浅谈传感器抗干扰设计

沈阳仪表科学研究院有限公司 彭春文 李永清 芦越栋 高 跃 纪晓雪 张 建

本文介绍了产生干扰的因素，阐述了机电一体化类传感器抗干扰设计的基本原则，给出了传感器机械结构设计和电路抗干扰设计具体的抗干扰措施，对传感器的电磁兼容设计有一定的指导意义。

随着电子技术和集成电路的迅速发展，机电一体化类传感器产品的应用越来越广泛，使用密度越来越高，相互干扰愈加严重，对传感器类产品可靠性要求越来越高，抗干扰设计技术尤为关键。

1 理论分析

1.1 产生干扰的因素及种类

传感器的工作环境严重的影响着传感器的正常运行，包括宽温区的工作环境温度变化、强烈的机械振动、盐雾及电磁场的干扰等，来自于各类工作环境因素对传感器产生各种干扰，有的是有规律的干扰，有的具有随机性。其中，电磁场环境因素变化带来的干扰，对传感器的稳定性和可靠性有着较大的影响。

在传感器的各类工况中，存在大量的电磁干扰因素，各种高压电器设备、高压开关等都会产生强的磁场变化影响，使传感器周围磁场的发生改变，带来的电磁干扰严重影响着传感器的稳定性和可靠性。因此传感器的抗干扰设计中电磁抗干扰设计尤为重要。

干扰的形成三要素为干扰源、传播途径和接受载体。电磁干扰按干扰三要素方式分以下三种：

第一种是传导干扰，是通过电源、电缆，布线系统、接地系统等引起的串扰。

第二种是辐射干扰，在兆赫以上的高频辐射就比较明显，当导线长度超过四分之一波长时，辐射功率则相应增大。

第三种是感应及耦合引起的干扰。

针对以上传导、辐射和感应及耦合等不同的干扰方式，可以采取不同的抗干扰技术，切断或屏蔽干扰源，具体方法如下：

1.1.1 抗电磁干扰方法

抗电磁干扰方法主要有三种：消除和抑制干扰源、切断干扰耦合通道、消除接受载体的敏感性。

机电一体化类传感器一般由敏感元件和电路处理部分组成，包括结构设计和电路设计，结构抗干扰设计，主要是针对辐射干扰采取措施。电路抗干扰设计，主要是针对传导干扰和感应及耦合干扰采取措施。

1.1.2 结构抗干扰设计技术

从传感器结构上，一般情况下，针对辐射干扰，一般采用屏蔽抗干扰技术：

屏蔽抗干扰技术是利用屏蔽体切断或抑制干扰耦合通道的一种结构措施，针对干扰源不同种类可分为电场类、磁场类和电磁场类三种。电磁类屏蔽按屏蔽的方式包括静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。

静电屏蔽：目的是抑制寄生电容带来的耦合，使电路由于分布电容泄露出来的电磁能量经屏蔽接地而不至于串入其他电路，从而使干扰得到抑制。一般情况下，屏蔽体采用低阻率材料制作。

磁屏蔽：针对一些低阻抗源如变压器、线圈及示波器、显示器，必须选用合适的电导率和高磁导率材料进行屏蔽。基本方法是用高导磁材料，如铁镍合金、镍铅合金、纯铁和铜等做屏蔽材料。

电磁屏蔽：对高频电磁辐射的屏蔽，采用铁磁性材料或非铁磁性材料的金属材料，对电磁场的反射和吸收损耗；也可以使用导电橡胶、金属薄膜加柔性材料；也可对辐射或敏感部分加局部屏蔽，对电源线缆、控制线缆的加屏蔽。

1.1.3 电路抗干扰设计技术

（1）引线的选用

干扰信号常常通过电源线、信号线、控制线等进入电路造成干扰。导线选用是抑制传导干扰的关键。

针对传导干扰，引线采用绝缘电缆，绝缘外皮使电气绝缘，还可增强导线的机械强度、保护导线不受外界环境腐蚀，增强整机的可靠性。并且要保证导线的工作环境温度不超过导线绝缘层的耐热温度，否则绝缘性能下降。

在传输路径中电磁干扰比较多的情况下，可选用有屏蔽层的电缆，将干扰信号有效的阻挡在传输线路之外，并将屏蔽层的两端口进行妥善处理，比如入线端的引线屏蔽层与外壳的360°无缝连接，出线端引线的屏蔽层有效接地等，可大大增强抗干扰效果。

工作频率较高、信号电平较低时，通常采用抗电磁干扰能力较强的双绞线作为通讯线。

（2）滤波电路设计

硬件滤波也是抑制电路中干扰传导的有效措施。增加滤波环节，滤除电路中由外引线导入电路的干扰。

根据干扰源的干扰频率带不同，可分为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等。低通滤波器只让有效的低频成分通过；高通滤波器只通过有效的高频成分；带通滤波器只让有效频带范围内的频率成分通过；带阻滤波器只抑制某一频率范围内的频率干扰，不让其通过。一般在信号输入部分、信号采集电路、信号处理电路中，根据频段选择滤波方式和滤波频段。滤波包括有源滤波、无源滤波等，一阶滤波、二阶滤波等，可根据具体情况进行选用，通过采取滤波技术，使杂波等干扰信号去除，得到稳定有效的电信号。

（3）电路隔离技术

隔离也是电路中切断干扰源的有效方法，把干扰源与接收部分隔离开，通常选用隔离器件实现。

常用的器件有以光作媒介的光耦器件，它具有较强的隔离和抗干扰的能力。光耦合器输入输出间互相隔离，使电信号单向传输，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

