孫 鶴

（惠特環(huán)境科技有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

實驗室儀器設(shè)備的接地是一個重要而又復雜的問題，如果處理不當，會對實驗結(jié)果的精確度造成很大的影響，嚴重時會造成實驗的失敗。當前，接地系統(tǒng)的安裝處在新舊規(guī)范的更新階段，很多技術(shù)問題還有待探討。一種觀點是，為了防止彼此的干擾，儀表的接地系統(tǒng)應(yīng)該與電網(wǎng)地線保持一定的距離；另外一種觀點是最近幾年大力提倡的等電勢連接。在初期，由于接地線的不合理，使試驗儀器的工作受到了嚴重的影響。然而，隨著建筑密度的不斷提高，在距離電網(wǎng)較遠的地方，對地面進行改造已不太現(xiàn)實。所以，在實驗室改造后，根據(jù)GB 51348—2019新標準，結(jié)合實驗室儀器的實際狀況，制定了相應(yīng)的接地裝置。

1 物理實驗室的接地要求及類型

1.1 接地要求

（1）接地裝置的安全性。若所使用的裝置為交流電，則應(yīng)使用黃綠色的安全地線，以防止因電源與機箱間的絕緣電阻減小而出現(xiàn)電機危險。

（2）接地和避雷。雷電防護裝置是一個獨立的系統(tǒng)，它的主要組成部分是避雷針、引下線以及與接地系統(tǒng)連接的連接點。在實際應(yīng)用中，該接地系統(tǒng)與黃綠地線具有通用之處。

（3）屏蔽接地。該接地的目的在于避免線路間的互相干擾和碰撞，但在特定的絕緣與屏蔽時一定要確保屏蔽金屬的接地。

（4）噪聲與干擾的控制。為了有效地抑制室內(nèi)的噪聲和外界的干擾，需要在裝置或系統(tǒng)上實現(xiàn)多條傳輸帶與地面之間的互聯(lián)，從而為干擾信號提供了最低阻抗[1]。

1.2 接地類型

（1）懸浮類。這一類是指在電氣裝置的地線和接地系統(tǒng)與其他的傳導結(jié)構(gòu)之間沒有直接供電，它們是絕緣的。這種接地方式最大的優(yōu)點就是抗干擾能力很強，缺點就是很容易產(chǎn)生靜電。

（2）單點接地類。這是一種電子裝置中的信號，事先會根據(jù)一個特定的點來確定，然后將這個點與整個設(shè)備的接地系統(tǒng)相連，從而方便了不同線路之間的信號的傳遞。優(yōu)點是比較簡單、實用，不會把其他地方的電流耦合到線路中。但有一個缺點，那就是造價高，需要大量的導線。

（3）多點接地類。這一類是指在實驗室里的電子器件，其各自的電路系統(tǒng)中，接地線與最接近的低電阻接地線相連，而且導線的長度要更短。采用這種方式可以減小接地電阻，多根導線并聯(lián)也能降低接地導線的總電感值。它在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢就是可以最大限度地簡化電子裝置的結(jié)構(gòu)，減小接地阻抗，但其缺點就是對接地點的要求很高，一般都會盡量減小接地線的雜散電感和電容，更重要的是要保證接地線的完整性和科學性。

針對此種情況，如何基于學生的經(jīng)驗，既激活學生潛在的知識，又能體現(xiàn)量角工具和量角方法的與眾不同，達到突出重點突破難點之效？筆者對此課教學作了精心的設(shè)計。

（4）混合接地類。此類是指多種接地類型相結(jié)合的方式，它具有上述的單點、多點接地的特性，能夠?qū)㈦娮友b置中的低頻率區(qū)域作為一次接地，而在高頻率區(qū)域，則采用多點接地方式。這類接地方式具有單點接地的特征，同時具備多點接地的優(yōu)勢。比如，在整個系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)主要采用單點接地為主，而射頻信號主要是多點接地為主的，所以可以直接采用混合接地的方式[2]。

2 接地線設(shè)計的原則

（1）數(shù)字地與模擬地分開。如果在線路板上邏輯電路和線性電路同時存在時，應(yīng)該盡可能地將其分離開來。低頻線路接地時，應(yīng)盡可能地采用單點并聯(lián)接地，在實際布線過程中有困難時可將將部分線路串聯(lián)后再接地。高頻線路的接地方式應(yīng)以多個點串聯(lián)方式進行，地線要短、厚，在高頻元件的四周盡可能鋪上網(wǎng)狀的大面積的地箔。

（2）盡可能將地線加厚。若接地線采用極細的導線，會使接地電勢發(fā)生變化，從而使其抗噪能力下降。接地導線應(yīng)該加厚，以達到印刷電路板容許的3倍。如果可以的話，接地線的寬度應(yīng)該大于2～3 mm[3]。

