排除机械电子设备中电气干扰的主要措施

侯大鹏

摘要：电子设备是指由集成电路、晶体管和电子管等电子元器件组成的，应用电子技术软件发挥作用的设备。在机械电子设备运行中会出现各种各样的干扰，在这些干扰中，电气干扰最为常见，其广泛存在于遥控器和传感器的使用过程中，这常使技术人员感到困惑。电气干扰一般包括电源干扰和电磁干扰，在此介绍几种常用的抗干扰措施。

关键词：机械；电子设备；电气干扰；滤波器：措施

机械电子设备一般包括控制器，传感器，执行机构等部分组成。机械电子设备在当前有着广泛应用，实际运行时，很容易受到干扰，比如电气干扰，在现实中发生率极高且影响很大。电气干扰具有多发性、随机性的特点。电气干扰也是最让技术人员头疼的技术问题之一。若不及时处理，可能会导致机器异常，使用寿命缩短，甚至机器被毁，对周围人员的人身安全构成威胁。因此，必须加强此方面的研究，深入了解电气干扰的来源、传播方式、影响等，继而采取有效的应对之策。电气干扰一般包括电源干扰和电磁干扰，电源干扰是由于电压产生电流干扰机械设备的运行，因此其传播是需要通过导线进行的。电源干扰是一种很复杂的干扰，产生的原因是多样的，并包括了许多可变的因素，反映出干扰的形式也是多种多样。由于电源干扰发电压较小，因此电源干扰会随着导线的延长而逐渐减小。电磁干扰进入设备的方式可分为二大类、即传导和辐射。在此介绍几种常用的抗干扰措施。

1滤波抗干扰

该方法主要是通过滤波器对信号中特点波段频率予以滤除，从而达到抑制电气干扰传输的目的，多用于抑制低频和中频干扰。所以，滤波器是一种能够对波进行过滤的器件，包括电容、电感、电阻等几部分。按照信号频段可将其分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，按照处理的信号可分为模拟滤波器和数字滤波器。不同的滤波器，所处理的范围也不相同，比如高通滤波器主要抑制低频干扰，而低通滤波器则主要抑制高频分量和干扰。这就要求，采用此方法时，必须要提前清楚干扰源的频谱和干扰波的幅值等信息，一般可以使用专业的干扰仪器进行检测，然后根据实际情况选择最为适宜的滤波器并合理运用。

以馈通滤波器为例，在金属面板上应用较多，比如雷达、通讯设备等，能够有效地抑制高频谐波。随着现代科技的发展，机械电子设备的工作环境更加复杂，电磁干扰频率不断增高，必须做好高频滤波的准备。馈通滤波器的优势在于，高频滤波效果较好，可保护屏蔽体不被穿透。其电路结构有多种，如π形、C形、T形，其中C形就是常说的穿心电容器。使用馈通滤波器，最常见的方法就是将其直接安装在屏蔽体的面板上，另外还可以安装在电路之间的隔离板上，或者安装于线路板的地线层。市场上有螺纹安装、焊接式安装两大类产品，前者方便简单，容易操作，使用较多；后者虽能节省空间，整体性能的可靠性高，但焊接时产生的过高温度，可能会损坏滤波器。

2屏蔽抗干扰

屏蔽抗干扰是抗电磁干扰的重要方法，此方法理解起来较为容易，即利用屏蔽体减少或阻止电气干扰的传输，阻止外部干扰进入，同时限制内部的电磁能量越出某个区域。实际生活中，隔离和衰减辐射的场合应用较多，所谓屏蔽体，多为导电性能良好的金属材料制成的全封闭的壳体。

屏蔽干扰又分为电屏蔽、磁屏蔽，电屏蔽指的是空腔金属导体处于静电平衡状态时，导体内部的场强和腔内的场强都为零，此时安置在腔内的物体不受外界电场干扰，又叫静电屏蔽。在静电屏蔽中，屏蔽体必须接地，常见的使用方法是，直接在电容耦合通道安插接地的金属屏蔽导体，导体接地，干扰电压为零，能够将原来形成干扰的耦合通道隔断。

关于磁屏蔽，电气干扰的一个重要干扰源就是磁干扰，其运行时会产生磁场，该磁场一般是随时间不断变化的，对电路干扰非常严重。电磁屏蔽通常是指对于高频电磁场的屏蔽，电磁波在传输过程中遇到阻挡层便会被衰减或限制，从而起到电磁屏蔽的效果。与静电屏蔽不同，屏蔽体是否接地对电磁屏蔽影响不大，但屏蔽体的导电连续性对电磁屏蔽效果影响极大。所以，一旦屏蔽体的导电连续性被破坏，其屏蔽效果便会大幅降低，裂口、缝隙等都常常会破坏屏蔽体的导电连续性，比如电脑机箱上的通风口、显示窗等。为解决这些问题，在处理缝隙时多会选择使用电磁密封衬垫，如导电布、指形簧片、金属丝网衬垫等，选择时需综合產品的屏蔽效能、回弹力、压缩永久性变、最小密封压力、最大形变量等指标考虑。

