排除機械電子設備中電氣干擾的主要措施

侯大鵬

摘要：電子設備是指由集成電路、晶體管和電子管等電子元器件組成的，應用電子技術軟件發揮作用的設備。在機械電子設備運行中會出現各種各樣的干擾，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，這常使技術人員感到困惑。電氣干擾一般包括電源干擾和電磁干擾，在此介紹幾種常用的抗干擾措施。

關鍵詞：機械；電子設備；電氣干擾；濾波器：措施

機械電子設備一般包括控制器，傳感器，執行機構等部分組成。機械電子設備在當前有著廣泛應用，實際運行時，很容易受到干擾，比如電氣干擾，在現實中發生率極高且影響很大。電氣干擾具有多發性、隨機性的特點。電氣干擾也是最讓技術人員頭疼的技術問題之一。若不及時處理，可能會導致機器異常，使用壽命縮短，甚至機器被毀，對周圍人員的人身安全構成威脅。因此，必須加強此方面的研究，深入了解電氣干擾的來源、傳播方式、影響等，繼而采取有效的應對之策。電氣干擾一般包括電源干擾和電磁干擾，電源干擾是由于電壓產生電流干擾機械設備的運行，因此其傳播是需要通過導線進行的。電源干擾是一種很復雜的干擾，產生的原因是多樣的，并包括了許多可變的因素，反映出干擾的形式也是多種多樣。由于電源干擾發電壓較小，因此電源干擾會隨著導線的延長而逐漸減小。電磁干擾進入設備的方式可分為二大類、即傳導和輻射。在此介紹幾種常用的抗干擾措施。

1濾波抗干擾

該方法主要是通過濾波器對信號中特點波段頻率予以濾除，從而達到抑制電氣干擾傳輸的目的，多用于抑制低頻和中頻干擾。所以，濾波器是一種能夠對波進行過濾的器件，包括電容、電感、電阻等幾部分。按照信號頻段可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器，按照處理的信號可分為模擬濾波器和數字濾波器。不同的濾波器，所處理的范圍也不相同，比如高通濾波器主要抑制低頻干擾，而低通濾波器則主要抑制高頻分量和干擾。這就要求，采用此方法時，必須要提前清楚干擾源的頻譜和干擾波的幅值等信息，一般可以使用專業的干擾儀器進行檢測，然后根據實際情況選擇最為適宜的濾波器并合理運用。

以饋通濾波器為例，在金屬面板上應用較多，比如雷達、通訊設備等，能夠有效地抑制高頻諧波。隨著現代科技的發展，機械電子設備的工作環境更加復雜，電磁干擾頻率不斷增高，必須做好高頻濾波的準備。饋通濾波器的優勢在于，高頻濾波效果較好，可保護屏蔽體不被穿透。其電路結構有多種，如π形、C形、T形，其中C形就是常說的穿心電容器。使用饋通濾波器，最常見的方法就是將其直接安裝在屏蔽體的面板上，另外還可以安裝在電路之間的隔離板上，或者安裝于線路板的地線層。市場上有螺紋安裝、焊接式安裝兩大類產品，前者方便簡單，容易操作，使用較多；后者雖能節省空間，整體性能的可靠性高，但焊接時產生的過高溫度，可能會損壞濾波器。

2屏蔽抗干擾

屏蔽抗干擾是抗電磁干擾的重要方法，此方法理解起來較為容易，即利用屏蔽體減少或阻止電氣干擾的傳輸，阻止外部干擾進入，同時限制內部的電磁能量越出某個區域。實際生活中，隔離和衰減輻射的場合應用較多，所謂屏蔽體，多為導電性能良好的金屬材料制成的全封閉的殼體。

屏蔽干擾又分為電屏蔽、磁屏蔽，電屏蔽指的是空腔金屬導體處于靜電平衡狀態時，導體內部的場強和腔內的場強都為零，此時安置在腔內的物體不受外界電場干擾，又叫靜電屏蔽。在靜電屏蔽中，屏蔽體必須接地，常見的使用方法是，直接在電容耦合通道安插接地的金屬屏蔽導體，導體接地，干擾電壓為零，能夠將原來形成干擾的耦合通道隔斷。

關于磁屏蔽，電氣干擾的一個重要干擾源就是磁干擾，其運行時會產生磁場，該磁場一般是隨時間不斷變化的，對電路干擾非常嚴重。電磁屏蔽通常是指對于高頻電磁場的屏蔽，電磁波在傳輸過程中遇到阻擋層便會被衰減或限制，從而起到電磁屏蔽的效果。與靜電屏蔽不同，屏蔽體是否接地對電磁屏蔽影響不大，但屏蔽體的導電連續性對電磁屏蔽效果影響極大。所以，一旦屏蔽體的導電連續性被破壞，其屏蔽效果便會大幅降低，裂口、縫隙等都常常會破壞屏蔽體的導電連續性，比如電腦機箱上的通風口、顯示窗等。為解決這些問題，在處理縫隙時多會選擇使用電磁密封襯墊，如導電布、指形簧片、金屬絲網襯墊等，選擇時需綜合產品的屏蔽效能、回彈力、壓縮永久性變、最小密封壓力、最大形變量等指標考慮。

