測(cè)控系統(tǒng)干擾成因及其抑制
[摘要]隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類(lèi)自動(dòng)化測(cè)試控制系統(tǒng)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，它對(duì)推動(dòng)今天高科技的發(fā)展進(jìn)程起著巨大作用。本文簡(jiǎn)略分析了當(dāng)今自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展情況，側(cè)重闡述了測(cè)控系統(tǒng)中常見(jiàn)的各類(lèi)干擾及其干擾源，同時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行較詳細(xì)的分析，并針對(duì)干擾的特性，分別指出了它們的危害范圍、影響程度及相關(guān)抑制方案，以便于對(duì)各類(lèi)干擾進(jìn)行抑制處理，從而提高測(cè)控系統(tǒng)精度和準(zhǔn)確度。
[關(guān)鍵詞]測(cè)控系統(tǒng)；干擾；干擾源；抑制
1 什么是測(cè)控系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量和控制(computer Automated Measurement And Control)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)控系統(tǒng))是一門(mén)新興技術(shù),它是自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合、綜合發(fā)展的產(chǎn)物。測(cè)控系統(tǒng)包含的內(nèi)容十分廣泛，它包括各種數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈與衛(wèi)星的檢測(cè)及發(fā)射控制系統(tǒng)等，廣泛應(yīng)用與航空/航天、核科學(xué)研究、工廠自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)測(cè)量和控制、以及辦公自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域[1]。
今天，計(jì)算機(jī)已經(jīng)大量進(jìn)入各個(gè)工業(yè)部門(mén)。承擔(dān)著在生產(chǎn)過(guò)程的控制、監(jiān)督和管理等任務(wù)。在工廠的控制室里，操作人員可以通過(guò)顯示終端對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和操作，鍵盤(pán)和顯示屏幕代替了龐大的控制儀表盤(pán)以及大量的開(kāi)關(guān)和按紐，控制室已變的越來(lái)越小，只需很少人就能完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和操縱的任務(wù)。計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析計(jì)算，以便對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行更有效的控制。管理人員和工程師可以通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)獲取大量的有關(guān)生產(chǎn)裝置工作狀態(tài)的信息和分析計(jì)算的結(jié)果，以便及時(shí)做出正確的決策，使生產(chǎn)裝置更有效的發(fā)揮效能。
又如，在航空和航天領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)代替了大量的測(cè)試儀器，擔(dān)負(fù)著實(shí)驗(yàn)室、導(dǎo)彈總裝廠和發(fā)射場(chǎng)的各種測(cè)試及發(fā)射控制任務(wù)，使得測(cè)試和發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，操作人員和特種車(chē)輛大量減少。發(fā)射場(chǎng)的指揮員在控制室或指揮車(chē)?yán)锞涂梢杂^察到導(dǎo)彈或衛(wèi)星各系統(tǒng)的工作情況和各種參數(shù)，以便做出正確判斷，對(duì)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行有效的控制。
2 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)將機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合,它是自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。一個(gè)現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)往往包含成千上萬(wàn)個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器，這些傳感器、執(zhí)行器通過(guò)智能控制節(jié)點(diǎn)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。測(cè)控系統(tǒng)包含的內(nèi)容十分廣泛，它包括各種數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈與衛(wèi)星的檢測(cè)及發(fā)射控制系統(tǒng)等。