點(diǎn)火裝置、家電中的吸塵器、變頻空調(diào)、微波爐、計(jì)算機(jī)開關(guān)電源等電氣設(shè)備，它們有的產(chǎn)生電火花，有的造成電源畸變，有的產(chǎn)生大功率的高次諧波，當(dāng)它們距離檢測系統(tǒng)較近時(shí)，均會干擾檢測系統(tǒng)的工作。如這些設(shè)備一開動，收音機(jī)里就會發(fā)出刺耳的噪聲。2/3/202318自然界干擾源和人為干擾源X光機(jī)產(chǎn)生大功率高頻干擾

閃電產(chǎn)生電磁場干擾2/3/202319自然界干擾源和人為干擾源（續(xù)）雷達(dá)會產(chǎn)生大功率高頻干擾

變電站會產(chǎn)生50Hz的高次諧波干擾以及電暈放電干擾2/3/202320電吹風(fēng)機(jī)干擾電視機(jī)的演示電吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電磁波干擾以兩種途徑到達(dá)電視機(jī)：一是通過共用的電源插座，二是以空間電磁場傳輸?shù)姆绞接呻娨暀C(jī)的天線接收。應(yīng)設(shè)法切斷這些干擾途徑。

2/3/202321路和場的干擾(電磁干擾）路的干擾必須在干擾源和被干擾對象之間有完整的電路連接，干擾沿著這個(gè)通路到達(dá)被干擾對象。例如通過電源線、變壓器引入的干擾；場的干擾不需要沿著電路傳輸，而是以電磁場輻射的方式進(jìn)行。例如，電源線對傳感器的信號線的電場耦合干擾；又如電焊機(jī)電纜上的強(qiáng)電流對信號線的磁場耦合干擾。

2/3/202322由電源配電回路引入的干擾

交流供配電線路在工業(yè)現(xiàn)場的分布相當(dāng)于一個(gè)吸收各種干擾的網(wǎng)絡(luò),而且十分方便地以電路傳導(dǎo)的形式傳遍各處，經(jīng)檢測裝置的電源線進(jìn)入儀器內(nèi)部造成干擾。最明顯的是電壓突變和交流電源波形畸變，它使工頻的高次諧波(從低頻一直延伸至高頻)經(jīng)電源線進(jìn)入儀器的前級電路。例如，由調(diào)壓或逆變電路中的晶閘管引起的大功率高次諧波干擾；又如開關(guān)電源經(jīng)電源線往外泄漏出的幾百千赫茲尖脈沖干擾。2/3/2023231.電場耦合引起的干擾：電場耦合實(shí)質(zhì)上是電容性耦合。要減少電源線對信號線的電場耦合干擾，就必須減小兩者間的分布電容，必須盡量保持電路和信號線的對地平衡，布線時(shí)，多采用雙絞扭屏蔽線。帶電物體產(chǎn)生的電場2/3/202324屏蔽技術(shù)

利用金屬材料制成容器，將需要防護(hù)的電路包圍在其中，可以防止電場或磁場耦合干擾的方法稱為屏蔽。屏蔽可分為靜電屏蔽、低頻磁屏蔽和電磁屏蔽等幾種。根據(jù)不同的對象，使用不同的屏蔽方式。

未加屏蔽罩時(shí)，中頻變壓器線圈易受外界干擾。加屏蔽罩后的中頻變壓器2/3/202325靜電屏蔽靜電屏蔽是用銅或鋁等導(dǎo)電性良好的金屬為材料制作成封閉的金屬容器，并與地線連接，把需要屏蔽的電路置于其中，使外部干擾電場的電力場不影響其內(nèi)部的電路，反之，內(nèi)部電路產(chǎn)生的電力線也無法影響外電路。靜電屏蔽的容器器壁上允許有較小的孔洞（作為引線孔或調(diào)試孔）它對屏蔽的影響不大。2/3/202326各種靜電屏蔽

儀器設(shè)備的屏蔽外殼必須接地帶孔屏蔽板2/3/202327各種靜電屏蔽（續(xù)）自制的屏蔽罩通風(fēng)屏蔽窗2/3/202328各種靜電屏蔽（續(xù)）開關(guān)電源采用帶孔的屏蔽外殼，既可散熱，又可防止電磁干擾外泄2/3/202329各種靜電屏蔽（續(xù)）帶調(diào)試孔的屏蔽盒2/3/202330屏蔽線三絞扭屏蔽線銅芯4對雙絞扭屏蔽線（屏蔽層接地）聚氟乙烯絕緣層銅線編織網(wǎng)（接地）2/3/2023312.磁場耦合引起的干擾磁場耦合干擾的實(shí)質(zhì)是互感性耦合干擾。防止磁場耦合干擾途徑的辦法有：使信號線遠(yuǎn)離強(qiáng)電流干擾源，從而減小互感量M；采用低頻磁屏蔽，從而減小信號線感受到的磁場；采用絞扭導(dǎo)線使引入到信號處理電路兩端的干擾電壓大小相等、相位相同，使差模干擾轉(zhuǎn)變成共模干擾。

C型變壓器的漏感比E型的小4對雙絞扭線2/3/202332由電焊引起的干擾電焊機(jī)電纜產(chǎn)生強(qiáng)磁場干擾磁場交鏈信號線2/3/202333低頻磁屏蔽低頻磁屏蔽是用來隔離低頻（主要指50Hz）磁場和固定磁場（也稱靜磁場，其幅度、方向不隨時(shí)間變化，如永久磁鐵產(chǎn)生的磁場）耦合干擾的有效措施。靜電屏蔽線或靜電屏蔽盒對低頻磁場不起隔離作用。必須采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，由于屏蔽體的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率，能把干擾源發(fā)出的磁力線短路，阻隔干擾源對測量電路等的干擾。