3接地抗干擾

有效的接地是保證機械電子設備工作穩定性和設備安全的重要因素，電力系統和電氣裝置中的中性點、電氣設備的外露導電部分和裝置外導電部分經由導體與大地相連，被稱為接地，有保護接地、防雷接地、工作接地幾種。該技術的關鍵在于，避開地環電流干擾，比如一點接地；另外還要降低公共地線阻抗的耦合干擾，常見的方式為一點接地加并聯接地。

不同領域的接地有區別，工業控制系統中所說的接地，未必是與大地連接，懸浮同樣可以，比如直流接地，懸浮狀態只要與大地絕緣，同樣能起到一樣的抗干擾效果。直流地懸浮能夠有效地將交流網的干擾隔離開，且操作方便，在工業系統中應用較多，不足之處在于機器設備易帶靜電，如果靜電的電位高出了一定值，極有可能會損壞器件，甚至引發安全事故。若直流地懸浮和大地之間的絕緣電阻減小，可能會有更多的干擾形成。

實際上，現代工業控制系統中各通道的信號頻率大都較低，所以這里的分析以低頻范圍為主。如圖1（a）所示，為串聯接地方式，其中有3個電路，分別有其對應的電流流向接地點。而地線有電阻，這就導致最終流向的接地點的電位并不是零，繼而引起各電路間的相互干擾，且其信號強度如果不同，強信號電路必然會對弱信號電路造成嚴重的干擾。解決方法是降低公共地線的阻抗，使其滿足抗干擾容限的要求，并調整串聯次序，只有如此才能把干擾降至最低，但這種方案并不適用于工業控制。而圖1（b）為并聯接地方式，在工業控制系統中應用較多，同樣也有3個電路，但因為是并聯接地，每個電路的電位與其自身的地線阻抗有關，彼此之間不會干擾。另外，選擇地線時盡量選粗一些，可在一定程度上降低3個電路間的地電位差，之后在傳輸信號時，地線環流的干擾就不會太大。

4電氣隔離

導線是電源和電磁干擾的主要傳播途徑，電氣隔離的作用主要是減少兩個不同的電路之間的相互干擾。例如，某個實際電路工作的環境較差，容易造成接地等故障。如果不采用電氣隔離，直接與供電電源連接，一旦該電路出現接地現象，整個電網就可能受其影響而不能正常工作。采用電氣隔離后，該電路接地時就不會影響整個電網的工作，同時還可通過絕緣監測裝置檢測該電路對地的絕緣狀況，一旦該電路發生接地，可以及時發出警報，提醒管理人員及時維修或處理，避免保護裝置跳閘停電的現象發生。

以信號隔離為例，其目的是把引進的干擾通道切斷，使測控裝置與現場僅保持信號聯系，不直接發生電的聯系。工控裝置與現場信號之間常用的隔離方式有光電隔離、脈沖變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。比如光電隔離，是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸人開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。由于光電耦合器不是將輸入側和輸出側的電信號進行直接耦合，而是以光為媒介進行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。

5其他方法

機械電子設備種類繁多，應用范圍甚廣，雖然質量不斷提升，但電氣干擾難以徹底避免。除了以上的幾種方法，在安裝電子設備時還應注意科學布局，選擇合適的地方，遠離磁場較強或者靜電較強的區域，確保周圍環境安全，沒有太多的干擾。正如前面所說，干擾源主要為電源干擾、電磁干擾，若遠離干擾源，受到輻射的影響必然會減少，而且導線越短，收到的輻射越小。因此還要適當縮短設備之間的連線，達到降低輻射的目的。

此外，選擇合適的信號傳遞方式也是提高設備抗干擾能力、排除機械電子設備電氣干擾的重要手段。針對機械電子設備所在的系統，設計階段就要把抗干擾考慮進去，采取抗干擾性較強的信號傳遞技術，就目前而言，數字型和電流型信號應用非常廣，與模擬信號相比，數字信號的抗干擾能力明顯更強，適合傳遞信號。電氣干擾中的電磁干擾主要是影響信號電纜，產生共模電壓，為解決這一問題，可選擇電流型信號傳遞方式，它在傳輸過程中不會出現在同一回路中各點電流不一致的問題。

光纖的優勢不言而喻，用以傳遞信號，不但容量大、傳播速度快，而且有著良好的抗干擾性。如今，數字信號、電平信號的傳輸更多，使用光纖傳輸，信號以光速傳播，其抗干擾能力比電纜傳輸信號更強更經濟。再有就是使用絞線，利用其絞扭節距，可以把信號線分成若干小回路，若雙絞線的絞扭一致，小回路的方向相反，所受到的電氣干擾便會抵消。若絞線加一層屏蔽，抗干擾能力也會提升。

6結束語

電氣干擾主要通過電和磁造成干擾，在機械電子設備中較為常見，一旦設備受到干擾，輕則影響正常運行，重則設備損壞，甚至會造成人員傷亡事故，必須予以重視，盡可能地把所有干擾都排除掉。但至于如何降低或限制干擾，對技術要求很高，需根據具體的情況分析干擾源、傳輸途徑，并選擇相應的方法。