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速提高和社會(huì)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，測(cè)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防等諸領(lǐng)域中。測(cè)控技術(shù)的現(xiàn)代化，已被公認(rèn)為科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域中，各種先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)、測(cè)控設(shè)備和遠(yuǎn)程通信手段層出不窮。目前應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)比較成熟的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)主要有以下幾大類(lèi)[2]：
2．1 應(yīng)用專(zhuān)線的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
對(duì)于測(cè)控距離較短、通信數(shù)據(jù)量大、通信頻繁且實(shí)時(shí)性、可靠性和保密性要求都很高的遠(yuǎn)程分布式測(cè)控系統(tǒng)，一般采用自行架設(shè)專(zhuān)線（如電纜）作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ�。其系統(tǒng)組成框圖如下圖a所示：
a.應(yīng)用專(zhuān)線的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
2.2 利用公用電話(huà)網(wǎng)的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
在通信不是很頻繁、通信數(shù)據(jù)量較小、實(shí)時(shí)性和保密性要求不高的場(chǎng)合，可以租用公用電話(huà)網(wǎng)，采用撥號(hào)方式建立臨時(shí)連接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控。其系統(tǒng)組成框圖如下圖b所示：
b.利用公用電話(huà)網(wǎng)的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
2.3 采用光纖通道的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
利用光纜傳輸測(cè)量與控制數(shù)據(jù)，可以充分發(fā)揮光纜傳輸?shù)姆�(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)。其系統(tǒng)組成框圖如下圖c所示:
c.采用光纖通信的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
2.4 基于Internet Intranet的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
測(cè)控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心、以網(wǎng)絡(luò)為核心的特征日益明顯。使用Internet Intranet的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，人們從任何地點(diǎn)，在任何時(shí)刻獲取到測(cè)量信息（或數(shù)據(jù)）的愿望成為現(xiàn)實(shí)。其系統(tǒng)組成框圖如下圖d所示:
d.基于Internet Intranet的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
2.5 基于無(wú)線通信的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
對(duì)于工作點(diǎn)多、通信距離遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣且實(shí)時(shí)性和可靠性要求比較高的場(chǎng)合，可以利用無(wú)線電波來(lái)實(shí)現(xiàn)主控站與各個(gè)子站之間的數(shù)據(jù)通信，采用這種遠(yuǎn)程測(cè)控方式有利于解決復(fù)雜連線，無(wú)需鋪設(shè)電纜或光纜，降低了環(huán)境成本。其系統(tǒng)組成框圖如下圖e所示：
e.基于無(wú)線通信的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)
以下是我國(guó)目前航天測(cè)控系統(tǒng)基本框圖：
其工作的基本原理是：將各種信息先分別調(diào)制在不同頻率的副載波上,然后相加共同調(diào)制到一個(gè)載波上發(fā)出；在接收端先對(duì)載波解調(diào),然后用不同頻率的濾波器將各副載波分開(kāi)：解調(diào)各負(fù)載信號(hào)使得到發(fā)送時(shí)的原始信息[3]。
以上各類(lèi)測(cè)控技術(shù)在我國(guó)方興未艾，并且將隨著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷完善和成熟……由于各種原因，這些測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)在傳送過(guò)程中或多或少的會(huì)受到一定的干擾，其對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的精確度及其穩(wěn)定性起到了直接的影響作用，嚴(yán)重時(shí)甚至可使測(cè)控系統(tǒng)癱瘓從而無(wú)法正常工作。因此，從系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、制造、使用方式以及工作環(huán)境條件等各個(gè)方面看，都不得不優(yōu)先考慮抗干擾問(wèn)題。研究存在的干擾并對(duì)其進(jìn)行抑制是研究測(cè)控技術(shù)的一個(gè)重要課題。
