強電磁干擾環境下高精度溫度測量

常海龍， 張丕狀

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著測溫技術的發展，傳統的測溫技術已無法滿足現代測溫技術的需求。面對強電磁干擾的惡劣測試環境，受環境因素的影響，給測試的準確性和不確定性帶來許多困擾。對于特殊的溫度測量場合，必須根據實際的需求，滿足測量高精度的要求，盡可能地降低環境因素所帶來的影響。在動力艙的內部，存在的高溫強電磁干擾，為了準確地研究艙內的溫度分布情況，電磁干擾的抑制問題必須解決。

目前，溫度測量的方法種類很多，根據測溫原理的多樣性，主要分為兩大類：接觸式測溫方法和非接觸測溫方法。接觸式測量主要包括：膨脹式測量，電量式的測量，接觸式光電、熱色測量等。而非接觸測量主要包括：輻射式測量，光譜法測量，激光干涉測量，聲波、微波法測量等。傳統的熱電偶、熱電阻測溫方法，由于其技術成熟、結構簡單、使用方便的特點,在未來的測溫領域中依然能夠廣泛的使用。隨著新工藝、新材料以及新的技術發展，其應用范圍會更加廣泛[1]。本文溫度測量系統就是采用Pt100熱敏電阻器測量方法。與傳統的熱電阻測溫方法相同，但是對其進行了擴展優化，可以在強電磁干擾環境中也可以正常的工作，在其他方面也做了特殊的改進，使其可以在動力艙內的復雜惡劣的測試環境中，滿足測試的需求。

1 測溫系統結構

與傳統的測溫系統相比，該測溫系統突出特點就是帶有自身抑制電磁干擾的電路模塊。系統主要包括：高精度的電橋電路、信號放大電路、抑制電磁干擾電路等，見圖1。

圖1 測溫系統示意圖

2 抑制電磁干擾

電磁干擾主要有兩種形式，即輻射干擾和傳導干擾。

從抑制干擾源的角度出發，常用的技術手段有屏蔽技術、接地技術、耦合技術3個方面。為了實現測溫系統系統內、外的抑制電磁干擾，需從分析電磁干擾三要素(即干擾源、耦合途徑和敏感設備)入手，采取有效的技術手段：抑制干擾源，減少不希望有的發射；消除或減弱干擾耦合；增加敏感設備的抗干擾能力，削弱不希望的響應。這就要利用各種抑制干擾技術，包括合適的接地，良好的搭接，合理的布線、屏蔽、濾波和限幅等技術以及這些技術的組合使用，還包括電磁干擾的分析與預測、電磁兼容設計和電磁干擾測量技術等[2]。

2.1 接地技術

對于弱電電路系統，主要考慮信號接地。理想情況是電子設備直接接到大地或一個參考電位到地上，當電流通過參考電位時不會產生電壓降，然而由于不合理的接地，反而會引入了電磁干擾，比如：共地線干擾、地環路干擾等，從而導致電力電子設備工作不正常。對于工作頻率低于1 MHz和公共接地面尺寸小于工作信號波長1/20的電路系統，宜采用單點接地方式；對于工作頻率高于10 MHz和公共接地面尺寸大于工作信號波長1/20的電路系統，宜采用多點接地方式；而對于頻率為1～10 MHz和公共接地面尺寸為工作信號波長1/20左右的電路系統，一般采用混合接地系統，對于大多數的電路系統來說，是采用混合電路方式設計電路[3]，混合接地示意圖如圖2。

圖2 混合接地系統

2.2 耦合技術

由于寄生電容存在，導體上的信號通過分布電容使其影響其他導體電位，形成了電容性耦合。在任何載流導體周圍空間中都會產生磁場，若磁場是交變的，又會有電感性的耦合。同時，電磁場輻射干擾存在，需要全方面考慮耦合技術。耦合的有效方法是減小耦合電容，對干擾源和被干擾者進行電屏蔽。被干擾的導線環在干擾場中的放置方位應使它對干擾磁場切割的磁力線最小，因而所耦合的干擾信號也最小[4]。

