常海龍， 張丕狀

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)已無(wú)法滿足現(xiàn)代測(cè)溫技術(shù)的需求。面對(duì)強(qiáng)電磁干擾的惡劣測(cè)試環(huán)境，受環(huán)境因素的影響，給測(cè)試的準(zhǔn)確性和不確定性帶來(lái)許多困擾。對(duì)于特殊的溫度測(cè)量場(chǎng)合，必須根據(jù)實(shí)際的需求，滿足測(cè)量高精度的要求，盡可能地降低環(huán)境因素所帶來(lái)的影響。在動(dòng)力艙的內(nèi)部，存在的高溫強(qiáng)電磁干擾，為了準(zhǔn)確地研究艙內(nèi)的溫度分布情況，電磁干擾的抑制問(wèn)題必須解決。

目前，溫度測(cè)量的方法種類很多，根據(jù)測(cè)溫原理的多樣性，主要分為兩大類：接觸式測(cè)溫方法和非接觸測(cè)溫方法。接觸式測(cè)量主要包括：膨脹式測(cè)量，電量式的測(cè)量，接觸式光電、熱色測(cè)量等。而非接觸測(cè)量主要包括：輻射式測(cè)量，光譜法測(cè)量，激光干涉測(cè)量，聲波、微波法測(cè)量等。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測(cè)溫方法，由于其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn),在未來(lái)的測(cè)溫領(lǐng)域中依然能夠廣泛的使用。隨著新工藝、新材料以及新的技術(shù)發(fā)展，其應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛[1]。本文溫度測(cè)量系統(tǒng)就是采用Pt100熱敏電阻器測(cè)量方法。與傳統(tǒng)的熱電阻測(cè)溫方法相同，但是對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展優(yōu)化，可以在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中也可以正常的工作，在其他方面也做了特殊的改進(jìn)，使其可以在動(dòng)力艙內(nèi)的復(fù)雜惡劣的測(cè)試環(huán)境中，滿足測(cè)試的需求。

1 測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)相比，該測(cè)溫系統(tǒng)突出特點(diǎn)就是帶有自身抑制電磁干擾的電路模塊。系統(tǒng)主要包括：高精度的電橋電路、信號(hào)放大電路、抑制電磁干擾電路等，見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)示意圖

2 抑制電磁干擾

電磁干擾主要有兩種形式，即輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。

從抑制干擾源的角度出發(fā)，常用的技術(shù)手段有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、耦合技術(shù)3個(gè)方面。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)、外的抑制電磁干擾，需從分析電磁干擾三要素(即干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備)入手，采取有效的技術(shù)手段：抑制干擾源，減少不希望有的發(fā)射；消除或減弱干擾耦合；增加敏感設(shè)備的抗干擾能力，削弱不希望的響應(yīng)。這就要利用各種抑制干擾技術(shù)，包括合適的接地，良好的搭接，合理的布線、屏蔽、濾波和限幅等技術(shù)以及這些技術(shù)的組合使用，還包括電磁干擾的分析與預(yù)測(cè)、電磁兼容設(shè)計(jì)和電磁干擾測(cè)量技術(shù)等[2]。

2.1 接地技術(shù)

對(duì)于弱電電路系統(tǒng)，主要考慮信號(hào)接地。理想情況是電子設(shè)備直接接到大地或一個(gè)參考電位到地上，當(dāng)電流通過(guò)參考電位時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電壓降，然而由于不合理的接地，反而會(huì)引入了電磁干擾，比如：共地線干擾、地環(huán)路干擾等，從而導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常。對(duì)于工作頻率低于1 MHz和公共接地面尺寸小于工作信號(hào)波長(zhǎng)1/20的電路系統(tǒng)，宜采用單點(diǎn)接地方式；對(duì)于工作頻率高于10 MHz和公共接地面尺寸大于工作信號(hào)波長(zhǎng)1/20的電路系統(tǒng)，宜采用多點(diǎn)接地方式；而對(duì)于頻率為1～10 MHz和公共接地面尺寸為工作信號(hào)波長(zhǎng)1/20左右的電路系統(tǒng)，一般采用混合接地系統(tǒng)，對(duì)于大多數(shù)的電路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是采用混合電路方式設(shè)計(jì)電路[3]，混合接地示意圖如圖2。

圖2 混合接地系統(tǒng)

2.2 耦合技術(shù)

由于寄生電容存在，導(dǎo)體上的信號(hào)通過(guò)分布電容使其影響其他導(dǎo)體電位，形成了電容性耦合。在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，若磁場(chǎng)是交變的，又會(huì)有電感性的耦合。同時(shí)，電磁場(chǎng)輻射干擾存在，需要全方面考慮耦合技術(shù)。耦合的有效方法是減小耦合電容，對(duì)干擾源和被干擾者進(jìn)行電屏蔽。被干擾的導(dǎo)線環(huán)在干擾場(chǎng)中的放置方位應(yīng)使它對(duì)干擾磁場(chǎng)切割的磁力線最小，因而所耦合的干擾信號(hào)也最小[4]。

2.3 屏蔽技術(shù)

