排除機(jī)械電子設(shè)備中電氣干擾的措施研究

李國銘 申 寧

（煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺 264000）

0 引言

在機(jī)械電子設(shè)備運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的干擾，在這些干擾中，電氣干擾最為常見，其廣泛存在于遙控器和傳感器的使用過程中，這常使技術(shù)人員感到困惑。一般來說，干擾源要能夠影響到設(shè)備的正常工作，它須經(jīng)過一定的干擾途徑傳輸?shù)侥切Ω蓴_較為敏感的設(shè)備中。從這個(gè)思路來思考，要排除機(jī)械電子設(shè)備中的電氣干擾，就必須對干擾源、干擾源的傳輸途徑以及電子設(shè)備的敏感性進(jìn)行分析。

1 電氣干擾的產(chǎn)生原因及其傳播途徑

1.1 電源處產(chǎn)生干擾

這種情況下產(chǎn)生的干擾的表現(xiàn)形式很多，變化性也非常強(qiáng)。在理論上，可以將這類干擾分為共模干擾和差模干擾2種。其中，共模干擾又叫作共態(tài)干擾、不對稱干擾，它的形成和電源輸入線對大地之間的電壓差有關(guān)；差模干擾又被叫做對稱干擾、串模干擾或者正態(tài)干擾，它常發(fā)生于同一電源路之上。在實(shí)際中，共模干擾和差模干擾會(huì)出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換的情形，因此，我們一般不會(huì)將二者區(qū)分得過于嚴(yán)格，只是籠統(tǒng)地分析電源干擾對于機(jī)械電子設(shè)備的影響。

1.2 電磁產(chǎn)生干擾

電磁干擾是指在某一混合電磁環(huán)境中，某一電子設(shè)備所受到的不能保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的干擾類型。一般來講，電磁干擾會(huì)以傳導(dǎo)和輻射這2種形式對電子設(shè)備產(chǎn)生影響。所謂的輻射干擾是指那類通過電磁波輻射來傳播干擾信號的輻射類型；而另外一種通過公共阻抗來傳播干擾信號的則是傳導(dǎo)干擾。與電源干擾相似，輻射干擾和傳導(dǎo)干擾也可能通過導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

1.3 干擾的傳播途徑

電源干擾的傳播通常都是通過導(dǎo)線才得以進(jìn)行的，在此過程中，由于導(dǎo)體本身的介質(zhì)作用，感染源的能量會(huì)被部分消耗。不過，值得注意的是，盡管干擾信號主要是通過導(dǎo)線傳播，但在傳播的過程中，導(dǎo)線相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射天線，它可能會(huì)向周圍空間發(fā)出干擾輻射，從而會(huì)對導(dǎo)線附近的設(shè)備產(chǎn)生干擾，而這也是干擾源的一種作用途徑。

電磁干擾的傳播途徑有2種：金屬導(dǎo)線與空間場。其中空間場是主要途徑，通過某一空間場，會(huì)形成一種電磁場，干擾信號在磁場內(nèi)以波的形式向設(shè)備周圍的空間傳輸。

2 排除電氣干擾的措施

經(jīng)過對電氣干擾的來源和傳播途徑進(jìn)行分析，我們可以采取有針對性的措施來排除電氣干擾對機(jī)械電子設(shè)備的消極影響。在實(shí)踐中，人們總結(jié)出了以下幾種干擾排除措施：

2.1 濾波抗干擾

濾波器是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，它由分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成，可用于抑制低頻以及中頻的電器干擾。這種設(shè)備可以對信號頻率進(jìn)行識別和歸類，從而只會(huì)讓允許范圍內(nèi)的頻率通過，這就起到了排除電氣干擾的作用。

濾波器的選擇對干擾排除的效果有很大影響。在常用的T型濾波器、C型濾波器、L型濾波器和π型濾波器中，有的對于濾除高頻紋波有效，有的則對濾除低頻紋波有效。如圖1所示，50Hz的C型低通濾波器就可用于排除220V交流電源所產(chǎn)生的干擾。在選擇濾波器的過程中，我們可以首先使用干擾儀器來獲取干擾源的頻譜以及干擾波的幅值，然后再作出針對性的選擇。值得注意的是，對于那些使用直流電源的電子設(shè)備，我們可以在電源處安裝并聯(lián)電容來對電源處產(chǎn)生的高頻紋波進(jìn)行過濾。

