强电磁干扰环境下高精度温度测量

常海龙， 张丕状

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

随着测温技术的发展，传统的测温技术已无法满足现代测温技术的需求。面对强电磁干扰的恶劣测试环境，受环境因素的影响，给测试的准确性和不确定性带来许多困扰。对于特殊的温度测量场合，必须根据实际的需求，满足测量高精度的要求，尽可能地降低环境因素所带来的影响。在动力舱的内部，存在的高温强电磁干扰，为了准确地研究舱内的温度分布情况，电磁干扰的抑制问题必须解决。

目前，温度测量的方法种类很多，根据测温原理的多样性，主要分为两大类：接触式测温方法和非接触测温方法。接触式测量主要包括：膨胀式测量，电量式的测量，接触式光电、热色测量等。而非接触测量主要包括：辐射式测量，光谱法测量，激光干涉测量，声波、微波法测量等。传统的热电偶、热电阻测温方法，由于其技术成熟、结构简单、使用方便的特点,在未来的测温领域中依然能够广泛的使用。随着新工艺、新材料以及新的技术发展，其应用范围会更加广泛[1]。本文温度测量系统就是采用Pt100热敏电阻器测量方法。与传统的热电阻测温方法相同，但是对其进行了扩展优化，可以在强电磁干扰环境中也可以正常的工作，在其他方面也做了特殊的改进，使其可以在动力舱内的复杂恶劣的测试环境中，满足测试的需求。

1 测温系统结构

与传统的测温系统相比，该测温系统突出特点就是带有自身抑制电磁干扰的电路模块。系统主要包括：高精度的电桥电路、信号放大电路、抑制电磁干扰电路等，见图1。

图1 测温系统示意图

2 抑制电磁干扰

电磁干扰主要有两种形式，即辐射干扰和传导干扰。

从抑制干扰源的角度出发，常用的技术手段有屏蔽技术、接地技术、耦合技术3个方面。为了实现测温系统系统内、外的抑制电磁干扰，需从分析电磁干扰三要素(即干扰源、耦合途径和敏感设备)入手，采取有效的技术手段：抑制干扰源，减少不希望有的发射；消除或减弱干扰耦合；增加敏感设备的抗干扰能力，削弱不希望的响应。这就要利用各种抑制干扰技术，包括合适的接地，良好的搭接，合理的布线、屏蔽、滤波和限幅等技术以及这些技术的组合使用，还包括电磁干扰的分析与预测、电磁兼容设计和电磁干扰测量技术等[2]。

2.1 接地技术

对于弱电电路系统，主要考虑信号接地。理想情况是电子设备直接接到大地或一个参考电位到地上，当电流通过参考电位时不会产生电压降，然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如：共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。对于工作频率低于1 MHz和公共接地面尺寸小于工作信号波长1/20的电路系统，宜采用单点接地方式；对于工作频率高于10 MHz和公共接地面尺寸大于工作信号波长1/20的电路系统，宜采用多点接地方式；而对于频率为1～10 MHz和公共接地面尺寸为工作信号波长1/20左右的电路系统，一般采用混合接地系统，对于大多数的电路系统来说，是采用混合电路方式设计电路[3]，混合接地示意图如图2。

图2 混合接地系统

2.2 耦合技术

由于寄生电容存在，导体上的信号通过分布电容使其影响其他导体电位，形成了电容性耦合。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，若磁场是交变的，又会有电感性的耦合。同时，电磁场辐射干扰存在，需要全方面考虑耦合技术。耦合的有效方法是减小耦合电容，对干扰源和被干扰者进行电屏蔽。被干扰的导线环在干扰场中的放置方位应使它对干扰磁场切割的磁力线最小，因而所耦合的干扰信号也最小[4]。

2.3 屏蔽技术

屏蔽按机理可以分为：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。其中，电场屏蔽包含静电屏蔽和交变电场屏蔽；磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。在屏蔽技术的使用上，为达到良好的效果，应根据干扰源的实际情况，分别采取不同的方法：当干扰源产生的干扰是以电压方式出现时，应采取电场屏蔽的方法。要求屏蔽壳体良好接地，接地电阻应小于2 mΩ；当干扰源产生的干扰是以电流形式出现时，应采取磁场屏蔽的方法；当干扰源的频率低于100 kHz时，采用高导磁率的铁磁材料来做屏蔽壳体，屏蔽壳体尽可能厚一些，应注意不能在磁通垂直方向开口；当干扰源的频率高于100 kHz时，应采用良导体的材料来做屏蔽壳体，壳体的厚度只考虑满足机械强度的要求，0.2～0.8 mm即可[5,6]。

