李國銘 申 寧

（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

在機(jī)械電子設(shè)備運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)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(shù)人員感到困惑。一般來說，干擾源要能夠影響到設(shè)備的正常工作，它須經(jīng)過一定的干擾途徑傳輸?shù)侥切?duì)干擾較為敏感的設(shè)備中。從這個(gè)思路來思考，要排除機(jī)械電子設(shè)備中的電氣干擾，就必須對(duì)干擾源、干擾源的傳輸途徑以及電子設(shè)備的敏感性進(jìn)行分析。

1 電氣干擾的產(chǎn)生原因及其傳播途徑

1.1 電源處產(chǎn)生干擾

這種情況下產(chǎn)生的干擾的表現(xiàn)形式很多，變化性也非常強(qiáng)。在理論上，可以將這類干擾分為共模干擾和差模干擾2種。其中，共模干擾又叫作共態(tài)干擾、不對(duì)稱干擾，它的形成和電源輸入線對(duì)大地之間的電壓差有關(guān)；差模干擾又被叫做對(duì)稱干擾、串模干擾或者正態(tài)干擾，它常發(fā)生于同一電源路之上。在實(shí)際中，共模干擾和差模干擾會(huì)出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換的情形，因此，我們一般不會(huì)將二者區(qū)分得過于嚴(yán)格，只是籠統(tǒng)地分析電源干擾對(duì)于機(jī)械電子設(shè)備的影響。

1.2 電磁產(chǎn)生干擾

電磁干擾是指在某一混合電磁環(huán)境中，某一電子設(shè)備所受到的不能保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的干擾類型。一般來講，電磁干擾會(huì)以傳導(dǎo)和輻射這2種形式對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生影響。所謂的輻射干擾是指那類通過電磁波輻射來傳播干擾信號(hào)的輻射類型；而另外一種通過公共阻抗來傳播干擾信號(hào)的則是傳導(dǎo)干擾。與電源干擾相似，輻射干擾和傳導(dǎo)干擾也可能通過導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

1.3 干擾的傳播途徑

電源干擾的傳播通常都是通過導(dǎo)線才得以進(jìn)行的，在此過程中，由于導(dǎo)體本身的介質(zhì)作用，感染源的能量會(huì)被部分消耗。不過，值得注意的是，盡管干擾信號(hào)主要是通過導(dǎo)線傳播，但在傳播的過程中，導(dǎo)線相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射天線，它可能會(huì)向周圍空間發(fā)出干擾輻射，從而會(huì)對(duì)導(dǎo)線附近的設(shè)備產(chǎn)生干擾，而這也是干擾源的一種作用途徑。

電磁干擾的傳播途徑有2種：金屬導(dǎo)線與空間場(chǎng)。其中空間場(chǎng)是主要途徑，通過某一空間場(chǎng)，會(huì)形成一種電磁場(chǎng)，干擾信號(hào)在磁場(chǎng)內(nèi)以波的形式向設(shè)備周圍的空間傳輸。

2 排除電氣干擾的措施

經(jīng)過對(duì)電氣干擾的來源和傳播途徑進(jìn)行分析，我們可以采取有針對(duì)性的措施來排除電氣干擾對(duì)機(jī)械電子設(shè)備的消極影響。在實(shí)踐中，人們總結(jié)出了以下幾種干擾排除措施：

2.1 濾波抗干擾

濾波器是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，它由分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成，可用于抑制低頻以及中頻的電器干擾。這種設(shè)備可以對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行識(shí)別和歸類，從而只會(huì)讓允許范圍內(nèi)的頻率通過，這就起到了排除電氣干擾的作用。

濾波器的選擇對(duì)干擾排除的效果有很大影響。在常用的T型濾波器、C型濾波器、L型濾波器和π型濾波器中，有的對(duì)于濾除高頻紋波有效，有的則對(duì)濾除低頻紋波有效。如圖1所示，50Hz的C型低通濾波器就可用于排除220V交流電源所產(chǎn)生的干擾。在選擇濾波器的過程中，我們可以首先使用干擾儀器來獲取干擾源的頻譜以及干擾波的幅值，然后再作出針對(duì)性的選擇。值得注意的是，對(duì)于那些使用直流電源的電子設(shè)備，我們可以在電源處安裝并聯(lián)電容來對(duì)電源處產(chǎn)生的高頻紋波進(jìn)行過濾。

