模拟量传感器的抗干扰措施

一、序言

模拟传感器的应用特别宽泛，不管是在工业、农业、国防建设，仍是在平时生 活、教育事业以及科学研究等领域， 到处可见模拟传感器的身影。 但在模拟传感器的设计和使用中， 都有一个怎样使其丈量精度达到最高的问题。 而众多的扰乱向来影响着传感器的丈量精度， 如：现场大耗能设施多， 特别是大功率感性负载的启停常常会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲扰乱； 工业电网欠压或过压（涉县钢铁厂供电电压在 160V ～310V 颠簸），常常达到额定电压的 35 ％左右，这类恶劣的供电有时长达几分钟、 几小时，甚至几日；各样信号线绑扎在一同或走同一根多芯电缆， 信号会遇到扰乱， 特别是信号线与沟通动力线同走一个长的管道中扰乱尤甚； 多路开关或保持器性能不好， 也会惹起通道信号的窜扰； 空间各样电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会扰乱传感器的正常工作； 别的，现场温度、湿度的变化可能惹起电路参数发生变化， 腐化性气体、酸碱盐的作用，野外的风沙、 雨淋，甚至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的靠谱性。 模拟传感器输出

的一般都是小信号，都存在小信号放大、办理、整形以及抗扰乱问题，也就是将

或 传感器的轻微信号精准地放大到所需要的一致标准信号 (如 1VDC ～ 5VDC

4 mADC ～ 20mADC) ，并达到所需要的技术指标。这就要求设计制作者一定注 意到模拟传感器电路图上未表示出来的某些问题， 即抗扰乱问题。 只有搞清楚模拟传感器的扰乱源以及扰乱作用方式，设计出除去扰乱的电路或预防扰乱的措 施，才能达到应用模拟传感器的最正确状态。 二、扰乱源、扰乱种类及扰乱现象

传感器及仪器仪表在现场运转所遇到的扰乱多种多样，详细状况详细剖析，对不一样的扰乱采纳不一样的举措是抗扰乱的原则。 这类灵巧灵巧的策略与普适性无疑是矛盾的，解决的方法是采纳模块化的方法， 除了基本构件外， 针对不一样的运转场合，仪器可装置不一样的选件以有效地抗扰乱、 提升靠谱性。 在进一步议论电路元件的选择、电路和系统应用以前， 有必需剖析影响模拟传感器精度的扰乱源及扰乱种类。 1 、 主要扰乱源 （1）静电感觉

静电感觉是因为两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷经过寄生电容传递到另一条支路上去，所以又称电容性耦合。 （2）电磁感觉

当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会经过磁场耦合到 另一个电路， 这一现象称为电磁感觉。 比如变压器及线圈的漏磁、 通电平行导线等。

（3）漏电流感觉

因为电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳 等绝缘不良， 特别是传感器的应用环境湿度较大， 绝缘体的绝缘电阻降落， 致使漏电电流增添就会惹起扰乱。 特别当漏电流流入丈量电路的输入级时， 其影响就特别严重。

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（4）射频扰乱

主假如大型动力设施的启动、操作停止的扰乱和高次谐波扰乱。如可控硅整流系统的扰乱等。 （5）其余扰乱

现场安全生产监控系统除了易受以上扰乱外，因为系统工作环境较差，还简单遇到机械扰乱、热扰乱及化学扰乱等。

2 、扰乱的种类

（1）常模扰乱

常模扰乱是指扰乱信号的侵入在来回 2 条线上是一致的。常模扰乱根源一般是四周较强的交变磁场，使仪器受四周交变磁场影响而产生沟通电动势形成干 扰，这类扰乱较难除去。

（2）共模扰乱

共模扰乱是指扰乱信号在 2 条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号 电流只在来回 2 个线路中流过。共模扰乱的根源一般是设施对地漏电、 地电位差、 线路自己拥有对地扰乱等。 因为线路的不均衡状态， 共模扰乱会变换成常模扰乱， 就较难除去了。

（3）长时扰乱 长时扰乱是指长久存在的扰乱，此类扰乱的特色是扰乱电压长久存在且变化不大，用检测仪表很简单测出， 如电源线或周边动力线的电磁扰乱都是连续的沟通 50 Hz 工频扰乱。

（4）不测的刹时扰乱 不测刹时扰乱主要在电气设施操作时发生，如合闸或分闸等，有时也在陪伴雷电发生或无线电设施工作瞬时产生。

扰乱可大略地分为 3 个方面： （a）局部产生（即不需要的热电偶） ；

（b）子系统内部的耦合 (即地线的路径问题 )； （c）外面产生（ Bp 电源频次的扰乱）。 3 、扰乱现象

在应用中，常会碰到以下几种主要扰乱现象： （1）发指令时，电机无规则地转动；

（2）信号等于零时，数字显示表数值乱跳；

（3）传感器工作时，其输出值与实质参数所对应的信号值不符合，且偏差值是随机的、无规律的；

（4）当被测参数稳固的状况下，传感器输出的数值与被测参数所对应的信号数值的差值为一稳固或呈周期性变化的值；

（5）与沟通伺服系统共用同一电源的设施 (如显示器等 )工作不正常。 扰乱进入定位控制系统的渠道主要有两类：信号传输通道扰乱，扰乱经过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入；供电系统扰乱。

