自动检测技术第13章-检测装置的干扰抑制技术课件.ppt

1、 第一节第一节 干扰的来源干扰的来源第二节第二节 干扰的耦合方式及传输途径干扰的耦合方式及传输途径第三节第三节 差模干扰和共模干扰差模干扰和共模干扰第四节第四节 干扰抑制技术干扰抑制技术 检测装置主要应用于实际的工业生检测装置主要应用于实际的工业生产过程，而工业现场的环境往往比较产过程，而工业现场的环境往往比较恶劣，干扰严重。这些干扰的存在，恶劣，干扰严重。这些干扰的存在，轻则影响测量精度，重则使测量结果轻则影响测量精度，重则使测量结果完全失常，因此，有效地排除和抑制完全失常，因此，有效地排除和抑制各种干扰，保证检测装置能在实际应各种干扰，保证检测装置能在实际应用中可靠地工作，已成为必须探讨和

2、用中可靠地工作，已成为必须探讨和解决的问题。解决的问题。本章就检测装置的干扰类型、干本章就检测装置的干扰类型、干扰的传输途径以及干扰的硬件、软件扰的传输途径以及干扰的硬件、软件抑制技术做一介绍。抑制技术做一介绍。第一节干扰的来源第一节干扰的来源1、外部干扰 外部干扰主要来自自然界以及检测装置周围的电气设备，是由使用条件和外界环境决定的，与系统装置本身的结构无关。自然界产生干扰的原因为自然现象，如雷电、大气电离、宇宙射线、太阳黑子活动以及其他电磁波干扰。检测装置周围的电气设备产生干扰的因素有电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、晶闸管整流装置等强电系统的影响。这些干扰主要通过供电电源对检测装置产生

3、影响。在大功率供电系统中，大电流输电线产生的交变电磁场，也会对检测装置产生干扰。一、常见的干扰类型2、内部干扰 内部干扰是由装置内部的各种元器件引起的。它包括固定干扰和过渡干扰。过渡干扰是电路在动态工作时引起的干扰。固定干扰包括电阻中随机性电子热运动引起的热噪声；半导体及电子管内载流子随机运动引起的散粒噪声；由于两种导电材料之间不完全接触时，接触面电导率的不一致而产生的接触噪声，如继电器的动静触头接触时发生的噪声等；因布线不合理，寄生振荡引起的干扰；热骚动的噪声干扰等。固定干扰是引起测量随机误差的主要原因，一般很难消除，主要靠改进工艺和元器件质量来抑制。二、噪声与信噪比1、噪声 噪声就是检测系

4、统及仪表电路中混进去的无用信号。通常所说的干扰就是噪声造成的不良效应。噪声和有用信号的区别在于，有用信号可以用确定的时间函数来描述，而噪声则不可以用预先确定的时间函数来描述。噪声属于随机过程，必须用描述随机过程的方法来描述，分析方法亦应采用随机过程的分析方法。2、信噪比信噪比是指在通道中有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为，有用信号电压为，噪声功率为，噪声电压为，则有：信噪比越大，表示噪声的影响越小。第二节干扰的耦合方式及传输途径第二节干扰的耦合方式及传输途径 干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。造成系统不能正常工作的干扰形成需要具备三个条件

5、：干扰源；对干扰敏感的接收电路；干扰源到接收电路之间的传输途径。常见的干扰耦合方式主要有静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合和漏电流耦合。1、静电耦合 静电耦合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。可用图13-1表示。为干扰源电压；为被干扰电路的输入阻抗；为造成静电耦合的寄生电容。若干扰源电压为正弦量，根据图示的电路，可以写出在上干扰电压的表达式：图示为仪表测量线路受静电耦合而产生干扰的示意图及等效电路。图中导体为对地具有电压的干扰源，为受干扰的输入测量电路导体，为与之间的寄生电容，为放大器输入阻抗，为测量电路输出的干扰电压。设 0.01，0.1，100，则有：2、电磁