隔离变压器是输入绕组和输出绕组隔离的变压器，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，是安全隔离的有效手段，起到保护、防雷和滤波的作用，其输出端和输入端是完全断路隔离的，可有效的削弱电源及其他电路带来的各种干扰。

输出信号，尤其是输出控制信号，多采用继电器进行输出隔离，用较小的电流控制较大电流，按功能不同有电磁继电器、固态继电器等多种类型，是具有隔离功能的自动开关器件，广泛应用于机电一体化传感器中，从而可实现强电和弱电的隔离，切断强电给弱电带来的干扰。

（4）接地的技术

设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方式。正确的接地方法可以减少或避免电路间的互相干扰。一般情况下，信号频率低于兆赫的低频段，多采用单点接地方式；信号频率高于十兆赫的高频段，可以用多点接地方式；中间频段，若最长的接地线不超过波长的1/20，采用单点接地方式，否则用多点接地方式。

一点接地：如图1所示，低频电路串联一点接地，简单，抑制干扰能力差；兆赫以下采用并联一点接地，避免各单元电路的相互串扰，但接地电阻较大。低频时最适用，不会因地电流而引起各电路间的耦合。

图1 一点接地

多点接地：如图2所示，接地电阻较小，高于十兆赫时，可用多点接地。总地线宜宽，长度不宜过长，不超过0.15波长，并且地线与机壳须有效绝缘。

图2 多点接地

整机接地：在电路上将模拟电路部分与数字电路部分有效分开，并且电路地与壳体地也要妥善分开，避免产生相互干扰，有效的削弱电磁噪声，这样使数字信号与模拟信号间的干扰得到很好的抑制。

1.1.4 软件抗干扰设计

如果有软件时，可在软件中加入自恢复抗干扰设计技术。包括软件滤波技术、软件“陷阱”技术和软件“看门狗”技术。

（1）软件滤波技术

传感器信号处理技术中，一般采用硬件滤波和软件滤波相结合的方式，因为二者各有优劣，相辅相成。软件滤波方法有中位值滤波法、算数平均滤波法、限幅平均滤波法、滑动平均滤波法等多种方法，一般遵循时间原则和空间原则，可有效滤除干扰信号。

（2）软件“陷阱”技术

软件陷阱，就是用指令强行将受瞬时电磁干扰CPU偏离预定的程序指针引向一个指定的地址，进入一段专门对出错程序进行处理的程序代码，处理乱飞的程序。强调的是，要选择合理的代码位置，将重新启动的代码程序写入，作为软件“陷阱”，使系统重新回复正常运行。

（3）软件“看门狗”技术

软件“看门狗”就是用软件的一种技术：当看门狗启动后，计数器开始自动计数，经过一定时间，如果没有被复位清零，计数器溢出就会对CPU产生一个复位信号使系统重启。系统正常运行时，需要在看门狗允许的时间间隔内对看门狗计数器清零，不让复位信号产生。如果系统不出问题，程序保证按时对看门狗计数器清零，一旦程序跑飞，没有“喂狗”——看门狗计数器未清零，系统则“被咬”复位。

2 实验验证

由于使用环境复杂，许多机电一体化类传感器在工作现场受干扰严重，出现稳定性差、偏差大等现象，多是由于安装不当引起，使传感器容易受到信号干扰，因此现场安装尤为重要，应注意以下几个方面：

2.1 地线

现场安装中，地线的处理非常重要。首先要将直流地和交流地分离，避免相互间的干扰；其次，逻辑地悬空；再次是传感器壳体良好的接地，必要时，将数字地和模拟地分离。

2.2 电源

由各种电源的频繁开关、瞬间通断等带来的电磁干扰非常严重，瞬间干扰的量值多高达几百伏，有的甚至可达到千伏以上，而且干扰的频率带很宽。传感器的供电电源的选择也尤为重要，通常根据具体的工况电源内部采取不同的抗干扰措施。通常针对不同频段采用不同的抗干扰方式：例如，在20千赫到100兆赫频段的干扰用压敏电阻来抑制干扰，20千赫以下频段采用隔离变压器减少干扰；采用交流稳压措施来减弱交流电网变化对传感器带来的干扰；增大电源的功率裕量来削弱直流电源波动带来的干扰，一般裕量选取0.5～1倍。还可在电源外部设置屏蔽罩等措施来减少由电源给传感器带来的扰动，提高传感器的工作稳定性。

2.3 合理布局

传感器所在的整个系统应合理分布，能使相互间抗干扰减弱，甚至可以消除干扰。首先是使易受干扰的传感器远离干扰源，其次是使不同电平的电缆分别排布，减少相互间的干扰。

传感器的安装位置也应慎重选择，比如精密传感器应远离有强冲击的场所，弱电传感器放置应避开强电磁干扰，减少传导距离，比如测量温度类传感器应安装到能快速感受温度的位置，避免长距离的传导干扰带来的测量误差等。并且注意布线的接触电阻及牢固性，使各引线接口接触良好，保证安装质量，提高传感器所在系统的可靠性及电磁兼容性，使传感器的测量准确度和稳定性得到保障。

结论：机电一体化类传感器的抗干扰能力，是确保其可以长期、稳定、可靠工作的一个重要环节，因此在实际应用中，针对各种现场环境，要充分考虑到各种因素的影响，并在设计中采取一定的抗干扰技术措施，使传感器的电磁兼容性满足其要求，并达到一个较理想的工作状态。