圖1 C型濾波器濾波電路圖

2.2 電氣隔離抗干擾

導(dǎo)線是干擾源傳輸?shù)闹饕緩街唬贿^，這種傳輸方式還可細(xì)分為電源線傳輸、信號線傳輸和控制線傳輸幾種形式。對于經(jīng)過導(dǎo)線傳輸?shù)碾姎飧蓴_，我們可以采用脈沖變壓器或者光電器件進(jìn)行隔離；對于模擬輸入信號干擾，我們可以使用隔離放大器來對主回路和輸入回路進(jìn)行處理，從而隔離掉模擬輸入信號。另外，我們還可以使用光電耦合以及變壓器來處理耦合輸入信號，這也是技術(shù)人員經(jīng)常使用的方式。在此，本文將對隔離放大器進(jìn)行專門介紹。如圖2所示，這種iso130隔離放大器模擬了輸入及輸出器件，它的放大器頻響為80Hz，核定電壓為1.7 mV，非線性為0.24%，在應(yīng)用中，它可以實(shí)現(xiàn)140dB的共模隔離，隔離效果良好。

圖2 iso130隔離放大器

2.3 屏蔽抗干擾

屏蔽技術(shù)在抗干擾領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍，實(shí)際上它是利用一種具備優(yōu)良導(dǎo)電性的金屬材料來制作一種全封閉殼體，而這種殼體可以限制某一設(shè)備的內(nèi)部電磁能量以防其越出設(shè)定區(qū)域；另外，它還可用于阻止外來電磁能量進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部區(qū)域。屏蔽技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)較為成熟，通常有以下幾種：（1）靜電屏蔽，也就是讓屏蔽體單端接地。（2）雙層屏蔽，這種屏蔽技術(shù)適合在強(qiáng)干擾電場和高電路靈敏度的情形下使用。不過，在使用過程中，我們需要特別注意的是：內(nèi)屏蔽層和外屏蔽層之間的連接只能有一點(diǎn)，并且內(nèi)外屏蔽層的間距要盡可能大，否則屏蔽效果會(huì)打折扣。（3）編織屏蔽、金屬皮屏蔽和包扎屏蔽這3種方式適合于使用電纜進(jìn)行信號傳輸?shù)那樾巍＃ㄉ鲜?種屏蔽方式可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。需要注意的是，這幾種屏蔽方式各自有特別適合的使用情形：編織方式適用于屏蔽低頻信號，包扎電纜及金屬皮方式則適用于屏蔽射頻類信號）（4）金屬網(wǎng)屏蔽。在空間電磁波對高靈敏度接收設(shè)備產(chǎn)生干擾的時(shí)候，這種屏蔽方式可以發(fā)揮較為顯著的效果。

屏蔽技術(shù)對于低頻磁場干擾的排除效果較為顯著，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。為了能夠?qū)⒏蓴_信號控制在磁阻相當(dāng)小的屏蔽體內(nèi)，我們可以使用高導(dǎo)磁材料對干擾信號進(jìn)行屏蔽。在抗干擾工程中，高導(dǎo)磁材料通常會(huì)被用來制作復(fù)合屏蔽電纜，這種復(fù)合屏蔽電纜通常包含3層：最里層是銅質(zhì)電磁屏蔽層，內(nèi)層是磁導(dǎo)率高的鐵磁材料，最外層則是高飽和低磁導(dǎo)率的鐵磁材料。這樣一來，干擾信號就會(huì)被一層一層地消耗掉，最終能夠傳輸?shù)皆O(shè)備的干擾磁場就十分微弱了。

2.4 接地抗干擾

2.4.1 接地抗干擾措施概述

接地對于機(jī)械電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行也能夠起到顯著的作用。理論上來講，我們應(yīng)該將器件、機(jī)殼底以及電源地進(jìn)行同地連接，這樣形成的公共地是機(jī)電設(shè)備進(jìn)行各種電壓測量的實(shí)際地點(diǎn)，如果在連接的過程中處置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致交流信號和直流信號的相互干擾。為了避免信號干擾，我們應(yīng)該以電容耦合的方式來進(jìn)行交流接地，而對于退耦電路而言則應(yīng)該將接地位置選擇在濾波設(shè)備附近。

機(jī)械電子設(shè)備的地線一般應(yīng)包含3條不同種類，每種不同的地線有不同的用途。其中一條用于連接機(jī)殼（比如機(jī)身、外殼和底盤），它應(yīng)該與交流電源的地線相連接；一條用于與電動(dòng)機(jī)及繼電器等設(shè)備相連，它又叫作噪聲地線；第三條用于與信號設(shè)備和數(shù)字接收器相連接，它也被叫做信號地線。在機(jī)械電子設(shè)備使用交流電源為供電電源的情況下，為了避免由于公共地線電位不均而產(chǎn)生干擾源，應(yīng)該將保護(hù)地線與電源地線進(jìn)行連接。

