沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 彭春文 李永清 蘆越棟 高 躍 紀(jì)曉雪 張 建

本文介紹了產(chǎn)生干擾的因素，闡述了機(jī)電一體化類(lèi)傳感器抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則，給出了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路抗干擾設(shè)計(jì)具體的抗干擾措施，對(duì)傳感器的電磁兼容設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

隨著電子技術(shù)和集成電路的迅速發(fā)展，機(jī)電一體化類(lèi)傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使用密度越來(lái)越高，相互干擾愈加嚴(yán)重，對(duì)傳感器類(lèi)產(chǎn)品可靠性要求越來(lái)越高，抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)尤為關(guān)鍵。

1 理論分析

1.1 產(chǎn)生干擾的因素及種類(lèi)

傳感器的工作環(huán)境嚴(yán)重的影響著傳感器的正常運(yùn)行，包括寬溫區(qū)的工作環(huán)境溫度變化、強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)、鹽霧及電磁場(chǎng)的干擾等，來(lái)自于各類(lèi)工作環(huán)境因素對(duì)傳感器產(chǎn)生各種干擾，有的是有規(guī)律的干擾，有的具有隨機(jī)性。其中，電磁場(chǎng)環(huán)境因素變化帶來(lái)的干擾，對(duì)傳感器的穩(wěn)定性和可靠性有著較大的影響。

在傳感器的各類(lèi)工況中，存在大量的電磁干擾因素，各種高壓電器設(shè)備、高壓開(kāi)關(guān)等都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的磁場(chǎng)變化影響，使傳感器周?chē)艌?chǎng)的發(fā)生改變，帶來(lái)的電磁干擾嚴(yán)重影響著傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。因此傳感器的抗干擾設(shè)計(jì)中電磁抗干擾設(shè)計(jì)尤為重要。

干擾的形成三要素為干擾源、傳播途徑和接受載體。電磁干擾按干擾三要素方式分以下三種：

第一種是傳導(dǎo)干擾，是通過(guò)電源、電纜，布線(xiàn)系統(tǒng)、接地系統(tǒng)等引起的串?dāng)_。

第二種是輻射干擾，在兆赫以上的高頻輻射就比較明顯，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)四分之一波長(zhǎng)時(shí)，輻射功率則相應(yīng)增大。

第三種是感應(yīng)及耦合引起的干擾。

針對(duì)以上傳導(dǎo)、輻射和感應(yīng)及耦合等不同的干擾方式，可以采取不同的抗干擾技術(shù)，切斷或屏蔽干擾源，具體方法如下：

1.1.1 抗電磁干擾方法

抗電磁干擾方法主要有三種：消除和抑制干擾源、切斷干擾耦合通道、消除接受載體的敏感性。

機(jī)電一體化類(lèi)傳感器一般由敏感元件和電路處理部分組成，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)抗干擾設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)輻射干擾采取措施。電路抗干擾設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)傳導(dǎo)干擾和感應(yīng)及耦合干擾采取措施。

1.1.2 結(jié)構(gòu)抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)

從傳感器結(jié)構(gòu)上，一般情況下，針對(duì)輻射干擾，一般采用屏蔽抗干擾技術(shù)：

屏蔽抗干擾技術(shù)是利用屏蔽體切斷或抑制干擾耦合通道的一種結(jié)構(gòu)措施，針對(duì)干擾源不同種類(lèi)可分為電場(chǎng)類(lèi)、磁場(chǎng)類(lèi)和電磁場(chǎng)類(lèi)三種。電磁類(lèi)屏蔽按屏蔽的方式包括靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。

靜電屏蔽：目的是抑制寄生電容帶來(lái)的耦合，使電路由于分布電容泄露出來(lái)的電磁能量經(jīng)屏蔽接地而不至于串入其他電路，從而使干擾得到抑制。一般情況下，屏蔽體采用低阻率材料制作。

磁屏蔽：針對(duì)一些低阻抗源如變壓器、線(xiàn)圈及示波器、顯示器，必須選用合適的電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率材料進(jìn)行屏蔽?；痉椒ㄊ怯酶邔?dǎo)磁材料，如鐵鎳合金、鎳鉛合金、純鐵和銅等做屏蔽材料。

電磁屏蔽：對(duì)高頻電磁輻射的屏蔽，采用鐵磁性材料或非鐵磁性材料的金屬材料，對(duì)電磁場(chǎng)的反射和吸收損耗；也可以使用導(dǎo)電橡膠、金屬薄膜加柔性材料；也可對(duì)輻射或敏感部分加局部屏蔽，對(duì)電源線(xiàn)纜、控制線(xiàn)纜的加屏蔽。

1.1.3 電路抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）引線(xiàn)的選用

干擾信號(hào)常常通過(guò)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、控制線(xiàn)等進(jìn)入電路造成干擾。導(dǎo)線(xiàn)選用是抑制傳導(dǎo)干擾的關(guān)鍵。