圖1 C型濾波器濾波電路圖

2.2 電氣隔離抗干擾

導(dǎo)線是干擾源傳輸?shù)闹饕緩街唬贿^，這種傳輸方式還可細(xì)分為電源線傳輸、信號(hào)線傳輸和控制線傳輸幾種形式。對(duì)于經(jīng)過導(dǎo)線傳輸?shù)碾姎飧蓴_，我們可以采用脈沖變壓器或者光電器件進(jìn)行隔離；對(duì)于模擬輸入信號(hào)干擾，我們可以使用隔離放大器來對(duì)主回路和輸入回路進(jìn)行處理，從而隔離掉模擬輸入信號(hào)。另外，我們還可以使用光電耦合以及變壓器來處理耦合輸入信號(hào)，這也是技術(shù)人員經(jīng)常使用的方式。在此，本文將對(duì)隔離放大器進(jìn)行專門介紹。如圖2所示，這種iso130隔離放大器模擬了輸入及輸出器件，它的放大器頻響為80Hz，核定電壓為1.7 mV，非線性為0.24%，在應(yīng)用中，它可以實(shí)現(xiàn)140dB的共模隔離，隔離效果良好。

圖2 iso130隔離放大器

2.3 屏蔽抗干擾

屏蔽技術(shù)在抗干擾領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍，實(shí)際上它是利用一種具備優(yōu)良導(dǎo)電性的金屬材料來制作一種全封閉殼體，而這種殼體可以限制某一設(shè)備的內(nèi)部電磁能量以防其越出設(shè)定區(qū)域；另外，它還可用于阻止外來電磁能量進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部區(qū)域。屏蔽技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)較為成熟，通常有以下幾種：（1）靜電屏蔽，也就是讓屏蔽體單端接地。（2）雙層屏蔽，這種屏蔽技術(shù)適合在強(qiáng)干擾電場(chǎng)和高電路靈敏度的情形下使用。不過，在使用過程中，我們需要特別注意的是：內(nèi)屏蔽層和外屏蔽層之間的連接只能有一點(diǎn)，并且內(nèi)外屏蔽層的間距要盡可能大，否則屏蔽效果會(huì)打折扣。（3）編織屏蔽、金屬皮屏蔽和包扎屏蔽這3種方式適合于使用電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)那樾巍＃ㄉ鲜?種屏蔽方式可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。需要注意的是，這幾種屏蔽方式各自有特別適合的使用情形：編織方式適用于屏蔽低頻信號(hào)，包扎電纜及金屬皮方式則適用于屏蔽射頻類信號(hào)）（4）金屬網(wǎng)屏蔽。在空間電磁波對(duì)高靈敏度接收設(shè)備產(chǎn)生干擾的時(shí)候，這種屏蔽方式可以發(fā)揮較為顯著的效果。

屏蔽技術(shù)對(duì)于低頻磁場(chǎng)干擾的排除效果較為顯著，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。為了能夠?qū)⒏蓴_信號(hào)控制在磁阻相當(dāng)小的屏蔽體內(nèi)，我們可以使用高導(dǎo)磁材料對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽。在抗干擾工程中，高導(dǎo)磁材料通常會(huì)被用來制作復(fù)合屏蔽電纜，這種復(fù)合屏蔽電纜通常包含3層：最里層是銅質(zhì)電磁屏蔽層，內(nèi)層是磁導(dǎo)率高的鐵磁材料，最外層則是高飽和低磁導(dǎo)率的鐵磁材料。這樣一來，干擾信號(hào)就會(huì)被一層一層地消耗掉，最終能夠傳輸?shù)皆O(shè)備的干擾磁場(chǎng)就十分微弱了。

2.4 接地抗干擾

2.4.1 接地抗干擾措施概述

接地對(duì)于機(jī)械電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行也能夠起到顯著的作用。理論上來講，我們應(yīng)該將器件、機(jī)殼底以及電源地進(jìn)行同地連接，這樣形成的公共地是機(jī)電設(shè)備進(jìn)行各種電壓測(cè)量的實(shí)際地點(diǎn)，如果在連接的過程中處置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致交流信號(hào)和直流信號(hào)的相互干擾。為了避免信號(hào)干擾，我們應(yīng)該以電容耦合的方式來進(jìn)行交流接地，而對(duì)于退耦電路而言則應(yīng)該將接地位置選擇在濾波設(shè)備附近。