2/3/202334低頻磁屏蔽舉例多數(shù)儀器的外殼采用導(dǎo)磁材料（例如：鐵質(zhì)機(jī)殼）作屏蔽層，讓低頻干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽層上通過，使受外殼保護(hù)的內(nèi)部電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。如果將外殼接地，則同時(shí)達(dá)到靜電屏蔽和低頻磁屏蔽的目的。參考中國（廈門）微波高頻通信設(shè)備銷售公司資料2/3/202335電磁屏蔽電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，將被保護(hù)的電路包圍在其中。它屏蔽的干擾對象是高頻（40kHz以上）磁場。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時(shí)，就在其外表面感應(yīng)出同頻率的電渦流，從而消耗了高頻干擾源磁場的能量。其次，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新的磁場，抵消了一部分干擾磁場的能量，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場的影響。

鍍銅電磁屏蔽盒2/3/202336軍用屏蔽帳篷幾種用導(dǎo)電纖維材料編織而成的軍用電磁屏蔽器材

（參考常州雷寧電磁屏蔽設(shè)備公司資料）

軍用電子方艙屏蔽通信車2/3/202337防電磁波屏蔽圍裙幾種用導(dǎo)電纖維材料編織而成的電磁屏蔽服

輻射源防電磁波屏蔽服裝防電磁波屏蔽圍裙的使用2/3/202338屏蔽室

導(dǎo)電PVC地板用于防靜電及底部屏蔽干擾信號無法穿透鋼板屏蔽室2/3/2023393.共阻抗耦合

共阻抗耦合干擾的產(chǎn)生是由于兩個(gè)以上的電路有共阻抗。當(dāng)一個(gè)電路中的電流流經(jīng)共阻抗產(chǎn)生電壓降時(shí)，就成為其他電路的干擾電壓，其大小與共阻抗的阻值及干擾源的電流大小成正比。

一、通過電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾二、通過公共地線的共阻抗耦合干擾：三、輸出阻抗耦合

2/3/202340一、通過電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾2/3/2023412/3/202342二、通過公共地線的共阻抗耦合干擾：2/3/202343一點(diǎn)接地原則適用于信號頻率在1MHZ以下的應(yīng)用領(lǐng)域，而對于頻率高達(dá)10MHZ以上的高頻電路不適用。應(yīng)采用“多點(diǎn)接地”，就近接地。2/3/202344三、輸出阻抗耦合2/3/2023454、漏電流耦合

由于測量電路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印刷電路板或外殼絕緣不良而存在漏電流引起的干擾，稱漏電流耦合干擾。在印刷電路板的布線過程中，高輸入阻抗放大器輸入信號引線可以采用“環(huán)地”的方法避免漏電流。即在輸入端使地線呈環(huán)狀把信號線包圍起來。

2/3/202346干擾的疊加方式及抑制措施在信號的傳輸過程中，特別是被測信號通過傳輸線送到測量電路的過程，測量電路易受到干擾信號的影響。這時(shí)，干擾信號就疊加在有用信號上。從疊加的方式來分，干擾有差模和共模干擾兩種。2/3/2023471.差模干擾差模干擾又稱串模干擾、常態(tài)干擾，橫向干擾，是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到檢測裝置（接收電路）的輸入端。差模干擾通常來自高壓輸電線，與信號平等鋪設(shè)的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場。2/3/202348消除方法：可用低通輸入濾波器濾除交流干擾。應(yīng)盡可能早地對被測信號進(jìn)行前置放大，以提高回路中的信噪比。信號線應(yīng)選用帶屏蔽層的雙絞線或電纜線，并有良好的接地系統(tǒng)。采用電流交流傳輸采用數(shù)字量傳輸。2/3/2023492.共模干擾共模干擾：又稱縱向干擾，對地干擾，共態(tài)干擾。是指檢測裝置兩個(gè)輸入端對地共有的干擾電壓，這種干擾可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達(dá)幾伏甚至更高。造成共模干擾的主要原因，是被測信號的參考接地點(diǎn)和檢測裝置輸入信號的參考接地點(diǎn)不同。因此就會產(chǎn)生一定的電壓。2/3/2023503、共模抑制比共模干擾對檢測裝置的影響大小直接取決于共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的大小。為了衡量檢測對共模干擾的抑制能力，引入共模抑制比概念。定義：作用于檢測系統(tǒng)的共模干擾信號與使該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣輸出所需的差模信號的比值。2/3/202351抑制方法采用雙端輸入的差分放大器作儀表輸入通道前置放大（平衡輸入）。采用變壓器或光耦把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信號隔離開來，也就是共模地與數(shù)字地?cái)嚅_。被測信號通過變壓器或者光耦獲得通路，而共模干擾因?yàn)椴怀苫芈范玫接行б种疲ǜ綦x）。還可采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，這是利用屏蔽方法使輸入信號模擬地浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的（浮置）。2/3/2023521、抑制電感性耦合干擾可以采用靜電屏蔽方法。（*）2、可以采用電場屏蔽的方法來抑制電容性耦合。（√

）3、消除差模干擾和共模干擾的方法分別有哪些？答：消除共模干擾的方法:1）浮置；2）隔離；3）平衡傳輸