針對(duì)傳導(dǎo)干擾，引線(xiàn)采用絕緣電纜，絕緣外皮使電氣絕緣，還可增強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度、保護(hù)導(dǎo)線(xiàn)不受外界環(huán)境腐蝕，增強(qiáng)整機(jī)的可靠性。并且要保證導(dǎo)線(xiàn)的工作環(huán)境溫度不超過(guò)導(dǎo)線(xiàn)絕緣層的耐熱溫度，否則絕緣性能下降。

在傳輸路徑中電磁干擾比較多的情況下，可選用有屏蔽層的電纜，將干擾信號(hào)有效的阻擋在傳輸線(xiàn)路之外，并將屏蔽層的兩端口進(jìn)行妥善處理，比如入線(xiàn)端的引線(xiàn)屏蔽層與外殼的360°無(wú)縫連接，出線(xiàn)端引線(xiàn)的屏蔽層有效接地等，可大大增強(qiáng)抗干擾效果。

工作頻率較高、信號(hào)電平較低時(shí)，通常采用抗電磁干擾能力較強(qiáng)的雙絞線(xiàn)作為通訊線(xiàn)。

（2）濾波電路設(shè)計(jì)

硬件濾波也是抑制電路中干擾傳導(dǎo)的有效措施。增加濾波環(huán)節(jié)，濾除電路中由外引線(xiàn)導(dǎo)入電路的干擾。

根據(jù)干擾源的干擾頻率帶不同，可分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等。低通濾波器只讓有效的低頻成分通過(guò)；高通濾波器只通過(guò)有效的高頻成分；帶通濾波器只讓有效頻帶范圍內(nèi)的頻率成分通過(guò)；帶阻濾波器只抑制某一頻率范圍內(nèi)的頻率干擾，不讓其通過(guò)。一般在信號(hào)輸入部分、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路中，根據(jù)頻段選擇濾波方式和濾波頻段。濾波包括有源濾波、無(wú)源濾波等，一階濾波、二階濾波等，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選用，通過(guò)采取濾波技術(shù)，使雜波等干擾信號(hào)去除，得到穩(wěn)定有效的電信號(hào)。

（3）電路隔離技術(shù)

隔離也是電路中切斷干擾源的有效方法，把干擾源與接收部分隔離開(kāi)，通常選用隔離器件實(shí)現(xiàn)。

常用的器件有以光作媒介的光耦器件，它具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾的能力。光耦合器輸入輸出間互相隔離，使電信號(hào)單向傳輸，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

隔離變壓器是輸入繞組和輸出繞組隔離的變壓器，使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，是安全隔離的有效手段，起到保護(hù)、防雷和濾波的作用，其輸出端和輸入端是完全斷路隔離的，可有效的削弱電源及其他電路帶來(lái)的各種干擾。

輸出信號(hào)，尤其是輸出控制信號(hào)，多采用繼電器進(jìn)行輸出隔離，用較小的電流控制較大電流，按功能不同有電磁繼電器、固態(tài)繼電器等多種類(lèi)型，是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化傳感器中，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，切斷強(qiáng)電給弱電帶來(lái)的干擾。

（4）接地的技術(shù)

設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種地線(xiàn)的布局和接地方式。正確的接地方法可以減少或避免電路間的互相干擾。一般情況下，信號(hào)頻率低于兆赫的低頻段，多采用單點(diǎn)接地方式；信號(hào)頻率高于十兆赫的高頻段，可以用多點(diǎn)接地方式；中間頻段，若最長(zhǎng)的接地線(xiàn)不超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，采用單點(diǎn)接地方式，否則用多點(diǎn)接地方式。

一點(diǎn)接地：如圖1所示，低頻電路串聯(lián)一點(diǎn)接地，簡(jiǎn)單，抑制干擾能力差；兆赫以下采用并聯(lián)一點(diǎn)接地，避免各單元電路的相互串?dāng)_，但接地電阻較大。低頻時(shí)最適用，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦合。

圖1 一點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地：如圖2所示，接地電阻較小，高于十兆赫時(shí)，可用多點(diǎn)接地?？偟鼐€(xiàn)宜寬，長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，不超過(guò)0.15波長(zhǎng)，并且地線(xiàn)與機(jī)殼須有效絕緣。

圖2 多點(diǎn)接地

整機(jī)接地：在電路上將模擬電路部分與數(shù)字電路部分有效分開(kāi)，并且電路地與殼體地也要妥善分開(kāi)，避免產(chǎn)生相互干擾，有效的削弱電磁噪聲，這樣使數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)間的干擾得到很好的抑制。

1.1.4 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

如果有軟件時(shí)，可在軟件中加入自恢復(fù)抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)。包括軟件濾波技術(shù)、軟件“陷阱”技術(shù)和軟件“看門(mén)狗”技術(shù)。

（1）軟件濾波技術(shù)