2.3 屏蔽技術

屏蔽按機理可以分為：電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。其中，電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽；磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。在屏蔽技術的使用上，為達到良好的效果，應根據干擾源的實際情況，分別采取不同的方法：當干擾源產生的干擾是以電壓方式出現時，應采取電場屏蔽的方法。要求屏蔽殼體良好接地，接地電阻應小于2 mΩ；當干擾源產生的干擾是以電流形式出現時，應采取磁場屏蔽的方法；當干擾源的頻率低于100 kHz時，采用高導磁率的鐵磁材料來做屏蔽殼體，屏蔽殼體盡可能厚一些，應注意不能在磁通垂直方向開口；當干擾源的頻率高于100 kHz時，應采用良導體的材料來做屏蔽殼體，殼體的厚度只考慮滿足機械強度的要求，0.2～0.8 mm即可[5,6]。

3 抑制電磁干擾電路設計

本測溫系統的抑制電磁干擾模塊主芯片選用AD548，AD548是一種低功耗、精密、單片運算放大器，具有良好的直流特性和交流特性。靜態電流為200 μA(最大值)，最大偏置電流為10 pA，偏置電壓為250 μV,漂移為2 μV/℃,最大噪聲為2 μV (0.1～10 Hz),壓擺率為1.8 V/μs，單位增益帶寬為1 MHz。電路圖如圖3。

圖3 抑制電磁干擾電路模塊

用儀表放大器上的增益電阻產生驅動電壓去驅動AD548芯片，從正輸入輸入，負輸入與輸出直接連接，然后輸出再接電阻器R7，最后連接屏蔽外殼。電路系統屏蔽線端是與Pt100的屏蔽線相連的,這也是本系統的關鍵技術。除此之外，整個電路系統采用的大量的抑制電磁干制技術。所有的芯片的電源供電部分都有雙推偶電容，在PCB板布線時，使導線盡量短，少布設平行線，減小電流回路所形成面積，使其互感盡量少。選用了屏蔽外殼為鋁制材料，可以屏蔽頻率在500 kHz～30 MHz范圍內電磁干擾。接口全部用可屏蔽電磁干擾的航空插頭，采用耐高溫和抗干擾的屏蔽導線，并且全部采取雙絞線，抑制電磁干擾，保證了系統的可靠性和穩定性。

4 方案的驗證分析

在室溫相同條件下，傳感器選用帶有屏蔽線鎧裝Pt100鉑電阻器，將測試調理兩路電路放入大小為110 mm×76 mm×114 mm的鋁制外殼內(密閉)，分別做了常溫無電磁干擾、常溫強電磁干擾不帶屏蔽電路、常溫強電磁干擾帶屏蔽電路共3組實驗，用數據采集儀采集調理電路輸出的電壓信號，采樣頻率為1 kHz,采集時間為4.096 s。

首先，常溫無電磁干擾環境，用數據采集儀采采集溫度測試系統兩路電壓值，用Matlab處理后繪制出波形，如圖4。

圖4 常溫無電磁干擾數據圖

在沒有電磁干擾的情況下，兩路信號調理溫度測試系統的噪聲分別為5.7,6.4 mV。

然后，將溫度測試系統放入強電磁干擾的環境中，并將抑制電磁干擾模塊電路去掉，其他條件不變，用Matlab繪制出波形，見圖5。

圖5 常溫強電磁干擾無抗干擾電路數據

圖5表明：在強電磁干擾環境中，兩路信號調理溫度測試系統的噪聲分別62.8,71.5 mV，干擾相當大。

最后，將溫度測試系統放入強電磁干擾環境中，加入抑制電磁干擾電路，其他條件不變，用Matlab繪制出波形，見圖6。

圖6 常溫強電磁干擾有抗干擾電路

圖6表明：在強電磁干擾環境中，兩路信號調理溫度測試系統的噪聲分別為19.5,20.9 mV，對干擾的抑制起到了很好的作用，提高了3～4倍。

5 結束語

本文介紹一種可以滿足在強電磁干擾和高溫環境下工作的溫度測量系統，通過自身調理電路設計、對強電磁干擾惡劣測溫環境和對抑制電磁干擾的手段全面研究、多重考慮，設計出符合測量要求的抑制電磁干擾電路模塊，對由電磁干擾引起的噪聲起到了很好的抑制作用，提高了3～4倍，比傳統的溫度測量系統有了很大改進，為在強電磁干擾、惡劣溫度環境中測量提供一種有效的方法。

參考文獻:

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[5] 單 秦.高速動車組電磁兼容性關鍵技術研究[D].北京：北京交通大學,2013：7-28.

[6] Azizi H，Belkacem F Tahar，Moussaoui D.Electromagnetic interference from shielding effectiveness of a rectangular enclosure with apertures-circuital approach,FDTD and FIT modelling[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2014,28(3):494-514.