传感器应用中的抗干扰技术

[摘要]随着自动化水平的提高，传感器的应用越来越多，但在应用中的各种干扰问题是应用中的一个难题，它会影响整个系统的控制精度和准确性。因此在自动化检测系统中应用各种抗干扰措施以提高系统的稳定性和准确性就必不可少。干扰的类型不同，干扰的途径不同，抗干扰的措施也会不同。

[关键词]传感器 应用中 抗干扰措施

中图分类号：TP2文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110027-02

随着现代科学技术的发展，自动化水平的不断提高，在工业、农业生产、交通运输、航天、航空等各领域大量使用了各种类型的传感器和自动检测技术来监控生产过程、控制生产过程中的各个环节，从而使系统的生产过程具有较高的自动化水平，系统的控制精度、准确度得到很大的提高。传感器是自动检测系统中的“感觉器官”，它的反应灵敏度、测量误差，线性度、迟滞等性能指标会影响整个系统的性能，有时对整个检测系统、自动化生产线等设备的性能有决定性的影响。除了传感器本身的性能指标外，生产现场中存在的各种干扰问题也会使自动检测系统发生一些故障、误动作、甚至造成计算机的“死机”和系统的严重故障。这些干扰如有些生产现场大能耗设备多，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，供电电压的波动，各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆，信号线间的干扰，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，生产现场温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化等等，以上各种情况都可能引起自动检测系统、传感器的工作异常，为了保证自动检测系统的正常工作，必须采用相应的措施，将各种干扰消除或抑制干扰，使系统正常工作。

要消除干扰，首先要分清干扰源是什么，干扰的途径是什么，干扰信号是怎样进入系统的等问题，只有这样，才能针对不同问题，采用不同的措施。

一、干扰的种类

（一）电和磁的干扰

电和磁可以通过电路和磁路对系统产生干扰作用，电场和磁场的变化在系统的有关电路或导线中感应出干扰电压，从而影响系统的正常工作。

（二）机械干扰

机械振动和冲击，使系统中的仪表或某些装置的电气元件发生振动、变化等，从而影响系统的正常工作。

（三）热干扰

设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动以及环境温度的变化引起仪表和测量装置中电路的元器件参数发生变化，从而影响系统的正常工作。

（四）光干扰

测量仪表或传感器所使用的半导体元件在光作用下会改变其导电性能，从而影响系统的正常工作。

（五）温度干扰

温度增加会引起绝缘电阻下降，漏电流增加，从而影响系统的正常工作。

（六）射频干扰

电磁波、射线会使气体、电离，使金属逸出电子，从而影响系统的正常工作。

（七）化学干扰等

二、干扰信号进入系统的途径

（一）通过电路进入系统

1．通过电源回路进入系统；

2．通过电路中的共阻抗进入系统；

3．通过电路中的共漏电阻进入系统。

（二）通过场进入系统

1．通过电场耦合进入系统；

2．通过磁场耦合进入系统。

三、消除干扰的措施

可以从以下三个方面采取措施：

1．消除或抑制干扰源；

2．破坏干扰途径；

3．削弱接收回路对干扰的敏感性。

主要措施有以下几种：

（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。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。

作者简介：

唐惠龙，女，陕西宝鸡人，副教授，宝鸡职业技术学院电子信息工程系副主任。