傳感器信號(hào)處理技術(shù)中，一般采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方式，因?yàn)槎吒饔袃?yōu)劣，相輔相成。軟件濾波方法有中位值濾波法、算數(shù)平均濾波法、限幅平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法等多種方法，一般遵循時(shí)間原則和空間原則，可有效濾除干擾信號(hào)。

（2）軟件“陷阱”技術(shù)

軟件陷阱，就是用指令強(qiáng)行將受瞬時(shí)電磁干擾CPU偏離預(yù)定的程序指針引向一個(gè)指定的地址，進(jìn)入一段專(zhuān)門(mén)對(duì)出錯(cuò)程序進(jìn)行處理的程序代碼，處理亂飛的程序。強(qiáng)調(diào)的是，要選擇合理的代碼位置，將重新啟動(dòng)的代碼程序?qū)懭?，作為軟件“陷阱”，使系統(tǒng)重新回復(fù)正常運(yùn)行。

（3）軟件“看門(mén)狗”技術(shù)

軟件“看門(mén)狗”就是用軟件的一種技術(shù)：當(dāng)看門(mén)狗啟動(dòng)后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始自動(dòng)計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，如果沒(méi)有被復(fù)位清零，計(jì)數(shù)器溢出就會(huì)對(duì)CPU產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)重啟。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，需要在看門(mén)狗允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)看門(mén)狗計(jì)數(shù)器清零，不讓復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生。如果系統(tǒng)不出問(wèn)題，程序保證按時(shí)對(duì)看門(mén)狗計(jì)數(shù)器清零，一旦程序跑飛，沒(méi)有“喂狗”——看門(mén)狗計(jì)數(shù)器未清零，系統(tǒng)則“被咬”復(fù)位。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于使用環(huán)境復(fù)雜，許多機(jī)電一體化類(lèi)傳感器在工作現(xiàn)場(chǎng)受干擾嚴(yán)重，出現(xiàn)穩(wěn)定性差、偏差大等現(xiàn)象，多是由于安裝不當(dāng)引起，使傳感器容易受到信號(hào)干擾，因此現(xiàn)場(chǎng)安裝尤為重要，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

2.1 地線(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)安裝中，地線(xiàn)的處理非常重要。首先要將直流地和交流地分離，避免相互間的干擾；其次，邏輯地懸空；再次是傳感器殼體良好的接地，必要時(shí)，將數(shù)字地和模擬地分離。

2.2 電源

由各種電源的頻繁開(kāi)關(guān)、瞬間通斷等帶來(lái)的電磁干擾非常嚴(yán)重，瞬間干擾的量值多高達(dá)幾百伏，有的甚至可達(dá)到千伏以上，而且干擾的頻率帶很寬。傳感器的供電電源的選擇也尤為重要，通常根據(jù)具體的工況電源內(nèi)部采取不同的抗干擾措施。通常針對(duì)不同頻段采用不同的抗干擾方式：例如，在20千赫到100兆赫頻段的干擾用壓敏電阻來(lái)抑制干擾，20千赫以下頻段采用隔離變壓器減少干擾；采用交流穩(wěn)壓措施來(lái)減弱交流電網(wǎng)變化對(duì)傳感器帶來(lái)的干擾；增大電源的功率裕量來(lái)削弱直流電源波動(dòng)帶來(lái)的干擾，一般裕量選取0.5～1倍。還可在電源外部設(shè)置屏蔽罩等措施來(lái)減少由電源給傳感器帶來(lái)的擾動(dòng)，提高傳感器的工作穩(wěn)定性。

2.3 合理布局

傳感器所在的整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)合理分布，能使相互間抗干擾減弱，甚至可以消除干擾。首先是使易受干擾的傳感器遠(yuǎn)離干擾源，其次是使不同電平的電纜分別排布，減少相互間的干擾。

傳感器的安裝位置也應(yīng)慎重選擇，比如精密傳感器應(yīng)遠(yuǎn)離有強(qiáng)沖擊的場(chǎng)所，弱電傳感器放置應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)電磁干擾，減少傳導(dǎo)距離，比如測(cè)量溫度類(lèi)傳感器應(yīng)安裝到能快速感受溫度的位置，避免長(zhǎng)距離的傳導(dǎo)干擾帶來(lái)的測(cè)量誤差等。并且注意布線(xiàn)的接觸電阻及牢固性，使各引線(xiàn)接口接觸良好，保證安裝質(zhì)量，提高傳感器所在系統(tǒng)的可靠性及電磁兼容性，使傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性得到保障。

結(jié)論：機(jī)電一體化類(lèi)傳感器的抗干擾能力，是確保其可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，要充分考慮到各種因素的影響，并在設(shè)計(jì)中采取一定的抗干擾技術(shù)措施，使傳感器的電磁兼容性滿(mǎn)足其要求，并達(dá)到一個(gè)較理想的工作狀態(tài)。