測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)、外部各類(lèi)干擾源發(fā)出干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)耦合通道傳送到感應(yīng)設(shè)備上，這就是整個(gè)系統(tǒng)干擾的形成全過(guò)程。從干擾的全過(guò)程看，它可分為三個(gè)環(huán)節(jié)，稱(chēng)之為干擾系統(tǒng)的三要素，如圖一所示。要想有效地抑制干擾，首要的是找到干擾的發(fā)源地，采取抑制發(fā)源處干擾的積極性措施，消除干擾源頭，防患于未然。然而，當(dāng)干擾的產(chǎn)生難以避免時(shí)，通過(guò)減弱通道對(duì)干擾的耦合、切斷干擾途徑以及采取相應(yīng)技術(shù)措施加以抑制、提高感應(yīng)設(shè)備的抗干擾能力也是非常重要的方法[4]。
圖一 干擾三要素的關(guān)系圖
由于測(cè)控信號(hào)往往是一種微弱的直流或變化緩慢的交變信號(hào)，最后還要通過(guò)長(zhǎng)距離（有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾百米甚至更遠(yuǎn)）傳輸，因此像大功率馬達(dá)和其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)，高壓電氣設(shè)備產(chǎn)生的電場(chǎng)以及各種電磁波輻射等等的存在和變化都將以不同的途徑和不同的方式混入測(cè)控系統(tǒng)中。一般來(lái)說(shuō)干擾測(cè)控系統(tǒng)的干擾源主要有電力網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號(hào)引線、接地等引起的系統(tǒng)外引線干擾。詳細(xì)分析可分為輻射、溫度、濕度、
振動(dòng)、傳輸、感應(yīng)、電源、接地幾個(gè)方面�，F(xiàn)將干擾源總分為來(lái)自測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部的和外部的兩大類(lèi)，分別進(jìn)行系統(tǒng)的討論。
3 來(lái)自測(cè)控系統(tǒng)的內(nèi)部的干擾及其抑制
3.1 電源干擾
這里所指的電源干擾主要是由于各種原因?qū)е碌碾娫�、電壓的異常變化，例如：過(guò)壓、欠壓、浪涌、下陷等。其大體上可分為電源噪聲干擾和開(kāi)關(guān)電源干擾兩大類(lèi)：
3.1.1 電源噪聲干擾
我們知道電源產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)在示波器中都是有波動(dòng)的，且是一個(gè)有規(guī)則的波型，當(dāng)受到干擾而引入其它信號(hào)時(shí)便會(huì)在此波型基礎(chǔ)上疊加一個(gè)雜亂無(wú)章的波型，這就是電源噪聲。電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz～30MHz之間，最高可達(dá)150MHz。
我們將電網(wǎng)電壓直接于示波器中觀測(cè)可看出，市電并不是純凈的50Hz理想正弦波，而是在工頻上疊加了各種頻率噪聲干擾的正弦波。電源噪聲，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。
根據(jù)其傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類(lèi)：
①一類(lèi)是從電源進(jìn)線引入的外界干擾;
②一類(lèi)是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。
從形成特點(diǎn)看，噪聲干擾分為串模干擾與共模干擾兩種。
①串模干擾是兩條電源線之間（簡(jiǎn)稱(chēng)線對(duì)線）的噪聲，也即電源與輸入輸出電源線間的干擾，由于其在電源噪聲中比重很小，在此不作討論。
②共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地（簡(jiǎn)稱(chēng)線對(duì)地）的噪聲。如下圖所示：當(dāng)外界干擾源導(dǎo)致IC變化時(shí)，會(huì)在系統(tǒng)串聯(lián)的電流回路中引起共模電壓V，影響測(cè)量結(jié)果[5]。
3.1.2 開(kāi)關(guān)電源干擾
開(kāi)關(guān)電源屬于強(qiáng)干擾源，其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此，抑制開(kāi)關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時(shí)提高其對(duì)電磁干擾的抗擾性，在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要特別的關(guān)注。
