行业知识 | 传感器抗干扰技术强不强，这个设计尤为关键~

 

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。

 

抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能是由若干因素引起的。因此，在传感器电路以及测控系统的设计中，不仅应预先采取抗干扰措施，在调试过程中还应及时分析出遇到的现象，对传感器及其系统的电路原理、具体布线、屏蔽、电源的抗干扰能力、数字地或模拟地的处理以及防护形式不断改进，以提高电路的可靠性和稳定性。

 

 

传感器产生干扰的因素和种类

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，主要方法有以下几种:

 

 

屏蔽技术

屏蔽技术可以有效防止电场或磁场的干扰。屏蔽又可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。
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溢影响外电路。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，它可以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会更好。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。

 

 

接地技术

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。

不同的传感器检测条件对接地的方式也有不同的要求，必须选择合适的接地方法，常用接地方法有一点接地和多点接地。

1、一点接地

在低频电路中一般建议采用一点接地，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。
 

 

2、多点接地

一般建议高频电路采用多点接地。高频时，即使一小段地线也将有较大的阻抗压降，加上分布电容的作用，不可能实现一点接地，因此可采用平面式接地方式，即多点接地方式，利用一个良好的导电平面体(如采用多层线路板中的一层)接至零电位基准点上，各高频电路的地就近接至该导电平面体上。

由于导电平面体的高频阻抗很小，基本保证了每一处电位的一致，同时加设旁路电容等减少压降。因此，这种情况要采用多点接地方式。

 

 

 

隔离技术

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。通常有变压器隔离和光电隔离两种。

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。

 

 

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种类有以下几种：

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。