詳談傳感器抗干擾設計

本文介紹了產生干擾的因素，闡述了機電一體化類傳感器抗干擾設計的基本原則，給出了傳感器機械結構設計和電路抗干 擾設計具體的抗干擾措施，對傳感器的電磁兼容設計有一定的指導意義。

隨著電子技術和集成電路的迅速發展，機電一體化類傳感器產品的應用越來越廣泛，使用密度越來越高，相互干擾愈加嚴 重，對傳感器類產品可靠性要求越來越高，抗干擾設計技術尤為關鍵。

1 理論分析

1.1 產生干擾的因素及種類

傳感器的工作環境嚴重的影響著傳感器的正常運行，包括寬溫區的工作環境溫度變化、強烈的機械振動、鹽霧及電磁場的干擾等，來自于各類工作環境因素對傳感器產生各種干擾，有的是有規律的干擾，有的具有隨機性。其中，電磁場環境因素變化帶來的干擾，對傳感器的穩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，各種高壓電器設備、高壓開關等都會產生強的磁場變化影響，使傳感器周圍磁場的發生改變，帶來的電磁干擾嚴重影響著傳感器的穩定性和可靠性。因此傳感器的抗干擾設計中電磁抗干擾設計尤為重要。

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:

第一種是傳導干擾，是通過電源、電纜，布線系統、接地系統等引起的串擾。

第二種是輻射干擾，在兆赫以上的高頻輻射就比較明顯，當導線長度超過四分之一波長時，輻射功率則相應增大。

第三種是感應及耦合引起的干擾。

針對以上傳導、輻射和感應及耦合等不同的干擾方式，可以采取不同的抗干擾技術，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，包括結構設計和電路設計，結構抗干擾設計，主要是針對輻射干擾采取措施。電路抗干擾設計，主要是針對傳導干擾和感應及耦合干擾采取措施。

1.1.2 結構抗干擾設計技術

從傳感器結構上，一般情況下，針對輻射干擾，一般采用屏蔽抗干擾技術:

屏蔽抗干擾技術是利用屏蔽體切斷或抑制干擾耦合通道的一種結構措施，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率和高磁導率材料進行屏蔽?；痉椒ㄊ怯酶邔Т挪牧?，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 電路抗干擾設計技術

(1)引線的選用

干擾信號常常通過電源線、信號線、控制線等進入電路造成干擾。導線選用是抑制傳導干擾的關鍵。

針對傳導干擾，引線采用絕緣電纜，絕緣外皮使電氣絕緣，還可增強導線的機械強度、保護導線不受外界環境腐蝕，增強整機的可靠性。并且要保證導線的工作環境溫度不超過導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，將干擾信號有效地阻擋在傳輸線路之外，并將屏蔽層的兩端口進行妥善處理，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)濾波電路設計

硬件濾波也是抑制電路中干擾傳導的有效措施。增加濾波環節，濾除電路中由外引線導入電路的干擾。

根據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的頻率成分通過;帶阻濾波器只抑制某一頻率范圍內的頻率干擾，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，可根據具體情況進行選用，通過采取濾波技術，使雜波等干擾信號去除，得到穩定有效的電信號。

(3)電路隔離技術

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。

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，使一次側與二次側的電氣完全絕緣，是安全隔離的有效手段，起到保護、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、固態繼電器等多種類型，是具有隔離功能的自動開關器件，廣泛應用于機電一體化傳感器中，從而可實現強電和弱電的隔離，切斷強電給弱電帶來的干擾。

(4)接地的技術

設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，低頻電路串聯一點接地，簡單，抑制干擾能力差;兆赫以下采用并聯一點接地，避免各單元電路的相互串擾，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。

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。

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

1.1.4 軟件抗干擾設計

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

(1)軟件濾波技術

傳感器信號處理技術中，一般采用硬件濾波和軟件濾波相結合的方式，因為二者各有優劣，相輔相成。軟件濾波方法有中位值濾波法、算數平均濾波法、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

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

(3)軟件“看門狗”技術

軟件“看門狗”就是用軟件的一種技術:當看門狗啟動后，計數器開始自動計數，經過一定時間，如果沒有被復位清零，計數器溢出就會對CPU產生一個復位信號使系統重啟。系統正常運行時，需要在看門狗允許的時間間隔內對看門狗計數器清零，不讓復位信號產生。如果系統不出問題，程序保證按時對看門狗計數器清零，一旦程序跑飛，沒有“喂狗”——看門狗計數器未清零，系統則“被咬”復位。

2 實驗驗證

由于使用環境復雜，許多機電一體化類傳感器在工作現場受干擾嚴重，出現穩定性差、偏差大等現象，多是由于安裝不當引起，使傳感器容易受到信號干擾，因此現場安裝尤為重要，應注意以下幾個方面:

2.1 地線

現場安裝中，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，將數字地和模擬地分離。

2.2 電源

由各種電源的頻繁開關、瞬間通斷等帶來的電磁干擾非常嚴重，瞬間干擾的量值多高達幾百伏，有的甚至可達到千伏以上，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，通常根據具體的工況電源內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;采用交流穩壓措施來減弱交流電網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定性。

2.3 合理布局

傳感器所在的整個系統應合理分布，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慎重選擇，比如精密傳感器應遠離有強沖擊的場所，弱電傳感器放置應避開強電磁干擾，減少傳導距離，比如測量溫度類傳感器應安裝到能快速感受溫度的位置，避免長距離的傳導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，保證安裝質量，提高傳感器所在系統的可靠性及電磁兼容性，使傳感器的測量準確度和穩定性得到保障。

結論:機電一體化類傳感器的抗干擾能力，是確保其可以長期、穩定、可靠工作的一個重要環節，因此在實際應用中，針對各種現場環境，要充分考慮到各種因素的影響，并在設計中采取一定的抗干擾技術措施，使傳感器的電磁兼容性滿足其要求，并達到一個較理想的工作狀態。

審核編輯：湯梓紅