開(kāi)關(guān)電源的干擾一般分為兩大類(lèi)：一是開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部元器件形成的干擾，如在功率轉(zhuǎn)換電路開(kāi)關(guān)管從導(dǎo)通到截止或截止到導(dǎo)通的瞬態(tài)過(guò)程中，高速脈沖波形的電流、電壓，尤其是脈沖上升、下降沿，其中包含豐富的高次諧波分量易產(chǎn)生噪聲；高頻開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)整流二極管反向恢復(fù)時(shí)，若有異常引起短路會(huì)產(chǎn)生突變的尖峰電流，使變壓器由漏電磁感應(yīng)電壓引起噪聲，且噪聲響應(yīng)隨突變尖峰電流大小而變化；在開(kāi)關(guān)高速工作時(shí)，非線性元件、傳輸導(dǎo)線分布電感、電容容易發(fā)生寄生振蕩，加上器件本身高頻特性的差異均有可能產(chǎn)生噪聲。二是由于外界因素影響而使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。來(lái)自開(kāi)關(guān)電源外部的噪聲，如大負(fù)荷用電設(shè)備起動(dòng)造成電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落、波形失真，大功率射頻設(shè)備、電火花、無(wú)線電發(fā)射引起的噪聲等。
電源干擾是各類(lèi)測(cè)控系統(tǒng)較常遇到的故障之一，其表現(xiàn)為測(cè)控系統(tǒng)終端屏幕圖像有上下滾動(dòng)的黑白橫條，嚴(yán)重時(shí)破壞圖像的同步而沒(méi)有辦法進(jìn)行監(jiān)控。因此，我們必須采取有效措施，抑制電源干擾，讓用戶(hù)看到清晰的圖像。
首先，測(cè)控系統(tǒng)有時(shí)前端機(jī)房設(shè)備眾多、連線復(fù)雜，極易受到電源干擾。這除了要求系統(tǒng)設(shè)備本身性能優(yōu)良外，前端機(jī)房也要有性能極佳的接地線，且各種設(shè)備的金屬外殼、安放設(shè)備的機(jī)架、連接電纜的外屏蔽層全部可靠地接地，這樣可以有效地防止電源干擾。另外，在前端設(shè)備使用同一相電流，對(duì)防范電源干擾也有好處。
其次，有些測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)線路較長(zhǎng)，且電纜線與電源線平等走向，很容易感應(yīng)到電源信號(hào)而產(chǎn)生電源干擾。當(dāng)電纜線與電源線直接相接觸，電源干擾情況就更容易產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞設(shè)備，甚至造成人員遭電擊的危險(xiǎn)。因此，室外的測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一定要有良好、可靠的接地。
再此，測(cè)控系統(tǒng)所需的直流電源，一般均為由電網(wǎng)交流電經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供，有時(shí)會(huì)因某種原因凈化不佳，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，這種干擾雖小，確常給高精度系統(tǒng)帶來(lái)麻煩。由于，整流后的測(cè)控信號(hào)多為脈沖方波，此時(shí)可選用濾波電感與濾波電容進(jìn)行濾波，因?yàn)樗鼈兡軐?duì)整流后的脈沖方波起到平滑作用。
3.2 地線干擾
由于人們對(duì)地線電位的期望，定義地線是電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體，但實(shí)際上用儀表測(cè)量地線上各點(diǎn)間的電位，會(huì)發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)間電位可能相差很大，這是因?yàn)榈鼐�的阻抗并不等于零，所以會(huì)產(chǎn)生電壓降，因此會(huì)產(chǎn)生地線干擾。
3.2.1 地環(huán)路干擾
由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓會(huì)在兩個(gè)設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場(chǎng)感應(yīng)出來(lái)。如下圖二所示：
圖二.地環(huán)路干擾示意圖
由地環(huán)路干擾的原理可知，只要減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問(wèn)題。因此我們提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案：
A. 將一端的設(shè)備浮地
如果將一端電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個(gè)問(wèn)題需要注意，一個(gè)是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地。這樣對(duì)于50Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾。 另一個(gè)問(wèn)題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì)提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。
B. 使用變壓器實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接
利用磁路將兩個(gè)設(shè)備連接起來(lái)，可以切斷地環(huán)路電流。 但要注意，變壓器初次級(jí)之間的寄生電容仍然能夠?yàn)轭l率較高的地環(huán)路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對(duì)高頻地環(huán)路電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個(gè)辦法是在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號(hào)接收設(shè)備的一側(cè)。 經(jīng)過(guò)良好屏蔽的變壓器可以在1MHz以下的頻率提供有效的隔離。