3 物理實驗室中干擾信號及抗干擾措施

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電磁環(huán)境不斷惡化，到處都存在著電磁干擾。特別是電子產(chǎn)品，因其工作和探測能力都比較弱，受到了很多電磁干擾的影響。電磁干擾不僅會影響設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性，還會使其工作性能降低，嚴重時會導致儀器的有效信號被屏蔽。

在模擬電子試驗中，經(jīng)常會遇到儀器瞬間打表、指針不穩(wěn)、信號變形、干擾信號多等問題，導致試驗結(jié)果不精確、工作信號被徹底淹沒等。為了消除電磁干擾給實驗造成的負面影響，保證實驗正常順利進行，對實驗中出現(xiàn)的各種干擾信號進行了實驗研究。通過對其產(chǎn)生的原因、干擾路徑進行分析，給出了相應(yīng)的抗干擾措施[4]。

3.1 干擾信號

3.1.1 穩(wěn)定干擾信號

在電子實驗中，實驗室中出現(xiàn)了一種長時間不變的干擾信號，這些干擾信號往往會導致實驗數(shù)據(jù)與理論分析的偏差，從而影響實驗的效果。本文采用示波器，對此類干擾信號進行了實驗，并對其類型及來源進行了分析。在受彎試驗中，示波器的直方向電壓范圍刻度為50 mV，橫向時間掃描因數(shù)為5 ms。通過示波器的顯示，這種干擾是一種非標準的正弦波，其峰值Up-p=3×50 mV=150 mV，周期T=4×5 ms=20 ms，頻率f=50 Hz。實驗結(jié)果表明，這種干擾是一種工頻50 Hz的交流干擾。實驗室內(nèi)的各個區(qū)域都有這樣的干擾，這些干擾信號的產(chǎn)生主要是來自于工頻電網(wǎng)以及實驗室周圍的工頻電力設(shè)備。

3.1.2 不穩(wěn)定干擾信號

在電子試驗中，除了穩(wěn)定的工頻干擾信號之外，還經(jīng)常會產(chǎn)生不穩(wěn)定的干擾信號。這些干擾信號會導致電子線路的暫態(tài)信號不穩(wěn)定或使設(shè)備不能正常工作，從而對電子產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不利的影響[5]。

（2）電路內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。在設(shè)計電子線路時，由于元器件布局、接線位置和走線形式等因素，對信號的傳遞有很大的影響。布線不當，會造成各部分的信號互相影響，造成工作信號受到嚴重的干擾，無法正常工作。

3.2 干擾途徑分析及抗干擾措施

3.2.1 外來信號干擾途徑分析及抗干擾措施

對外部信號，比如50 Hz的工頻干擾信號、移動通信信號，其對電路的干擾途徑有以下兩種，即傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指干擾信號經(jīng)傳導線進入到工作線路中，對工作信號造成的干擾。輻射干擾是由干擾信號以電磁波的形式與工作點路耦合而產(chǎn)生的一種干擾。50 Hz的工頻干擾可以在地線、變壓器之間形成傳導性干擾，也可以通過空間形成輻射干擾。移動電話信號對電子線路的干擾一般是放射式的，針對這些外部信號所構(gòu)成的電子線路的干擾，可以通過下列方法來抑制它們的干擾形式和路徑[6]。

（1）屏蔽。屏蔽是一種很好的抑制輻射干擾的方法。在電路設(shè)計與試驗中，為了避免輻射對電路造成的不利影響，可以采用對電源變壓器、工作電路進行屏蔽的方法。在進行屏蔽時，應(yīng)避免電源變壓器與工作線路共用一種屏蔽，應(yīng)采取絕緣屏蔽。另外，為了確保信號在傳送時不受干擾，還應(yīng)該對信號的傳輸線采用屏蔽線的方式進行屏蔽。

（2）濾波。濾波是一種有效的消除傳導干擾的方法。通過引入電磁干擾濾波器，可以有效地消除電網(wǎng)的干擾。這樣不僅可以防止從電網(wǎng)發(fā)出的噪聲對電子線路造成干擾，而且還可以防止由電子線路本身發(fā)出的噪聲對電網(wǎng)造成污染。

3.2.2 電路內(nèi)部相互影響產(chǎn)生的干擾及抗干擾措施

（1）合理布局。在復雜的線路中，合理的布置是十分重要的，電路的合理布置應(yīng)從以下幾個方面進行。首先，各功能線路應(yīng)按分區(qū)布置，并在適當?shù)奈恢蒙喜贾茫_保各功能線路不會相互干擾。其次，要考慮到相同的功能電路中各個元件的布置要合理，既要確保它們彼此不受干擾，又要盡量縮短它們之間的連接。