3 抑制电磁干扰电路设计

本测温系统的抑制电磁干扰模块主芯片选用AD548，AD548是一种低功耗、精密、单片运算放大器，具有良好的直流特性和交流特性。静态电流为200 μA(最大值)，最大偏置电流为10 pA，偏置电压为250 μV,漂移为2 μV/℃,最大噪声为2 μV (0.1～10 Hz),压摆率为1.8 V/μs，单位增益带宽为1 MHz。电路图如图3。

图3 抑制电磁干扰电路模块

用仪表放大器上的增益电阻产生驱动电压去驱动AD548芯片，从正输入输入，负输入与输出直接连接，然后输出再接电阻器R7，最后连接屏蔽外壳。电路系统屏蔽线端是与Pt100的屏蔽线相连的,这也是本系统的关键技术。除此之外，整个电路系统采用的大量的抑制电磁干制技术。所有的芯片的电源供电部分都有双推偶电容，在PCB板布线时，使导线尽量短，少布设平行线，减小电流回路所形成面积，使其互感尽量少。选用了屏蔽外壳为铝制材料，可以屏蔽频率在500 kHz～30 MHz范围内电磁干扰。接口全部用可屏蔽电磁干扰的航空插头，采用耐高温和抗干扰的屏蔽导线，并且全部采取双绞线，抑制电磁干扰，保证了系统的可靠性和稳定性。

4 方案的验证分析

在室温相同条件下，传感器选用带有屏蔽线铠装Pt100铂电阻器，将测试调理两路电路放入大小为110 mm×76 mm×114 mm的铝制外壳内(密闭)，分别做了常温无电磁干扰、常温强电磁干扰不带屏蔽电路、常温强电磁干扰带屏蔽电路共3组实验，用数据采集仪采集调理电路输出的电压信号，采样频率为1 kHz,采集时间为4.096 s。

首先，常温无电磁干扰环境，用数据采集仪采采集温度测试系统两路电压值，用Matlab处理后绘制出波形，如图4。

图4 常温无电磁干扰数据图

在没有电磁干扰的情况下，两路信号调理温度测试系统的噪声分别为5.7,6.4 mV。

然后，将温度测试系统放入强电磁干扰的环境中，并将抑制电磁干扰模块电路去掉，其他条件不变，用Matlab绘制出波形，见图5。

图5 常温强电磁干扰无抗干扰电路数据

图5表明：在强电磁干扰环境中，两路信号调理温度测试系统的噪声分别62.8,71.5 mV，干扰相当大。

最后，将温度测试系统放入强电磁干扰环境中，加入抑制电磁干扰电路，其他条件不变，用Matlab绘制出波形，见图6。

图6 常温强电磁干扰有抗干扰电路

图6表明：在强电磁干扰环境中，两路信号调理温度测试系统的噪声分别为19.5,20.9 mV，对干扰的抑制起到了很好的作用，提高了3～4倍。

5 结束语

本文介绍一种可以满足在强电磁干扰和高温环境下工作的温度测量系统，通过自身调理电路设计、对强电磁干扰恶劣测温环境和对抑制电磁干扰的手段全面研究、多重考虑，设计出符合测量要求的抑制电磁干扰电路模块，对由电磁干扰引起的噪声起到了很好的抑制作用，提高了3～4倍，比传统的温度测量系统有了很大改进，为在强电磁干扰、恶劣温度环境中测量提供一种有效的方法。

参考文献:

[1] 杨永军. 温度测量技术现状和发展概述[J].计测技术，2009(4):62-63.

[2] 张亚婷.军用电子系统的电子兼容性设计[J].火力与指挥控制，2010，35(7):159-160.

[3] 梁 红.军用电子系统的电子兼容性设计[D].西安：西安电子科技大学,2011：7-28.

[4] 章勇高，蒋有缘，方华松，等. 基于模拟退火算法的共模电磁干扰抑制技术[J].电工技术学报，2008，23(6):2-3.

[5] 单 秦.高速动车组电磁兼容性关键技术研究[D].北京：北京交通大学,2013：7-28.

[6] Azizi H，Belkacem F Tahar，Moussaoui D.Electromagnetic interference from shielding effectiveness of a rectangular enclosure with apertures-circuital approach,FDTD and FIT modelling[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2014,28(3):494-514.