摘要：本文分析了影響模擬傳感器小信號(hào)處理精度的干擾根源,、干擾種類以及干擾現(xiàn)象，給出了實(shí)際應(yīng)用中的各種抗干擾措施,。

關(guān)鍵詞：模擬傳感器,；小信號(hào)處理,；抗干擾措施

一、前言

模擬傳感器的應(yīng)用非常廣泛,，不論是在工業(yè),、農(nóng)業(yè)、國防建設(shè),，還是在日常生活,、教育事業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，處處可見模擬傳感器的身影。但在模擬傳感器的設(shè)計(jì)和使用中,，都有一個(gè)如何使其測量精度達(dá)到zui高的問題,。而眾多的干擾一直影響著傳感器的測量精度，如：現(xiàn)場大耗能設(shè)備多,，特別是大功率感性負(fù)載的啟停往往會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾,；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過壓，常常達(dá)到額定電壓的35％左右,，這種惡劣的供電有時(shí)長達(dá)幾分鐘,、幾小時(shí)，甚至幾天,；各種信號(hào)線綁扎在一起或走同一根多芯電纜,，信號(hào)會(huì)受到干擾，特別是信號(hào)線與交流動(dòng)力線同走一個(gè)長的管道中干擾尤甚,；多路開關(guān)或保持器性能不好,，也會(huì)引起通道信號(hào)的竄擾；空間各種電磁,、氣象條件,、雷電甚至地磁場的變化也會(huì)干擾傳感器的正常工作；此外,，現(xiàn)場溫度,、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕性氣體,、酸堿鹽的作用,，野外的風(fēng)沙、雨淋,，甚至鼠咬蟲蛀等都會(huì)影響傳感器的可靠性,。模擬傳感器輸出的一般都是小信號(hào)，都存在小信號(hào)放大,、處理,、整形以及抗干擾問題，也就是將傳感器的微弱信號(hào)地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC）,，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo),。這就要求設(shè)計(jì)制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來的某些問題，即抗干擾問題,。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式,，設(shè)計(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達(dá)到應(yīng)用模擬傳感器的*狀態(tài),。

二,、干擾源,、干擾種類及干擾現(xiàn)象

傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場運(yùn)行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析,，對(duì)不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則,。這種靈活機(jī)動(dòng)的策略與普適性無疑是矛盾的，解決的辦法是采用模塊化的方法,，除了基本構(gòu)件外,，針對(duì)不同的運(yùn)行場合，儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾,、提高可靠性,。在進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前,，有必要分析影響模擬傳感器精度的干擾源及干擾種類,。

1、 主要干擾源

（1）靜電感應(yīng)
靜電感應(yīng)是由于兩條支電路或元件之間存在著寄生電容,，使一條支路上的電荷通過寄生電容傳送到另一條支路上去,，因此又稱電容性耦合。
（2）電磁感應(yīng)
當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí),，一個(gè)電路中電流的變化就會(huì)通過磁場耦合到另一個(gè)電路,，這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁,、通電平行導(dǎo)線等,。
（3）漏電流感應(yīng)
由于電子線路內(nèi)部的元件支架,、接線柱,、印刷電路板、電容內(nèi)部介質(zhì)或外殼等絕緣不良,，特別是傳感器的應(yīng)用環(huán)境濕度較大,，絕緣體的絕緣電阻下降，導(dǎo)致漏電電流增加就會(huì)引起干擾,。尤其當(dāng)漏電流流入測量電路的輸入級(jí)時(shí),，其影響就特別嚴(yán)重。
（4）射頻干擾
主要是大型動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng),、操作停止的干擾和高次諧波干擾,。如可控硅整流系統(tǒng)的干擾等。
（5）其他干擾
現(xiàn)場安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)除了易受以上干擾外,，由于系統(tǒng)工作環(huán)境較差,，還容易受到機(jī)械干擾、熱干擾及化學(xué)干擾等,。

2,、干擾的種類

（1）常模干擾
常模干擾是指干擾信號(hào)的侵入在往返2條線上是一致的,。常模干擾來源一般是周圍較強(qiáng)的交變磁場，使儀器受周圍交變磁場影響而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢形成干擾,，這種干擾較難除掉,。
（2）共模干擾
共模干擾是指干擾信號(hào)在2條線上各流過一部分，以地為公共回路,，而信號(hào)電流只在往返2個(gè)線路中流過,。共模干擾的來源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差,、線路本身具有對(duì)地干擾等,。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾,，就較難除掉了,。
（3）長時(shí)干擾
長時(shí)干擾是指長期存在的干擾，此類干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長期存在且變化不大,，用檢測儀表很容易測出,，如電源線或鄰近動(dòng)力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50 Hz工頻干擾。
（4）意外的瞬時(shí)干擾
意外瞬時(shí)干擾主要在電氣設(shè)備操作時(shí)發(fā)生,，如合閘或分閘等,，有時(shí)也在伴隨雷電發(fā)生或無線電設(shè)備工作瞬間產(chǎn)生。
干擾可粗略地分為3個(gè)方面：
（a）局部產(chǎn)生（即不需要的熱電偶）,；
（b）子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合（即地線的路徑問題）,；
（c）外部產(chǎn)生（Bp電源頻率的干擾）。