3接地抗干扰

有效的接地是保证机械电子设备工作稳定性和设备安全的重要因素，电力系统和电气装置中的中性点、电气设备的外露导电部分和装置外导电部分经由导体与大地相连，被称为接地，有保护接地、防雷接地、工作接地几种。该技术的关键在于，避开地环电流干扰，比如一点接地；另外还要降低公共地线阻抗的耦合干扰，常见的方式为一点接地加并联接地。

不同领域的接地有区别，工业控制系统中所说的接地，未必是与大地连接，悬浮同样可以，比如直流接地，悬浮状态只要与大地绝缘，同样能起到一样的抗干扰效果。直流地悬浮能够有效地将交流网的干扰隔离开，且操作方便，在工业系统中应用较多，不足之处在于机器设备易带静电，如果静电的电位高出了一定值，极有可能会损坏器件，甚至引发安全事故。若直流地悬浮和大地之间的绝缘电阻减小，可能会有更多的干扰形成。

实际上，现代工业控制系统中各通道的信号频率大都较低，所以这里的分析以低频范围为主。如图1（a）所示，为串联接地方式，其中有3个电路，分别有其对应的电流流向接地点。而地线有电阻，这就导致最终流向的接地点的电位并不是零，继而引起各电路间的相互干扰，且其信号强度如果不同，强信号电路必然会对弱信号电路造成严重的干扰。解决方法是降低公共地线的阻抗，使其满足抗干扰容限的要求，并调整串联次序，只有如此才能把干扰降至最低，但这种方案并不适用于工业控制。而图1（b）为并联接地方式，在工业控制系统中应用较多，同样也有3个电路，但因为是并联接地，每个电路的电位与其自身的地线阻抗有关，彼此之间不会干扰。另外，选择地线时尽量选粗一些，可在一定程度上降低3个电路间的地电位差，之后在传输信号时，地线环流的干扰就不会太大。

4电气隔离

导线是电源和电磁干扰的主要传播途径，电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰。例如，某个实际电路工作的环境较差，容易造成接地等故障。如果不采用电气隔离，直接与供电电源连接，一旦该电路出现接地现象，整个电网就可能受其影响而不能正常工作。采用电气隔离后，该电路接地时就不会影响整个电网的工作，同时还可通过绝缘监测装置检测该电路对地的绝缘状况，一旦该电路发生接地，可以及时发出警报，提醒管理人员及时维修或处理，避免保护装置跳闸停电的现象发生。

以信号隔离为例，其目的是把引进的干扰通道切断，使测控装置与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。比如光电隔离，是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输人开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

5其他方法

机械电子设备种类繁多，应用范围甚广，虽然质量不断提升，但电气干扰难以彻底避免。除了以上的几种方法，在安装电子设备时还应注意科学布局，选择合适的地方，远离磁场较强或者静电较强的区域，确保周围环境安全，没有太多的干扰。正如前面所说，干扰源主要为电源干扰、电磁干扰，若远离干扰源，受到辐射的影响必然会减少，而且导线越短，收到的輻射越小。因此还要适当缩短设备之间的连线，达到降低辐射的目的。

此外，选择合适的信号传递方式也是提高设备抗干扰能力、排除机械电子设备电气干扰的重要手段。针对机械电子设备所在的系统，设计阶段就要把抗干扰考虑进去，采取抗干扰性较强的信号传递技术，就目前而言，数字型和电流型信号应用非常广，与模拟信号相比，数字信号的抗干扰能力明显更强，适合传递信号。电气干扰中的电磁干扰主要是影响信号电缆，产生共模电压，为解决这一问题，可选择电流型信号传递方式，它在传输过程中不会出现在同一回路中各点电流不一致的问题。

光纤的优势不言而喻，用以传递信号，不但容量大、传播速度快，而且有着良好的抗干扰性。如今，数字信号、电平信号的传输更多，使用光纤传输，信号以光速传播，其抗干扰能力比电缆传输信号更强更经济。再有就是使用绞线，利用其绞扭节距，可以把信号线分成若干小回路，若双绞线的绞扭一致，小回路的方向相反，所受到的电气干扰便会抵消。若绞线加一层屏蔽，抗干扰能力也会提升。

6结束语

电气干扰主要通过电和磁造成干扰，在机械电子设备中较为常见，一旦设备受到干扰，轻则影响正常运行，重则设备损坏，甚至会造成人员伤亡事故，必须予以重视，尽可能地把所有干扰都排除掉。但至于如何降低或限制干扰，对技术要求很高，需根据具体的情况分析干扰源、传输途径，并选择相应的方法。