C. 使用光隔離器
另一個(gè)切斷地環(huán)路的方法是用光實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。這可以說(shuō)是解決地環(huán)路干擾問(wèn)題的最理想方法。用光連接有兩種方法，一種是光耦器件，另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf，能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖幾乎沒(méi)有寄生電容，但安裝、維護(hù)、成本等方面都不如光耦器件。
D. 使用共模扼流圈
在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的`阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下，地環(huán)路電流會(huì)減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對(duì)高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差[6]。
3.2.2 公共阻抗干擾
當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，由于地線存在阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制。這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)另一個(gè)電路，在數(shù)字電路中，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問(wèn)題。
以下通過(guò)舉個(gè)例子說(shuō)明此類(lèi)問(wèn)題：
圖三（a）中Rcm是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的公共接地線的電阻。通常，數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，并且有較大的波動(dòng)噪音。即使Rcm很小，數(shù)字電路也會(huì)在其兩端形成較高電壓，使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。圖三（b）中模擬電路是測(cè)量前置放大器，數(shù)字系統(tǒng)的入地電流（若為2A）在Rcm（若為0.01Ω）上產(chǎn)生電壓（20mV），此電壓與測(cè)量電壓Vs疊加。若Vs=100mV，那么測(cè)量精度將會(huì)低于20%。
消除公共阻抗干擾的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。 如前所述，減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體做地線，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。通過(guò)適當(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過(guò)多。因此在實(shí)際中，沒(méi)有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對(duì)于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)，弱信號(hào)，模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。
3.3 信號(hào)通道干擾
由于測(cè)控系統(tǒng)的感應(yīng)端傳感器常設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而顯示、記錄等測(cè)量裝置則安置在離傳感器有一定距離的控制室內(nèi)。兩者之間需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線，在信號(hào)傳輸過(guò)程中很容易受到干擾，從而導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失真。
3.3.1 共模干擾
共模干擾對(duì)系統(tǒng)的放大電路形成干擾較大，系統(tǒng)的各種信號(hào)電流通過(guò)電源內(nèi)阻和公共地線阻抗，都會(huì)產(chǎn)生干擾電壓，形成共模干擾[7]。消除共模干擾的方法有： ①采用屏蔽雙絞線并有效接地
②強(qiáng)電場(chǎng)的地方還要考慮采用鍍鋅管屏蔽
③布線時(shí)遠(yuǎn)離高壓線，更不能將高壓電源線和信號(hào)線捆在一起走線
④不要和電控鎖共用同一個(gè)電源
⑤采用線性穩(wěn)壓電源或高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源(紋波干擾小于50mV)
3.3.2 靜電耦合干擾
電路之間的寄生電容使系統(tǒng)內(nèi)某一電路信號(hào)的變化影響其他電路，形成靜電耦合干擾，只要電路中有尖峰信號(hào)和脈沖信號(hào)等頻率高的信號(hào)存在，就有靜電耦合干擾存在。可采用增大耦合阻抗、采用靜電屏蔽、縮短控制電纜及充分利用變電所中的自然屏蔽物等抗干擾措施[8]。
3.3.3 傳導(dǎo)耦合干擾
系統(tǒng)的信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易出現(xiàn)延時(shí)、變形并接收干擾信號(hào)，形成傳導(dǎo)耦合干擾。此類(lèi)干擾，通�？刹捎闷帘尉�來(lái)消除,同時(shí)屏蔽線的屏蔽要接地。