3,、干擾現(xiàn)象

在應(yīng)用中,，常會(huì)遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：
（1）發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng),；
（2）信號(hào)等于零時(shí),，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；
（3）傳感器工作時(shí),，其輸出值與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值不吻合,，且誤差值是隨機(jī)的、無規(guī)律的,；
（4）當(dāng)被測參數(shù)穩(wěn)定的情況下,，傳感器輸出的數(shù)值與被測參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈周期性變化的值；
（5）與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備（如顯示器等）工作不正常,。

干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類：信號(hào)傳輸通道干擾,，干擾通過與系統(tǒng)相聯(lián)的信號(hào)輸入通道、輸出通道進(jìn)入,；供電系統(tǒng)干擾,。信號(hào)傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)器接收反饋信號(hào)和發(fā)出控制信號(hào)的途徑,，因?yàn)槊}沖波在傳輸線上會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變,、衰減與通道干擾,，所以在傳輸過程中，長線的干擾是主要因素,。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻,，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒有內(nèi)阻,，無論何種噪聲都會(huì)被電源短路吸收,，線路中也不會(huì)建立起任何干擾電壓；此外,，交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器本身也是較強(qiáng)的干擾源,，它可以通過電源對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾。

三,、抗干擾的措施

1,、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)傳感器、儀器儀表正常工作危害zui嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾,，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊機(jī),、大電機(jī)、可控機(jī),、繼電接觸器,、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等,。尖峰干擾可用硬件,、軟件結(jié)合的辦法來抑制。

（1）用硬件線路抑制尖峰干擾的影響
常用辦法主要有三種：
①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器,，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上,，從而減弱其破壞性,；
②在儀器交流電源輸入端加超級(jí)隔離變壓器,，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖；
③在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻,，利用尖峰脈沖到來時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓,，從而削弱干擾的影響。
（2）利用軟件方法抑制尖峰干擾 　
對(duì)于周期性干擾,，可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波,，也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣，從而有效地消除干擾,。
（3）采用硬,、軟件結(jié)合的看門狗（watchdog）技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響 　
軟件：在定時(shí)器定時(shí)到之前,，CPU訪問一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí),，正常程序運(yùn)行,，該定時(shí)器不會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì)起作用,。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”,，則CPU就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問定時(shí)器，因而定時(shí)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn),，從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷,，保證智能儀器回到正常程序上來。
（4）實(shí)行電源分組供電,，例如：將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分開,，以防止設(shè)備間的干擾。
（5）采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其它設(shè)備的干擾,。該措施對(duì)以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制,。
（6）采用隔離變壓器
考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級(jí)線圈的互感耦合,，而是靠初,、次級(jí)寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初,、次級(jí)之間均用屏蔽層隔離,，減少其分布電容，以提高抵抗共模干擾能力,。
（7）采用高抗干擾性能的電源,，如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效,，它能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓峰值（電壓峰值小于TTL電平）的電壓,，但干擾脈沖的能量不變，從而可以提高傳感器,、儀器儀表的抗干擾能力,。

2、信號(hào)傳輸通道的抗干擾設(shè)計(jì)

（1）光電耦合隔離措施
在長距離傳輸過程中,，采用光電耦合器,，可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、輸出通道以及伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入,、輸出通道切斷電路之間的,。如果在電路中不采用光電隔離，外部的尖峰干擾信號(hào)會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)裝置,，產(chǎn)生*種干擾現(xiàn)象,。
光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾,，使信號(hào)傳輸過程的信噪比大大提高。干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度,，但是能量很小,，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的,，一般導(dǎo)通電流為10mA～15mA,，所以即使有很大幅度的干擾，這種干擾也會(huì)由于不能提供足夠的電流而被抑制掉,。

（2）雙絞屏蔽線長線傳輸
信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到電場,、磁場和地阻抗等干擾因素的影響，采用接地屏蔽線可以減小電場的干擾,。雙絞線與同軸電纜相比,，雖然頻帶較差，但波阻抗高,，抗共模噪聲能力強(qiáng),，能使各個(gè)小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。另外,，在長距離傳輸過程中,，一般采用差分信號(hào)傳輸，可提高抗干擾性能,。采用雙絞屏蔽線長線傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現(xiàn)象中的（2）,、（3）、（4）種干擾的產(chǎn)生,。

3,、局部產(chǎn)生誤差的消除
在低電平測量中，對(duì)于在信號(hào)路徑中所用的（或構(gòu)成的）材料必須給予嚴(yán)格的注意,，在簡單的電路中遇到的焊錫,、導(dǎo)線以及接線柱等都可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢。由于它們經(jīng)常是成對(duì)出現(xiàn),，因此盡量使這些成對(duì)的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效的措施,，為此一般用熱屏蔽、散熱器沿等溫線排列或者將大功率,。