（2）接地。接地是一種有效的防止干擾的方法，適當?shù)慕拥啬軌驕p少或消除線路間的互相干擾。在模擬電路中有許多接地方式，其中常見接地方式如圖1所示。

①單級放大電路的接地。單級放大器的接地一般分為兩種，一是多點接地，二是一點接地。圖1（a）表示了多點接地連接形式。由于接地點的位置不同，接點A、O、B、C的線電阻與基準點O的線電阻也不同，因此接地點相對于基準點的電勢是不同的。由于接地點與參考點之間的電勢差異，將會在電路中產(chǎn)生干擾，從而影響試驗結(jié)果。

如果電路使用一點接地的方式時，圖1（b）表示了一點接地連接形式。由于每個接點都是在同一個位置上，電勢相同，因此可以有效地防止因電位差造成的電路干擾。在單級放大電路中，只要有一點接地就可以有效地避免信號干擾。

圖1 常見接地形式

②多級放大電路的接地。一般情況下，多級放大電路接地方式有兩種：串聯(lián)接地和并聯(lián)接地。圖1（c）表示了串聯(lián)的接地。因為導線OA、OB、OC的電阻不同，所以在共用接地線上會產(chǎn)生A、B、C3個不同的對地電位差，這些電位差異會導致各個級別的放大電路產(chǎn)生信號重疊，從而影響試驗結(jié)果。而并聯(lián)是將各放大器的接地線集中于一個接點，從而避免了各線路間的相互干擾，是一種相對獨立的接地方式，尤其是在低頻、多級放大電路中，其優(yōu)勢更加明顯，如圖1（d）所示。

4 物理實驗室項目中的應(yīng)用

4.1 物理實驗儀器設(shè)備概況

實驗室的設(shè)備種類很多，其中有弱信號模擬電路、高功率驅(qū)動電路等，在實驗室中獨立信號的接地系統(tǒng)中應(yīng)研究常用和主要設(shè)備的抗干擾問題，并解決其主要存在的問題。在這個實驗室里，動靜態(tài)應(yīng)變儀對試驗工作的影響最大，而這種設(shè)備也是最容易受到干擾的。應(yīng)變儀的作用是利用測量線路輸入的亳伏電壓信號，由高增益放大器進行放大，然后傳輸?shù)诫娔X上。在應(yīng)變信號的轉(zhuǎn)換、傳輸和放大過程中，很容易被干擾，從而影響到測試的效果。

當應(yīng)變儀在工作時，應(yīng)變儀的外殼要接地。應(yīng)變儀中的應(yīng)變片雖然沒有與大地直接連通，但因應(yīng)變片及引線絕緣或受潮而導致其電阻降低，應(yīng)變片或?qū)Ь€與被測物體之間存在漏電容，因此，就等同于其與大地之間存在著一定的阻抗，而接地電位差U也會對測量設(shè)備造成影響。

圖2所示的應(yīng)變儀為單端輸入，其輸入端L與儀表殼體相連并接地，B點為接地點，被測結(jié)果的接地點為A點。A、B之間的接地電勢為U，如果電勢變化的，則會經(jīng)過漏電容C流入應(yīng)變儀的輸入回路。同時，在儀表的輸入阻抗Z兩端的H、L之間產(chǎn)生一定的干擾電壓，在其串入信號之后進入應(yīng)變儀當中。要防止地電壓電流的干擾，應(yīng)使地電位差U盡可能地減小。

圖2 地電干擾

4.2 項目實施

本實驗室交流工作接地、保護接地、防雷接地，是將建筑物的樁基和地基的梁柱連接在一起，形成接地系統(tǒng)。將引下線在接地網(wǎng)面上進行比較均勻的分布，建筑的金屬結(jié)構(gòu)和法拉第籠子一樣，可以對放置在里面的儀器和設(shè)備進行屏蔽。

電子設(shè)備儀器的接地系統(tǒng)則用另一組（3根）接地極構(gòu)成的接地系統(tǒng)。接地極由50 mm×5 m的熱鍍鋅角鋼制成，長度為2.5 m。采用垂直鋪設(shè)方法打入實驗室反力平臺地下，每根接地板之間的間距為5 m，3根接地極用40 mm×4 m的熱鍍鋅鋼板焊接，然后沿著管道向各個設(shè)備室鋪設(shè)。該項目實施后采用接地搖表測得的接地電阻值滿足使用要求，在此之后對該儀器進行了試運行，試驗數(shù)據(jù)均正常。

5 結(jié) 論

綜上所述，隨著科技的進步，對物理實驗室的安全提出了更高的要求。在選用物理實驗室的接地系統(tǒng)時，必須保證各個裝置的接地性能良好。應(yīng)根據(jù)實驗室的具體情況進行合理的選取，確保試驗人員能夠在保證安全運行的前提下，有效地應(yīng)用抗干擾技術(shù)。