6、耦合 电磁耦合又称互感耦合。当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流变化，就会通过磁交链影响到另一个电路，从而形成干扰电压。电磁耦合可用图13-3表示。图中为电路中的干扰电流源，为两电路之间的互感，为中所引起的感应干扰电压。根据交流电路理论和等效电路可得：式中，为电流干扰源的角频率。3、共阻抗耦合 共阻抗耦合干扰是由于两个以上电路有公共阻抗，当一个电路中的电流流经公共阻抗产生压降时，就形成对其他电路的干扰电压。其等效电路可用图13-5表示。图中，表示两个电路之间的共有阻抗，表示干扰源的电流，表示被干扰电路的干扰电压。根据图示的共阻抗耦合等效电路，很容易写出被干扰电路的干扰电压的表达式：可见共

7、阻抗耦合干扰电压正比于共有阻抗的值和干扰源电流。4、漏电流耦合 由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电流所引起的干扰叫做漏电流耦合。图13-7表示了漏电流引起干扰的等效电路，图中表示噪声电动势，为漏电阻，为漏电流流入电路的输入阻抗，为干扰电压。从图中可以写出的表达式：第三节差模干扰及共模干扰第三节差模干扰及共模干扰 根据干扰进入测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰和共模干扰。1、差模干扰 差模干扰又称串模干扰，是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到检测装置的输入端，如图13-8所示。图13-9所示是一种较常见的外来交变磁通对传感器的一端进行电磁耦合产生串模干扰的典型例子。2、

8、共模干扰 共模干扰又称纵向干扰，它是指检测装置两个输入端对地共有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压。造成共模干扰的主要原因是被测信号和检测装置输入信号的参考接地点不同。如图13-10所示。由图可知，共模干扰电压对二个输入端形成两个电流回路，每个输入端、的共模电压为：因此在两个输入端之间呈现的共模电压为：式中，是长电缆导线电阻；、是共模电压通道中放大器输入端的对地等效阻抗，它与放大器本身的输入阻抗、传输线对地的漏抗以及分布电容有关。3、共模干扰抑制比 为了衡量检测系统对共模干扰的抑制能力，引入共模干扰抑制比这一重要概念。共模干扰抑制比定义为作用于检测系统的共模干扰信号与使该系统

9、产生同样输出所需的差模信号之比。通常以对数形式表示为：式中，是作用此检测系统的实际共模干扰信号；是检测系统产生同样输出所需的差模信号。共模干扰抑制比也可以定义为检测系统的差模增益与共模增益之比。可用数学式表示为：式中，是差模增益；是共模增益。第四节干扰抑制技术第四节干扰抑制技术一、屏蔽技术 屏蔽技术主要是抑制电磁感应对检测装置的干扰，它是利用铜或铝等低阻材料或磁性材料把元件、电路、组合件或传输线等包围起来以隔离内外电磁的相互干扰，屏蔽包括静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽。1、静电屏蔽 能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。2、电磁屏蔽 采用导

10、电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。3、低频磁屏蔽 电磁屏蔽的措施对低频磁场干扰的屏蔽效果是很差的，因此对低频磁场的屏蔽，要用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体的内部，防止其干扰。4、驱动屏蔽 驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等。其原理如图13-11所示。二、接地技术 正确接地是检测系统抑制干扰所必须注意的问题。在设计中若能把接地和屏蔽正确地结合，就能很好地消除外界干扰的影响。接地技术的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和地电位差

11、的影响，即不使其形成地环路。在检测装置中，有以下几种“地”线。）屏蔽接地线及机壳接地线。）信号接地线。）功率地线。）交流电源地线。接地设计应注意以下几点：）一点接地和多点接地的使用原则是，一般高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。）交流地线、功率地线同信号地线不能共用。）屏蔽层与公共端连接。）屏蔽（或机壳）的接地方式。）电缆和接插件屏蔽时，高电平线和低电平线不应走同一条电缆。常见电路及用电设备的接地方式（）印制电路板内的接地方式 印制电路板内接地的基本原则是低频电路需一点接地，高频电路应就近多点接地。图13-12中单级选频放大器电路中有个线端需要接地。如果任意接地如图所示，一点接地如图b