總的來(lái)看，測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連線中所存在的信號(hào)通道干擾主要是相對(duì)于傳送線路來(lái)說(shuō)。因此，只要采用優(yōu)質(zhì)輸送線路，注意對(duì)信號(hào)輸送時(shí)的屏蔽，則可以很好的消除此類(lèi)干擾問(wèn)題。
3.4 測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的其它干擾
測(cè)控系統(tǒng)各部份設(shè)備，由于設(shè)計(jì)不良或者某些器件同時(shí)運(yùn)作時(shí)會(huì)相互形成干擾。此類(lèi)內(nèi)部干擾雖然一般比較微弱，但對(duì)于小信號(hào)高精密測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻不容忽視。
3.4.1 溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)產(chǎn)生的干擾
溫差電勢(shì)：在一根均勻?qū)w中，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，自由電子將按溫差在導(dǎo)體中形成密度剃度，金屬A兩端的溫度分別為t和t1，當(dāng)t>t1時(shí)，自由電子將從t端向t1端擴(kuò)散，使t端失去電子帶正電，t1端得到電子帶負(fù)電，于是在金屬兩端之間形成電位差。
接觸電勢(shì)：由于各種金屬材料的自由電子密度各不相同。金屬中自由電子密度與溫度有關(guān)，而且自由電子密度隨溫度變化的改變對(duì)各種金屬是不同的．因此兩種不同性質(zhì)的金屬Ａ和Ｂ的接觸處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，產(chǎn)生電位差。
此類(lèi)干擾都是來(lái)自導(dǎo)體本身的，只有盡可能采用同質(zhì)聯(lián)接材料，并減少熱源溫度，減少系統(tǒng)溫差的方法來(lái)抑制干擾。
3.4.2 電阻熱噪音
熱噪音是電阻一類(lèi)導(dǎo)體由于電子布朗運(yùn)動(dòng)而引起的噪音。導(dǎo)體中的電子始終在作無(wú)規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，并與分子一起處于平衡狀態(tài)。電子的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流成份，這個(gè)交流成份就稱(chēng)為熱噪音（或稱(chēng)為電阻噪音）。
減少電阻熱噪聲的辦法是盡可能采用低阻，此方法涉及到系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的問(wèn)題，在此不做深入討論。
3.4.3 轉(zhuǎn)接干擾
電路轉(zhuǎn)接過(guò)程中，在短時(shí)間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值，形成干擾脈沖，此干擾脈沖又可能引起另一次不希望的轉(zhuǎn)接過(guò)程。
一個(gè)完整測(cè)控系統(tǒng)是由許多不同的電子設(shè)備等連接在一起組成的，這些設(shè)備與設(shè)備彼此間有些通過(guò)轉(zhuǎn)接頭、電纜連接，彼此間很容易產(chǎn)生干擾脈沖，一般可接上電容或二極管來(lái)減小脈沖所產(chǎn)生的干擾。
3.4.4 微音干擾
微音干擾，也即微音噪聲，機(jī)械顫動(dòng)、接觸電阻的變化或電纜電容（或電感）的變化，均會(huì)產(chǎn)生微音噪聲干擾。采用性能優(yōu)良的電阻和電容原件以及提供平穩(wěn)的工作環(huán)境可有效地減少微音干擾。
3.4.5 壓電效應(yīng)干擾
其分又可為正壓電效應(yīng)干擾和逆壓電效應(yīng)干擾。
壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)
可采用磁控濺射的方法來(lái)中和極化電荷、屏蔽極化電場(chǎng)從而消除壓電效應(yīng)干擾。
4 來(lái)自測(cè)控系統(tǒng)外部的干擾及其抑制
4.1 外界自然環(huán)境干擾
外界自然環(huán)境中，時(shí)常有雷電、大氣層電場(chǎng)變化和電離層變化以及太陽(yáng)黑子電磁輻射等情況發(fā)生，這些來(lái)自宇宙空間的輻射通過(guò)直接對(duì)測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部電路及其外圍設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)作用，由相關(guān)電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾。
例如：雷電能在傳輸線上產(chǎn)生幅值很高的高頻涌浪電壓，對(duì)系統(tǒng)形成干擾；太陽(yáng)黑子發(fā)出的強(qiáng)電磁輻射能量，導(dǎo)致無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中斷；來(lái)自宇宙的高頻輻射穿過(guò)地球外層的電離層，直接影響測(cè)低頻系統(tǒng)。抑制此類(lèi)自然干擾，可采用以下方法：
①屏蔽：把干擾源、載擾線路、易受干擾的設(shè)備或線路，用金屬板或金屬網(wǎng)包圍起來(lái)，以降低輻射干擾的傳播。屏蔽用的材料，一般用鋁、銅、鋼等金屬板或鋼板拉網(wǎng)及銅絲編織網(wǎng)，線路屏蔽多采用銅絲編織的屏蔽層或金屬管，并作良好的接地。