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信号传输通道是控制系统或驱动器接收反应信号和发出控制信号的门路，因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道扰乱，所以在传输过程中，长线的扰乱是主要要素。 任何电源及输电线路都存在内阻， 正是这些内阻才惹起了电源的噪声扰乱， 假如没有内阻， 不论何种噪声都会被电源短路汲取， 线路中也不会成立起任何扰乱电压； 别的，沟通伺服系统驱动器自己也是较强的扰乱源，它能够经过电源对其余设施进行扰乱。

三、抗扰乱的举措

1 、供电系统的抗扰乱设计

对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲扰乱，产生尖峰扰乱的用电设施有：电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯，甚至电烙铁等。尖峰扰乱可用硬件、软件联合的方法来克制。

（1）用硬件线路克制尖峰扰乱的影响 常用方法主要有三种：

①在仪器沟通电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的扰乱控制器，将尖峰 电压集中的能量分派到不一样的频段上，进而减弱其损坏性；

②在仪器沟通电源输入端加超级隔绝变压器，利用铁磁共振原理克制尖峰脉冲；

③在仪器沟通电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，进而削弱扰乱的影响。

（2）利用软件方法克制尖峰扰乱 关于周期性扰乱，能够采纳编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬时不采样，进而有效地除去扰乱。

（3）采纳硬、软件联合的看门狗（ watchdog ）技术克制尖峰脉冲的影响 软件：在准时器准时到以前， CPU 接见一次准时器， 让准时器从头开始计时，正常程序运转，该准时器不会产生溢出脉冲， watchdog 也就不会起作用。一旦尖峰扰乱出现了 “飞程序 ”，则 CPU 就不会在准时到以前接见准时器，因此准时信号就会出现，进而惹起系统复位中止，保证智能仪器回到正常程序上来。 （4）推行电源分组供电，比如：将履行电机的驱动电源与控制电源分开，以防备设施间的扰乱。

（ 5）采纳噪声滤波器也能够有效地克制沟通伺服驱动器对其余设施的扰乱。该举措对以上几种扰乱现象都能够有效地克制。

（6）采纳隔绝变压器 考虑到高频噪声经过变压器主要不是靠初、 次级线圈的互感耦合， 而是靠初、次级寄生电容耦合的， 所以隔绝变压器的初、 次级之间均用障蔽层隔绝， 减少其散布电容，以提升抵挡共模扰乱能力。

（7）采纳高抗扰乱性能的电源，如利用频谱均衡法设计的高抗扰乱电源。这类电源抵挡随机扰乱特别有效， 它能把高尖峰的扰动电压脉冲变换成低电压峰值（电压峰值小于 TTL 电平）的电压，但扰乱脉冲的能量不变，进而能够提升

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传感器、仪器仪表的抗扰乱能力。

2 、信号传输通道的抗扰乱设计

（1）光电耦合隔绝举措

在长距离传输过程中，采纳光电耦合器，能够将控制系统与输入通道、输出 通道以及伺服驱动器的输入、 输出通道切断电路之间的联系。 假如在电路中不采 用光电隔绝，外面的尖峰扰乱信号会进入系统或直接进入伺服驱动装置， 产生第 一种扰乱现象。

光电耦合的主要长处是能有效地克制尖峰脉冲及各样噪声扰乱，使信号传输 过程的信噪比大大提升。 扰乱噪声固然有较大的电压幅度， 可是能量很小， 只好形成轻微电流， 而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的， 一般导通电流为 10mA ～15mA ，所以即便有很大幅度的扰乱，这类扰乱也会因为不可以供应足够的电流而被克制掉。 （2）双绞障蔽线长线传输

信号在传输过程中会遇到电场、磁场和地阻抗等扰乱要素的影响，采纳接地 障蔽线能够减小电场的扰乱。 双绞线与同轴电缆对比， 固然频带较差， 但波阻抗 高，抗共模噪声能力强，能使各个小环节的电磁感觉扰乱互相抵消。此外，在长 距离传输过程中， 一般采纳差分信号传输， 可提升抗扰乱性能。 采纳双绞障蔽线

长线传输能够有效地克制前文提到的扰乱现象中的（

2）、（ 3）、（4）种扰乱的产

生。

3 、局部产生偏差的除去

在低电平丈量中，关于在信号路径中所用的 (或组成的 ) 资料一定赐予严格的 注意，在简单的电路中碰到的焊锡、 导线以及接线柱等都可能产生实质的热电势。 因为它们常常是成对出现， 所以尽量使这些成对的热电偶保持在相同的温度下是 很有效的举措， 为此一般用热障蔽、 散热器沿等温线摆列或许将大功率电路和小 功率电路分开等方法， 其目的是使热梯度减到最小两个不一样厂家生产的标准导线 (如镍铬一康铜线 )的接点可能产生 0.2mV ／℃的温漂，这相当于高精度低漂移的 运放管 (OP·27CP) 的温漂，是斩波放大器 (7650CPA) 温漂的两倍。固然采纳插座 开关、接插件、继电器等形式能使改换电器元件或组件方便一些， 但弊端是可能 产生接触电阻、热电势或二者兼而有之， 其代价是增添低电均分辨力的不稳固性， 也就是说它比直接连结系统的分辨力要差、精度要低、噪声增添、靠谱性降低。 所以，在低电平放大中尽可能地不使用开关、 接插件是减少故障、 提升精度的重要举措。

