沈陽儀表科學(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，闡述了機電一體化類傳感器抗干擾設(shè)計的基本原則，給出了傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路抗干擾設(shè)計具體的抗干擾措施，對傳感器的電磁兼容設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

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

1 理論分析

1.1 產(chǎn)生干擾的因素及種類

傳感器的工作環(huán)境嚴(yán)重的影響著傳感器的正常運行，包括寬溫區(qū)的工作環(huán)境溫度變化、強烈的機械振動、鹽霧及電磁場的干擾等，來自于各類工作環(huán)境因素對傳感器產(chǎn)生各種干擾，有的是有規(guī)律的干擾，有的具有隨機性。其中，電磁場環(huán)境因素變化帶來的干擾，對傳感器的穩(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、高壓開關(guān)等都會產(chǎn)生強的磁場變化影響，使傳感器周圍磁場的發(fā)生改變，帶來的電磁干擾嚴(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)計中電磁抗干擾設(shè)計尤為重要。

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，是通過電源、電纜，布線系統(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)線長度超過四分之一波長時，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。

機電一體化類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)計和電路設(shè)計，結(jié)構(gòu)抗干擾設(shè)計，主要是針對輻射干擾采取措施。電路抗干擾設(shè)計，主要是針對傳導(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)計技術(shù)

從傳感器結(jié)構(gòu)上，一般情況下，針對輻射干擾，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，針對干擾源不同種類可分為電場類、磁場類和電磁場類三種。電磁類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的耦合，使電路由于分布電容泄露出來的電磁能量經(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：針對一些低阻抗源如變壓器、線圈及示波器、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，對電磁場的反射和吸收損耗；也可以使用導(dǎo)電橡膠、金屬薄膜加柔性材料；也可對輻射或敏感部分加局部屏蔽，對電源線纜、控制線纜的加屏蔽。

1.1.3 電路抗干擾設(shè)計技術(shù)

（1）引線的選用

干擾信號常常通過電源線、信號線、控制線等進(jìn)入電路造成干擾。導(dǎo)線選用是抑制傳導(dǎo)干擾的關(guān)鍵。

針對傳導(dǎo)干擾，引線采用絕緣電纜，絕緣外皮使電氣絕緣，還可增強導(dǎo)線的機械強度、保護(hù)導(dǎo)線不受外界環(huán)境腐蝕，增強整機的可靠性。并且要保證導(dǎo)線的工作環(huán)境溫度不超過導(dǎo)線絕緣層的耐熱溫度，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，將干擾信號有效的阻擋在傳輸線路之外，并將屏蔽層的兩端口進(jìn)行妥善處理，比如入線端的引線屏蔽層與外殼的360°無縫連接，出線端引線的屏蔽層有效接地等，可大大增強抗干擾效果。

工作頻率較高、信號電平較低時，通常采用抗電磁干擾能力較強的雙絞線作為通訊線。

（2）濾波電路設(shè)計

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；高通濾波器只通過有效的高頻成分；帶通濾波器只讓有效頻帶范圍內(nèi)的頻率成分通過；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。一般在信號輸入部分、信號采集電路、信號處理電路中，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，通過采取濾波技術(shù)，使雜波等干擾信號去除，得到穩(wěn)定有效的電信號。

（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，通常選用隔離器件實現(xiàn)。

常用的器件有以光作媒介的光耦器件，它具有較強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的各種干擾。

輸出信號，尤其是輸出控制信號，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)繼電器等多種類型，是具有隔離功能的自動開關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于機電一體化傳感器中，從而可實現(xiàn)強電和弱電的隔離，切斷強電給弱電帶來的干擾。

（4）接地的技術(shù)

設(shè)計時要綜合考慮各種地線的布局和接地方式。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，信號頻率低于兆赫的低頻段，多采用單點接地方式；信號頻率高于十兆赫的高頻段，可以用多點接地方式；中間頻段，若最長的接地線不超過波長的1/20，采用單點接地方式，否則用多點接地方式。

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

圖1 一點接地

多點接地：如圖2所示，接地電阻較小，高于十兆赫時，可用多點接地?？偟鼐€宜寬，長度不宜過長，不超過0.15波長，并且地線與機殼須有效絕緣。

圖2 多點接地

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

1.1.4 軟件抗干擾設(shè)計

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

（1）軟件濾波技術(shù)

傳感器信號處理技術(shù)中，一般采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方式，因為二者各有優(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、滑動平均濾波法等多種方法，一般遵循時間原則和空間原則，可有效濾除干擾信號。

（2）軟件“陷阱”技術(shù)

軟件陷阱，就是用指令強行將受瞬時電磁干擾CPU偏離預(yù)定的程序指針引向一個指定的地址，進(jìn)入一段專門對出錯程序進(jìn)行處理的程序代碼，處理亂飛的程序。強調(diào)的是，要選擇合理的代碼位置，將重新啟動的代碼程序?qū)懭?，作為軟件“陷阱”，使系統(tǒng)重新回復(fù)正常運行。

（3）軟件“看門狗”技術(shù)

軟件“看門狗”就是用軟件的一種技術(shù)：當(dāng)看門狗啟動后，計數(shù)器開始自動計數(shù)，經(jīng)過一定時間，如果沒有被復(fù)位清零，計數(shù)器溢出就會對CPU產(chǎn)生一個復(fù)位信號使系統(tǒng)重啟。系統(tǒng)正常運行時，需要在看門狗允許的時間間隔內(nèi)對看門狗計數(shù)器清零，不讓復(fù)位信號產(chǎn)生。如果系統(tǒng)不出問題，程序保證按時對看門狗計數(shù)器清零，一旦程序跑飛，沒有“喂狗”——看門狗計數(shù)器未清零，系統(tǒng)則“被咬”復(fù)位。

2 實驗驗證

由于使用環(huán)境復(fù)雜，許多機電一體化類傳感器在工作現(xiàn)場受干擾嚴(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干擾，因此現(xiàn)場安裝尤為重要，應(yīng)注意以下幾個方面：

2.1 地線

現(xiàn)場安裝中，地線的處理非常重要。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，將數(shù)字地和模擬地分離。

2.2 電源

由各種電源的頻繁開關(guān)、瞬間通斷等帶來的電磁干擾非常嚴(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)壓措施來減弱交流電網(wǎng)變化對傳感器帶來的干擾；增大電源的功率裕量來削弱直流電源波動帶來的干擾，一般裕量選取0.5～1倍。還可在電源外部設(shè)置屏蔽罩等措施來減少由電源給傳感器帶來的擾動，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)離有強沖擊的場所，弱電傳感器放置應(yīng)避開強電磁干擾，減少傳導(dǎo)距離，比如測量溫度類傳感器應(yīng)安裝到能快速感受溫度的位置，避免長距離的傳導(dǎo)干擾帶來的測量誤差等。并且注意布線的接觸電阻及牢固性，使各引線接口接觸良好，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，使傳感器的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性得到保障。

結(jié)論：機電一體化類傳感器的抗干擾能力，是確保其可以長期、穩(wěn)定、可靠工作的一個重要環(huán)節(jié)，因此在實際應(yīng)用中，針對各種現(xiàn)場環(huán)境，要充分考慮到各種因素的影響，并在設(shè)計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足其要求，并達(dá)到一個較理想的工作狀態(tài)。