2.4.2 接地抗干擾具體應(yīng)用分析

由于接地是經(jīng)常采用的抗干擾措施，而且相關(guān)的研究也較為成熟，因此，本文將對這種方法具體應(yīng)用進(jìn)行探討。如圖3所示，A、B、C這3點(diǎn)分別是設(shè)備傳感器、設(shè)備放大電路和設(shè)備運(yùn)行記錄儀器的接地位置，r系列點(diǎn)為導(dǎo)線電阻（前2個(gè)是屏蔽電纜的電阻，后2個(gè)則為連接線的電阻），A、B 2點(diǎn)之間的電位差用e表示。由于地線所接受到的電荷總是多而無規(guī)則的，所以大地上任意2個(gè)點(diǎn)之間的電位差都存在，并且這些電位差的方向隨時(shí)都處在變化之中；如果這些雜亂的電位差最終進(jìn)入了測量系統(tǒng)的輸入回路，那么就會(huì)形成干擾信號，這會(huì)與原來的真實(shí)信號發(fā)生重疊，并且重疊后的信號會(huì)被放大電路予以放大。這樣一來，信號對于設(shè)備運(yùn)行的干擾是相當(dāng)嚴(yán)重的：信號源的強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于處于不斷變化之中的干擾信號強(qiáng)度，設(shè)備接收到原信號的可能性就大大降低，測量電路所接收到的信號也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重失真，從而對設(shè)備的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重干擾。

可見，將多點(diǎn)接地法應(yīng)用于測量系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一些消極后果，其中常見的就是：測量系統(tǒng)很容易因?yàn)楦蓴_信號而出現(xiàn)嚴(yán)重失真。而如果對干擾源進(jìn)入測量系統(tǒng)的路徑進(jìn)行分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，A、B 2點(diǎn)之間的回路是干擾信號進(jìn)入測量系統(tǒng)的主要路徑，相比較而言，B、C 2點(diǎn)則對干擾信號的攔截更為有效。因此，我們可以思考：是不是可以只在B處接地，從而截?cái)喔蓴_信號通過測量系統(tǒng)進(jìn)入輸入回路的通道。

圖3 多點(diǎn)接地的等效電路

如圖4所示，對接地這種抗干擾方法，還有另外一個(gè)地方需要引起特別注意：雖然傳感器的零電位點(diǎn)沒有接地，但是金屬屏蔽網(wǎng)可以通過A、B 2點(diǎn)與大地相連接。在這種情況下，A、B之間的干擾源仍然可以通過屏蔽網(wǎng)、大地和電阻三者形成的回路進(jìn)行流動(dòng)，它仍然可以進(jìn)入測量系統(tǒng)回路和測量放大回路。通過實(shí)驗(yàn)室測試，我們不難發(fā)現(xiàn)這種干擾源對于設(shè)備運(yùn)行的影響要比上面所說的傳感器零電位點(diǎn)的干擾要小很多（雖然在干擾源持續(xù)影響的情況下，消極影響仍然會(huì)很嚴(yán)重）。

圖4 電纜屏蔽網(wǎng)接地的等效電路

3 結(jié)語

電氣干擾會(huì)對機(jī)械電子設(shè)備的正常使用帶來很多不利影響，因此，對電氣干擾及抗干擾措施進(jìn)行研究就顯得十分必要，而要真正探討出抗電氣干擾的措施，就需要對干擾源及其傳輸路徑進(jìn)行研究。本文正是按照這樣的思路首先對電源干擾和電磁干擾這2類干擾源進(jìn)行了分析，然后再對如何防止和減小這些干擾源對機(jī)械電子設(shè)備的影響進(jìn)行了詳細(xì)探討。通過分析，本文總結(jié)了常用的4種抗干擾措施，并對其中的接地抗干擾進(jìn)行了具體分析。希望能夠?qū)?shí)際工作中的電子設(shè)備抗干擾工作提供有益的借鑒和幫助。

［1］曹艷賓，武占成，孫永衛(wèi).系統(tǒng)電子設(shè)備間電磁干擾診斷方法的研究［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8（5）：1～2

［2］張海泉.電子設(shè)備的地環(huán)路干擾及抑制措施［J］.現(xiàn)代技術(shù)研究，2009，25（3）：78～79

［3］李英俊，金光龍，金成.電氣干擾分析及措施［J］.機(jī)械設(shè)備，2009，30（1）：48

［4］王曉輝，張小青.風(fēng)電機(jī)組內(nèi)電子設(shè)備的雷電電磁干擾分析［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35（8）：202

［5］孫久軍，梁佳華，方曉濤.機(jī)械電子設(shè)備中的電氣干擾及抗干擾措施［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（3）：51