物理實驗室獨立信號接地系統設計方案

孫 鶴

（惠特環境科技有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

實驗室儀器設備的接地是一個重要而又復雜的問題，如果處理不當，會對實驗結果的精確度造成很大的影響，嚴重時會造成實驗的失敗。當前，接地系統的安裝處在新舊規范的更新階段，很多技術問題還有待探討。一種觀點是，為了防止彼此的干擾，儀表的接地系統應該與電網地線保持一定的距離；另外一種觀點是最近幾年大力提倡的等電勢連接。在初期，由于接地線的不合理，使試驗儀器的工作受到了嚴重的影響。然而，隨著建筑密度的不斷提高，在距離電網較遠的地方，對地面進行改造已不太現實。所以，在實驗室改造后，根據GB 51348—2019新標準，結合實驗室儀器的實際狀況，制定了相應的接地裝置。

1 物理實驗室的接地要求及類型

1.1 接地要求

（1）接地裝置的安全性。若所使用的裝置為交流電，則應使用黃綠色的安全地線，以防止因電源與機箱間的絕緣電阻減小而出現電機危險。

（2）接地和避雷。雷電防護裝置是一個獨立的系統，它的主要組成部分是避雷針、引下線以及與接地系統連接的連接點。在實際應用中，該接地系統與黃綠地線具有通用之處。

（3）屏蔽接地。該接地的目的在于避免線路間的互相干擾和碰撞，但在特定的絕緣與屏蔽時一定要確保屏蔽金屬的接地。

（4）噪聲與干擾的控制。為了有效地抑制室內的噪聲和外界的干擾，需要在裝置或系統上實現多條傳輸帶與地面之間的互聯，從而為干擾信號提供了最低阻抗[1]。

1.2 接地類型

（1）懸浮類。這一類是指在電氣裝置的地線和接地系統與其他的傳導結構之間沒有直接供電，它們是絕緣的。這種接地方式最大的優點就是抗干擾能力很強，缺點就是很容易產生靜電。

（2）單點接地類。這是一種電子裝置中的信號，事先會根據一個特定的點來確定，然后將這個點與整個設備的接地系統相連，從而方便了不同線路之間的信號的傳遞。優點是比較簡單、實用，不會把其他地方的電流耦合到線路中。但有一個缺點，那就是造價高，需要大量的導線。

（3）多點接地類。這一類是指在實驗室里的電子器件，其各自的電路系統中，接地線與最接近的低電阻接地線相連，而且導線的長度要更短。采用這種方式可以減小接地電阻，多根導線并聯也能降低接地導線的總電感值。它在實際應用中的優勢就是可以最大限度地簡化電子裝置的結構，減小接地阻抗，但其缺點就是對接地點的要求很高，一般都會盡量減小接地線的雜散電感和電容，更重要的是要保證接地線的完整性和科學性。

針對此種情況，如何基于學生的經驗，既激活學生潛在的知識，又能體現量角工具和量角方法的與眾不同，達到突出重點突破難點之效？筆者對此課教學作了精心的設計。

（4）混合接地類。此類是指多種接地類型相結合的方式，它具有上述的單點、多點接地的特性，能夠將電子裝置中的低頻率區域作為一次接地，而在高頻率區域，則采用多點接地方式。這類接地方式具有單點接地的特征，同時具備多點接地的優勢。比如，在整個系統中，電力系統主要采用單點接地為主，而射頻信號主要是多點接地為主的，所以可以直接采用混合接地的方式[2]。

2 接地線設計的原則

（1）數字地與模擬地分開。如果在線路板上邏輯電路和線性電路同時存在時，應該盡可能地將其分離開來。低頻線路接地時，應盡可能地采用單點并聯接地，在實際布線過程中有困難時可將將部分線路串聯后再接地。高頻線路的接地方式應以多個點串聯方式進行，地線要短、厚，在高頻元件的四周盡可能鋪上網狀的大面積的地箔。

（2）盡可能將地線加厚。若接地線采用極細的導線，會使接地電勢發生變化，從而使其抗噪能力下降。接地導線應該加厚，以達到印刷電路板容許的3倍。如果可以的話，接地線的寬度應該大于2～3 mm[3]。