屏蔽按機(jī)理可以分為：電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。其中，電場(chǎng)屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽；磁場(chǎng)屏蔽包含低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽。在屏蔽技術(shù)的使用上，為達(dá)到良好的效果，應(yīng)根據(jù)干擾源的實(shí)際情況，分別采取不同的方法：當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓方式出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取電場(chǎng)屏蔽的方法。要求屏蔽殼體良好接地，接地電阻應(yīng)小于2 mΩ；當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電流形式出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取磁場(chǎng)屏蔽的方法；當(dāng)干擾源的頻率低于100 kHz時(shí)，采用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料來(lái)做屏蔽殼體，屏蔽殼體盡可能厚一些，應(yīng)注意不能在磁通垂直方向開(kāi)口；當(dāng)干擾源的頻率高于100 kHz時(shí)，應(yīng)采用良導(dǎo)體的材料來(lái)做屏蔽殼體，殼體的厚度只考慮滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，0.2～0.8 mm即可[5,6]。

3 抑制電磁干擾電路設(shè)計(jì)

本測(cè)溫系統(tǒng)的抑制電磁干擾模塊主芯片選用AD548，AD548是一種低功耗、精密、單片運(yùn)算放大器，具有良好的直流特性和交流特性。靜態(tài)電流為200 μA(最大值)，最大偏置電流為10 pA，偏置電壓為250 μV,漂移為2 μV/℃,最大噪聲為2 μV (0.1～10 Hz),壓擺率為1.8 V/μs，單位增益帶寬為1 MHz。電路圖如圖3。

圖3 抑制電磁干擾電路模塊

用儀表放大器上的增益電阻產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓去驅(qū)動(dòng)AD548芯片，從正輸入輸入，負(fù)輸入與輸出直接連接，然后輸出再接電阻器R7，最后連接屏蔽外殼。電路系統(tǒng)屏蔽線端是與Pt100的屏蔽線相連的,這也是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。除此之外，整個(gè)電路系統(tǒng)采用的大量的抑制電磁干制技術(shù)。所有的芯片的電源供電部分都有雙推偶電容，在PCB板布線時(shí)，使導(dǎo)線盡量短，少布設(shè)平行線，減小電流回路所形成面積，使其互感盡量少。選用了屏蔽外殼為鋁制材料，可以屏蔽頻率在500 kHz～30 MHz范圍內(nèi)電磁干擾。接口全部用可屏蔽電磁干擾的航空插頭，采用耐高溫和抗干擾的屏蔽導(dǎo)線，并且全部采取雙絞線，抑制電磁干擾，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 方案的驗(yàn)證分析

在室溫相同條件下，傳感器選用帶有屏蔽線鎧裝Pt100鉑電阻器，將測(cè)試調(diào)理兩路電路放入大小為110 mm×76 mm×114 mm的鋁制外殼內(nèi)(密閉)，分別做了常溫?zé)o電磁干擾、常溫強(qiáng)電磁干擾不帶屏蔽電路、常溫強(qiáng)電磁干擾帶屏蔽電路共3組實(shí)驗(yàn)，用數(shù)據(jù)采集儀采集調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)，采樣頻率為1 kHz,采集時(shí)間為4.096 s。

首先，常溫?zé)o電磁干擾環(huán)境，用數(shù)據(jù)采集儀采采集溫度測(cè)試系統(tǒng)兩路電壓值，用Matlab處理后繪制出波形，如圖4。

圖4 常溫?zé)o電磁干擾數(shù)據(jù)圖

在沒(méi)有電磁干擾的情況下，兩路信號(hào)調(diào)理溫度測(cè)試系統(tǒng)的噪聲分別為5.7,6.4 mV。

然后，將溫度測(cè)試系統(tǒng)放入強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，并將抑制電磁干擾模塊電路去掉，其他條件不變，用Matlab繪制出波形，見(jiàn)圖5。

圖5 常溫強(qiáng)電磁干擾無(wú)抗干擾電路數(shù)據(jù)

圖5表明：在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，兩路信號(hào)調(diào)理溫度測(cè)試系統(tǒng)的噪聲分別62.8,71.5 mV，干擾相當(dāng)大。

最后，將溫度測(cè)試系統(tǒng)放入強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，加入抑制電磁干擾電路，其他條件不變，用Matlab繪制出波形，見(jiàn)圖6。

圖6 常溫強(qiáng)電磁干擾有抗干擾電路

圖6表明：在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，兩路信號(hào)調(diào)理溫度測(cè)試系統(tǒng)的噪聲分別為19.5,20.9 mV，對(duì)干擾的抑制起到了很好的作用，提高了3～4倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹一種可以滿足在強(qiáng)電磁干擾和高溫環(huán)境下工作的溫度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)自身調(diào)理電路設(shè)計(jì)、對(duì)強(qiáng)電磁干擾惡劣測(cè)溫環(huán)境和對(duì)抑制電磁干擾的手段全面研究、多重考慮，設(shè)計(jì)出符合測(cè)量要求的抑制電磁干擾電路模塊，對(duì)由電磁干擾引起的噪聲起到了很好的抑制作用，提高了3～4倍，比傳統(tǒng)的溫度測(cè)量系統(tǒng)有了很大改進(jìn)，為在強(qiáng)電磁干擾、惡劣溫度環(huán)境中測(cè)量提供一種有效的方法。

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