12、所示。图13-13为多级电路的一点接地方式。（）传感器接口电路的接地方式 图13-14为传感器接口电路的接地方式，图为两点接地系统、传感器在现场接地，检测装置部分在主控室接地，把大地看作等电位体。两点接地会产生较大的共模干扰电压，对检测装置带来很大的影响。图b为一点接地，则干扰情况有较大的改善。（）检测装置与计算机系统的一点接地 检测装置与计算机系统中有多种地线，但归纳起来主要有三种性质的地线，即输入信号的低电平地线、会带来干扰的功率地线（亦称噪声地线）和机壳的金属件地线。这三种地线应分开设置，本身要遵循“一点接地”。此外这三种地线最后要汇集在一起，它们在一点上再通过专用地线和大地相连，这就构

13、成了所谓系统地线，如图13-15所示。（）电缆屏蔽层的接地方式如果检测电路是一点接地，电缆的屏蔽层也应一点接地。三、浮空技术 浮空又称浮置。被浮空的检测系统，其检测装置与机壳、大地没有任何导电性的直接联系。图13-20为目前较流行的浮空加保护屏蔽方式。在图中，检测电路有两层屏蔽，因检测电路与内层保护屏蔽层不相连接，因此属于浮置输入。四、隔离技术 当检测装置的信号测量电路及信号源在两端接地时，很容易形成环路电流，引起干扰。这时就需要采用隔离的方法。在直流或低频测量系统中，多采用光电耦合的方法来隔离，如图13-21所示。光电耦合器是由发光二极管和光敏晶体管组成，若发光二极管有信号输入，它就输出与电

14、流大小成正比的光通量，光敏晶体管把光通量变成相应的电流。由于采用了光的耦合，因此完全隔离了两个电路上的电气联系。五、滤波器1、交流电源进线对称滤波器 为了抑制高频噪声干扰，可在交流电源进线端串联一个电源滤波器。如图13-22所示。其中图为线间电压滤波器，图为线间电压和对地电压滤波器，图为简化的线间电压和对地电压滤波器。这种高频干扰电压对称滤波器，可以较有效地抑制频率为中波段的高频噪声干扰的入侵。图13-23所示为低频干扰电压滤波电路。其主要的作用是允许的基波通过，而滤除其他高次谐波。此电路对抑制因电源波形失真而引起的较多高次谐波的干扰很有效。2、直流输出滤波器 为了减弱公用电源内阻在电路之间形

15、成的噪声耦合，对直流电源的输出需加高低频成分的滤波器，如图13-24所示。图中，为高频滤波电容，为低频滤波电容。3、退耦滤波器 当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路电源进线与地线之间加装退耦滤波器，如图13-25所示。六、软件干扰抑制技术1、数字滤波 数字滤波具有很多硬件滤波器没有的优点。它是由软件算法实现的，不需要增加硬件设备，只要在程序进入控制算法之前，附加一段数字滤波的程序。各个通道可以共用一个数字滤波器，而不像硬件滤波器那样存在阻抗匹配问题。它使用灵活，只要改变滤波程序或运算参数，就可实现不同的滤波效果，很容易解决较低频信号的滤波问题。常用的数字滤波方法有算术平均值法、中位值法、抑制脉冲算术平均法（复合滤波法）。（）算术平均值法算术平均值法是对同一采样点连续采样次，然后取其平均值，其算式为：图13-26为的算术平均值法程序框图。（）中位值法中位值滤波法是对某一被测参数连续采样次（一般取为奇数），然后把次采样值按大小排列取中间值为本次采样值。图13-27是对某点连续采样三次中位值法的程序流程图。（）抑制脉冲算术平均法 这种滤波方法兼容了算术平均值法和中位值法的优点，所以无论是对缓慢变化的过程信号还是对快速变化的过程信号，都能起到很好的滤波效果。