3 物理實驗室中干擾信號及抗干擾措施

隨著電力電子技術的迅速發展，電磁環境不斷惡化，到處都存在著電磁干擾。特別是電子產品，因其工作和探測能力都比較弱，受到了很多電磁干擾的影響。電磁干擾不僅會影響設備的可靠性、穩定性，還會使其工作性能降低，嚴重時會導致儀器的有效信號被屏蔽。

在模擬電子試驗中，經常會遇到儀器瞬間打表、指針不穩、信號變形、干擾信號多等問題，導致試驗結果不精確、工作信號被徹底淹沒等。為了消除電磁干擾給實驗造成的負面影響，保證實驗正常順利進行，對實驗中出現的各種干擾信號進行了實驗研究。通過對其產生的原因、干擾路徑進行分析，給出了相應的抗干擾措施[4]。

3.1 干擾信號

3.1.1 穩定干擾信號

在電子實驗中，實驗室中出現了一種長時間不變的干擾信號，這些干擾信號往往會導致實驗數據與理論分析的偏差，從而影響實驗的效果。本文采用示波器，對此類干擾信號進行了實驗，并對其類型及來源進行了分析。在受彎試驗中，示波器的直方向電壓范圍刻度為50 mV，橫向時間掃描因數為5 ms。通過示波器的顯示，這種干擾是一種非標準的正弦波，其峰值Up-p=3×50 mV=150 mV，周期T=4×5 ms=20 ms，頻率f=50 Hz。實驗結果表明，這種干擾是一種工頻50 Hz的交流干擾。實驗室內的各個區域都有這樣的干擾，這些干擾信號的產生主要是來自于工頻電網以及實驗室周圍的工頻電力設備。

3.1.2 不穩定干擾信號

在電子試驗中，除了穩定的工頻干擾信號之外，還經常會產生不穩定的干擾信號。這些干擾信號會導致電子線路的暫態信號不穩定或使設備不能正常工作，從而對電子產品的性能產生不利的影響[5]。

（2）電路內部產生的干擾。在設計電子線路時，由于元器件布局、接線位置和走線形式等因素，對信號的傳遞有很大的影響。布線不當，會造成各部分的信號互相影響，造成工作信號受到嚴重的干擾，無法正常工作。

3.2 干擾途徑分析及抗干擾措施

3.2.1 外來信號干擾途徑分析及抗干擾措施

對外部信號，比如50 Hz的工頻干擾信號、移動通信信號，其對電路的干擾途徑有以下兩種，即傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指干擾信號經傳導線進入到工作線路中，對工作信號造成的干擾。輻射干擾是由干擾信號以電磁波的形式與工作點路耦合而產生的一種干擾。50 Hz的工頻干擾可以在地線、變壓器之間形成傳導性干擾，也可以通過空間形成輻射干擾。移動電話信號對電子線路的干擾一般是放射式的，針對這些外部信號所構成的電子線路的干擾，可以通過下列方法來抑制它們的干擾形式和路徑[6]。

（1）屏蔽。屏蔽是一種很好的抑制輻射干擾的方法。在電路設計與試驗中，為了避免輻射對電路造成的不利影響，可以采用對電源變壓器、工作電路進行屏蔽的方法。在進行屏蔽時，應避免電源變壓器與工作線路共用一種屏蔽，應采取絕緣屏蔽。另外，為了確保信號在傳送時不受干擾，還應該對信號的傳輸線采用屏蔽線的方式進行屏蔽。

（2）濾波。濾波是一種有效的消除傳導干擾的方法。通過引入電磁干擾濾波器，可以有效地消除電網的干擾。這樣不僅可以防止從電網發出的噪聲對電子線路造成干擾，而且還可以防止由電子線路本身發出的噪聲對電網造成污染。

3.2.2 電路內部相互影響產生的干擾及抗干擾措施

（1）合理布局。在復雜的線路中，合理的布置是十分重要的，電路的合理布置應從以下幾個方面進行。首先，各功能線路應按分區布置，并在適當的位置上布置，確保各功能線路不會相互干擾。其次，要考慮到相同的功能電路中各個元件的布置要合理，既要確保它們彼此不受干擾，又要盡量縮短它們之間的連接。