機(jī)械電子設(shè)備的地線一般應(yīng)包含3條不同種類，每種不同的地線有不同的用途。其中一條用于連接機(jī)殼（比如機(jī)身、外殼和底盤），它應(yīng)該與交流電源的地線相連接；一條用于與電動(dòng)機(jī)及繼電器等設(shè)備相連，它又叫作噪聲地線；第三條用于與信號(hào)設(shè)備和數(shù)字接收器相連接，它也被叫做信號(hào)地線。在機(jī)械電子設(shè)備使用交流電源為供電電源的情況下，為了避免由于公共地線電位不均而產(chǎn)生干擾源，應(yīng)該將保護(hù)地線與電源地線進(jìn)行連接。

2.4.2 接地抗干擾具體應(yīng)用分析

由于接地是經(jīng)常采用的抗干擾措施，而且相關(guān)的研究也較為成熟，因此，本文將對(duì)這種方法具體應(yīng)用進(jìn)行探討。如圖3所示，A、B、C這3點(diǎn)分別是設(shè)備傳感器、設(shè)備放大電路和設(shè)備運(yùn)行記錄儀器的接地位置，r系列點(diǎn)為導(dǎo)線電阻（前2個(gè)是屏蔽電纜的電阻，后2個(gè)則為連接線的電阻），A、B 2點(diǎn)之間的電位差用e表示。由于地線所接受到的電荷總是多而無規(guī)則的，所以大地上任意2個(gè)點(diǎn)之間的電位差都存在，并且這些電位差的方向隨時(shí)都處在變化之中；如果這些雜亂的電位差最終進(jìn)入了測(cè)量系統(tǒng)的輸入回路，那么就會(huì)形成干擾信號(hào)，這會(huì)與原來的真實(shí)信號(hào)發(fā)生重疊，并且重疊后的信號(hào)會(huì)被放大電路予以放大。這樣一來，信號(hào)對(duì)于設(shè)備運(yùn)行的干擾是相當(dāng)嚴(yán)重的：信號(hào)源的強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于處于不斷變化之中的干擾信號(hào)強(qiáng)度，設(shè)備接收到原信號(hào)的可能性就大大降低，測(cè)量電路所接收到的信號(hào)也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重失真，從而對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重干擾。

可見，將多點(diǎn)接地法應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一些消極后果，其中常見的就是：測(cè)量系統(tǒng)很容易因?yàn)楦蓴_信號(hào)而出現(xiàn)嚴(yán)重失真。而如果對(duì)干擾源進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的路徑進(jìn)行分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，A、B 2點(diǎn)之間的回路是干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的主要路徑，相比較而言，B、C 2點(diǎn)則對(duì)干擾信號(hào)的攔截更為有效。因此，我們可以思考：是不是可以只在B處接地，從而截?cái)喔蓴_信號(hào)通過測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入輸入回路的通道。

圖3 多點(diǎn)接地的等效電路

如圖4所示，對(duì)接地這種抗干擾方法，還有另外一個(gè)地方需要引起特別注意：雖然傳感器的零電位點(diǎn)沒有接地，但是金屬屏蔽網(wǎng)可以通過A、B 2點(diǎn)與大地相連接。在這種情況下，A、B之間的干擾源仍然可以通過屏蔽網(wǎng)、大地和電阻三者形成的回路進(jìn)行流動(dòng)，它仍然可以進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)回路和測(cè)量放大回路。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，我們不難發(fā)現(xiàn)這種干擾源對(duì)于設(shè)備運(yùn)行的影響要比上面所說的傳感器零電位點(diǎn)的干擾要小很多（雖然在干擾源持續(xù)影響的情況下，消極影響仍然會(huì)很嚴(yán)重）。

圖4 電纜屏蔽網(wǎng)接地的等效電路

3 結(jié)語

電氣干擾會(huì)對(duì)機(jī)械電子設(shè)備的正常使用帶來很多不利影響，因此，對(duì)電氣干擾及抗干擾措施進(jìn)行研究就顯得十分必要，而要真正探討出抗電氣干擾的措施，就需要對(duì)干擾源及其傳輸路徑進(jìn)行研究。本文正是按照這樣的思路首先對(duì)電源干擾和電磁干擾這2類干擾源進(jìn)行了分析，然后再對(duì)如何防止和減小這些干擾源對(duì)機(jī)械電子設(shè)備的影響進(jìn)行了詳細(xì)探討。通過分析，本文總結(jié)了常用的4種抗干擾措施，并對(duì)其中的接地抗干擾進(jìn)行了具體分析。希望能夠?qū)?shí)際工作中的電子設(shè)備抗干擾工作提供有益的借鑒和幫助。

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