②接地和連接：接地和連接都是為高頻干擾電壓造成低阻抗通路，以防止干擾的藕合和傳播。接地，用低阻抗的導(dǎo)體將設(shè)備、電路或系統(tǒng)與大地牢固地連接；連接，系兩個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的電氣連接，使金屬結(jié)構(gòu)之間連接成阻抗的通路，電位相同。連接用的低阻抗金屬導(dǎo)體要注意其接觸電位差的影響，以免在使用時(shí)產(chǎn)生電腐蝕。此外，金屬連接處應(yīng)確保接觸良好，并加保護(hù)性涂層。
4.2 放電干擾
4.2.1 電暈放電
氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電，這是最常見(jiàn)的一種氣體放電形式。在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì) ，因而出現(xiàn)電暈放電。
電暈放電在測(cè)控系統(tǒng)中有多種影響，測(cè)控系統(tǒng)中的高壓及超高壓輸電線路導(dǎo)線上發(fā)生電暈，會(huì)引起電暈功率損失、無(wú)線電干擾、電視干擾以及噪聲干擾。在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇足夠的導(dǎo)線截面積，或采用分裂導(dǎo)線降低導(dǎo)線表面電場(chǎng)的方式，以避免發(fā)生電暈。
4.2.2 輝光放電
輝光放電即低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)之間的氣體被電離時(shí)，由于兩接點(diǎn)間離子相互磁撞而產(chǎn)生輝光放電，肉眼可見(jiàn)到藍(lán)色的輝光。熒光燈、霓紅燈、閘流管以及工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型輝光離子氧化爐等此類(lèi)輝光放電設(shè)備，頻率一般為超高頻，這類(lèi)設(shè)備都是測(cè)控系統(tǒng)的干擾源。在不影響系統(tǒng)正常工作情況下，采用加大兩接點(diǎn)間的距離來(lái)消除此干擾。
4.2.3 弧光放電
稀薄氣體、金屬蒸汽或大氣中，當(dāng)電源功率較大，能提供足夠大的電流（幾安到幾十安），使氣體擊穿，發(fā)出強(qiáng)烈光輝，產(chǎn)生高溫（幾千到上萬(wàn)度），這種氣體自持放電的形式就是弧光放電。
以最具典型的金屬電焊作為例子，該弧光放電產(chǎn)生的高頻振蕩，以電波形式形成干擾。這種干擾對(duì)測(cè)控系統(tǒng)危害較大，甚至對(duì)具有專(zhuān)門(mén)防干擾的設(shè)備，在半徑為50米的范圍內(nèi)，當(dāng)頻率為0.15～0.5MHz時(shí)，干擾電壓最低仍可達(dá)1000μV；當(dāng)頻率為2.5～150MHz時(shí)，也可達(dá)200μV。
采用壓敏電阻和RC電路吸收浪涌電壓的方法可以有效抑制弧光放電干擾。
4.2.4 火花放電
由于空氣或其他電介質(zhì)材料突然被擊穿，引起帶有瞬間閃光的短期放電現(xiàn)象。如電氣設(shè)備觸點(diǎn)處的繼續(xù)電流將引起火花放電，這種放電出現(xiàn)在觸點(diǎn)通斷的瞬間，會(huì)形成很寬頻率范圍的火花放電干擾。這種干擾波雖會(huì)被電氣設(shè)備外殼屏蔽，但還是會(huì)有部分通過(guò)窄小的空隙處或引出線輻射出來(lái)[9]。
此類(lèi)干擾具有較大的能量，以小型電鉆為例，當(dāng)它的干擾電平約為20～80dB（200MHz以下）時(shí)，可使鄰近測(cè)控設(shè)備屏幕圖像不停跳動(dòng)。又如內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，它是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源。這種點(diǎn)火系統(tǒng)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊電流，從而激勵(lì)附屬電路振蕩，并由點(diǎn)火導(dǎo)線輻射出去。這種干擾的頻率分量很高，在20～1000MHz范圍內(nèi)，干擾半徑可達(dá)50～100m的范圍。
測(cè)控系統(tǒng)中相關(guān)開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)雖然不一定都會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，但由于通、斷時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈脈沖電流有非常豐富的頻率分量，這種干擾能通過(guò)開(kāi)關(guān)連線輻射出去，得在設(shè)計(jì)過(guò)程中多留意�？刹捎脡好綦娮韬蚏C電路吸收浪涌電壓來(lái)消除火花放電干擾。4.3 工頻干擾
市電頻率（工頻，我國(guó)工頻為50HZ,中頻為50Hz--10kHz,高于10kHz為高頻）產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)。此類(lèi)干擾隨處可見(jiàn)，各種供電設(shè)備和輸出線都會(huì)產(chǎn)生工頻干擾。測(cè)控系統(tǒng)中低頻信號(hào)只要有一段與供電線平行，50Hz交流電就會(huì)耦合到信號(hào)線上成為干擾。應(yīng)對(duì)工頻噪聲的通常措施有：
①系統(tǒng)電纜線要有良好的屏蔽，正確的接地，保護(hù)環(huán)。
②在線路中串入陷波器，低通濾波器等。
③可通過(guò)加三端穩(wěn)壓器件或簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路消除影響
4.4 射頻干擾