在微伏信号放大电路中，焊锡也可能成为低电平的故障，因为在焊锡的焊点 上也产生热电势。 因此，在微伏电平的输入电路中应采纳特别的低温焊锡， 比方 kesterl544 型焊锡，甚至还有这样的例子：一定在一条线路中认真地切断一处，再用焊锡接起来用于赔偿另一条线路中搭接处或焊锡点所产生的热电势。 4 、接地问题办理方法

在低电平放大电路中合理 “接地 ”是减少 “地 ”噪声扰乱的重要举措， 一定予以特别注意。当使用单电源供应多只传感器、 仪器仪表时， 应当尽量减少接地电阻引

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进的扰乱。若供电电源的压降一定减到最小，则电源 “高”端导线也可按相像的方法接线。包含有多个电源和多个传感器、 仪器仪表的系统则需要考虑得更多一些，往常不论电源是谁供应，将地线聚集到公共点，而后和系统的公共端接在一同，

全部电源 1 的负载都回到电源 1 公共端，全部的电源 2 负载都回到电源 2 的公共端，最后用一条粗导线将公共端连在一同。 在多电源系统中， 可能需要进行判断性试验，确立地线接法，以达到最正确的解决方案。

为了便于信号的传输和变换， DINIEC381 标准规定了同意的电流和电压值。常用的电压信号是 0V ～10V ，电流信号是 0mA ～ 20mA 或 4mA ～20mA 。这些信号常用于远距离传输。 电压信号在传输过程中要遇到诸如传输距离等条件的限制，而电流信号在传输过程中扰乱对它的影响较小，所以应尽量采纳电流信号。 丈量回路中假如有接地， 在两个接地址之间会出现电位差。 这个电位差对丈量结果会产生很大的影响， 应尽量防止其接地。 但假如一定接地， 这时就一定将接地回路隔走开， 以防止造成丈量偏差。 有源数字元件在开、 关时会在电源线上产生一个迅速的电流变化， 这个电流在导线电感上不单会惹起正的电压降， 并且还会惹起负的电压降。 这类电压的改变被看作扰乱在主线路上传输。 此外，电源中的换向操作单元 （如频次器） 相同会产生扰乱， 这个扰乱作为窄带频次能量耦合进入导线并流传。接在后边的电路一定将这些高频的扰乱电压经过低通滤波器滤 去。

5 、软件滤波

软件滤波是智能传感器、 仪器仪表所特有的， 可对包含频次很低（如 0.01Hz ）的扰乱信号在内的各样扰乱信号进行滤波， 并且一个数字滤波程序能为多个输入通道共用。常用的软件滤波方法有：

（1）均匀值滤波，即把 M 次采样的自述均匀值作为滤波器的输出，也能够依据需要增添新鲜采样的值的比重，形成加权均匀值滤波；

（2）中值滤波，即把 M 次连续采样值进行排序，取此中位值作为滤波器的输出，这类方法对缓变过程的脉冲扰乱滤波成效优秀；

（3）限幅滤波，这类方法是依据采样周期和真切信号的正常变化率确立相 邻两次采样的最大可能差值 ，将本次采样和上一次采样的差值小于等于 的信号 以为是有效信号，大于 的信号作为噪声办理。

（4） 惯性滤波，此乃模拟 PC 滤波器的数字实现，合用于波罢屡次的有效 信号。

6 、其余抗扰乱技术

（1）稳压技术

当前智能传感器及仪器仪表开发中常用的稳压电源有两种：一种是由集成稳压芯片供应的串连调整电源，另一种是 DC-DC 稳压电源，这对防备电网电压颠簸扰乱仪器正常工作十分有效。

（2）克制共模扰乱技术 采纳差分放大器，提升差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模扰乱的影响。

（3）软件赔偿技术

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外界要素如温湿度变化等也会惹起某些参数的变化，造成偏差。我们能够利用软件依据外界要素的变化和偏差曲线进行修正，去掉扰乱。

四、小结

抗扰乱是一个特别复杂、实践性很强的问题，一种扰乱现象可能是由若干要素惹起的。所以，在智能传感器、仪器以及测控系统的设计中，我们不单应早先采

取抗扰乱的举措， 在调试过程中还应实时剖析出碰到的现象， 对传感器、 仪器仪表的电路原理、详细布线、障蔽、电源的抗扰动能力、数字地或模拟地的办理以 及防备形式精益求精，提升传感器的靠谱性和稳固性

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