（2）接地。接地是一種有效的防止干擾的方法，適當的接地能夠減少或消除線路間的互相干擾。在模擬電路中有許多接地方式，其中常見接地方式如圖1所示。

①單級放大電路的接地。單級放大器的接地一般分為兩種，一是多點接地，二是一點接地。圖1（a）表示了多點接地連接形式。由于接地點的位置不同，接點A、O、B、C的線電阻與基準點O的線電阻也不同，因此接地點相對于基準點的電勢是不同的。由于接地點與參考點之間的電勢差異，將會在電路中產生干擾，從而影響試驗結果。

如果電路使用一點接地的方式時，圖1（b）表示了一點接地連接形式。由于每個接點都是在同一個位置上，電勢相同，因此可以有效地防止因電位差造成的電路干擾。在單級放大電路中，只要有一點接地就可以有效地避免信號干擾。

圖1 常見接地形式

②多級放大電路的接地。一般情況下，多級放大電路接地方式有兩種：串聯接地和并聯接地。圖1（c）表示了串聯的接地。因為導線OA、OB、OC的電阻不同，所以在共用接地線上會產生A、B、C3個不同的對地電位差，這些電位差異會導致各個級別的放大電路產生信號重疊，從而影響試驗結果。而并聯是將各放大器的接地線集中于一個接點，從而避免了各線路間的相互干擾，是一種相對獨立的接地方式，尤其是在低頻、多級放大電路中，其優勢更加明顯，如圖1（d）所示。

4 物理實驗室項目中的應用

4.1 物理實驗儀器設備概況

實驗室的設備種類很多，其中有弱信號模擬電路、高功率驅動電路等，在實驗室中獨立信號的接地系統中應研究常用和主要設備的抗干擾問題，并解決其主要存在的問題。在這個實驗室里，動靜態應變儀對試驗工作的影響最大，而這種設備也是最容易受到干擾的。應變儀的作用是利用測量線路輸入的亳伏電壓信號，由高增益放大器進行放大，然后傳輸到電腦上。在應變信號的轉換、傳輸和放大過程中，很容易被干擾，從而影響到測試的效果。

當應變儀在工作時，應變儀的外殼要接地。應變儀中的應變片雖然沒有與大地直接連通，但因應變片及引線絕緣或受潮而導致其電阻降低，應變片或導線與被測物體之間存在漏電容，因此，就等同于其與大地之間存在著一定的阻抗，而接地電位差U也會對測量設備造成影響。

圖2所示的應變儀為單端輸入，其輸入端L與儀表殼體相連并接地，B點為接地點，被測結果的接地點為A點。A、B之間的接地電勢為U，如果電勢變化的，則會經過漏電容C流入應變儀的輸入回路。同時，在儀表的輸入阻抗Z兩端的H、L之間產生一定的干擾電壓，在其串入信號之后進入應變儀當中。要防止地電壓電流的干擾，應使地電位差U盡可能地減小。

圖2 地電干擾

4.2 項目實施

本實驗室交流工作接地、保護接地、防雷接地，是將建筑物的樁基和地基的梁柱連接在一起，形成接地系統。將引下線在接地網面上進行比較均勻的分布，建筑的金屬結構和法拉第籠子一樣，可以對放置在里面的儀器和設備進行屏蔽。

電子設備儀器的接地系統則用另一組（3根）接地極構成的接地系統。接地極由50 mm×5 m的熱鍍鋅角鋼制成，長度為2.5 m。采用垂直鋪設方法打入實驗室反力平臺地下，每根接地板之間的間距為5 m，3根接地極用40 mm×4 m的熱鍍鋅鋼板焊接，然后沿著管道向各個設備室鋪設。該項目實施后采用接地搖表測得的接地電阻值滿足使用要求，在此之后對該儀器進行了試運行，試驗數據均正常。

5 結 論

綜上所述，隨著科技的進步，對物理實驗室的安全提出了更高的要求。在選用物理實驗室的接地系統時，必須保證各個裝置的接地性能良好。應根據實驗室的具體情況進行合理的選取，確保試驗人員能夠在保證安全運行的前提下，有效地應用抗干擾技術。