通信設(shè)備、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)等通過(guò)天線會(huì)發(fā)射強(qiáng)烈的電波，高頻加熱設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生射頻輻射。電磁波在測(cè)控系統(tǒng)的傳輸線上以及接收天線上，會(huì)感應(yīng)出大小不等的射頻信號(hào)。此類(lèi)信號(hào)有時(shí)甚至比欲接收電源信號(hào)大得多，會(huì)造成測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)丟失、信道丟失或產(chǎn)生噪聲[10]。
大多數(shù)干擾都是無(wú)意造成的，只是其它正常運(yùn)營(yíng)活動(dòng)的副產(chǎn)品。干擾信號(hào)只影響接收器，即使它們?cè)谖锢砩辖咏l(fā)射器，發(fā)射也不會(huì)受其影響。下面列出一些最常見(jiàn)的干擾源，可以讓你知道在實(shí)際情況下應(yīng)該從何處著手：
①自身信號(hào)互調(diào)：兩個(gè)或兩個(gè)以上信號(hào)混在一起后會(huì)形成新調(diào)制信號(hào)，但卻不是任何所希望的信號(hào)。
②廣播發(fā)射器諧波：大功率如商業(yè)廣播電臺(tái)等會(huì)產(chǎn)生大功率信號(hào)諧波，例如一個(gè)5MW發(fā)射器很容易產(chǎn)生5W諧波，足以干擾附近的移動(dòng)通信。唯一的解決方法可能只有遷移通信天線以避開(kāi)發(fā)射器，或者重新分配頻率方案使得造成沖突發(fā)射器附近的通信基站使用的是不受其諧波能量影響的信道。
③正規(guī)發(fā)射器超載：發(fā)射器發(fā)出的任何頻率強(qiáng)信號(hào)都會(huì)使鄰近系統(tǒng)超載，唯一解決辦法是在接收器天線電纜上安裝一個(gè)濾波器，使希望的信號(hào)通過(guò)，而將超載信號(hào)衰減。
4.5 靜電干擾
最為普通的例子就是摩擦所產(chǎn)生的靜電，雖然它是很小的能源，但產(chǎn)生的電壓卻可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。當(dāng)帶有高電位的人接觸測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，人體上的電荷就會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)向系統(tǒng)放電，此時(shí)急劇的放電電流造成噪聲干擾，從而影響測(cè)控系統(tǒng)正常工作。
進(jìn)行相關(guān)操作時(shí)，可采用防靜電手套或防靜電工作服等來(lái)減少靜電，采用一些空氣加噴劑，防止工作環(huán)境過(guò)于干燥。
結(jié)束語(yǔ)
在實(shí)際應(yīng)用各類(lèi)測(cè)控系統(tǒng)過(guò)程中，想要消除各種干擾信號(hào)，提高測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，首先得先弄清楚干擾源是什么及其是如何產(chǎn)生的，否則無(wú)法采取相應(yīng)的抗干擾措施。為達(dá)到抑制、消除干擾的目的，本文著重論述了各類(lèi)干擾源的產(chǎn)生情況及相關(guān)抑制措施。應(yīng)該注意的是：由于實(shí)踐過(guò)程中所碰到的干擾情況都是不一樣的，在測(cè)控系統(tǒng)中，干擾的來(lái)源也是非常復(fù)雜的，并非所有干擾情況都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)于同一測(cè)控系統(tǒng)中，只有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況依依取舍。
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Cause and Interference Suppression of
Automated Measurement Control system
[Abstract] with the fast development of science and technology, more and more various kinds of computer Automated Measurement and Control systems are widely used in those Industrial production activities. It takes a majority effect in promoting today's high-tech development process. This paper gives a briefly analysis to us about the latest technical situation of automated measurement control systems and focus on all kinds of interferences, besides, it also analyzes the reference source of interferences and their against in detail. What’s more it provides the reference solutions to each sort of interference so as to inhibit the interference and make the system more precisely and accurately.
[Keywords] automated measurement and control system; interferences; source of interferences; suppression
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