动车组检测与故障诊断第十一讲检测系统的抗干扰技术

这三种地线最后要汇集在一起，它们在一点上再通过专用地
线和大地相连，这就构成所谓系统地线。
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3．电缆屏蔽层的接地方式
（1）如果信号源不接地，而测量电路（放大 器）接地时，电缆屏蔽层则应该接到检测电 路的接地端（公共端）。
图5.17 电缆屏蔽不正确接 地方式之一
图5.18 电缆屏蔽层正确接地 方式之一
5.1.2 干扰的类型
按干扰产生的原因可分为： 1. 电和磁干扰 2. 机械干扰 3. 热干扰 4.光干扰 5. 湿度干扰 6. 化学干扰 7. 射线辐射干扰
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1. 电和磁干扰
电和磁可以通过电路和磁路对检测系 统产生干扰作用，电场和磁场的变化 在检测装置的有关电路或导线中感应 出干扰电压，从而影响检测系统的正 常工作。
根据干扰进入检测电路方式以及与有用 信号的关系，可将干扰分为差模干扰和 共模干扰。
差模干扰又称串模干扰和常态干扰，共 模干扰又称共态干扰、对地干扰和不平 衡干扰。
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5.3.1 差模干扰
所谓差模干扰就是在输入通道中与信号 源串联的干扰，其特点是干扰信号与有 用信号按电势源的形式相串联。
图中Us为有用信号，UNM为差模干扰信号。
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（3）功率地线。 这种地为大电流网络部件的零电平。如
中间继电器的吸合电路等，这种电路的 电流在地线中产生的干扰作用也大，因 此，对功率地线也有一定的要求，有时 在电路上与信号地线是互相绝缘的。 （4）交流电源地线。 即交流50Hz地线，它是噪声源，必需与 直流地线相互绝缘，在布线时也应使两 种地线远离。
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（2）传感器接口电路的接地方式。
图为传感器接口 电路的两点接地 系统，传感器在 现场接地，检测 装置在主控室接 地，把大地看作 等电位体。实际 上，大地各处电 位是不相同的， 两点接地会产生 较大的共模干扰 电位差压）UC，M （ 地 电
它所产生的干扰电流要流经 信号线，再转化为差模干扰， 对检测装置带来很大的影响。
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采用一点接地。 从图中看出，屏蔽层也在传感器处接地，
这样共模干扰电流iCM大减少，而且也不 再流经信号线，只流经电缆屏蔽层，因 此对检测装置影响很小。
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（3）检测装置与计算机系统 的一点接地。
主要有三种性质的 地线，即信号地线， 功率地线，机壳的 金属件地线。这三 各地线应分开设置， 本身要遵循“一点 接地”。
这种电和磁的干扰对于传感器或各种 检测电路来说是最为普遍、影响最严 重的干扰。
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2. 机械干扰
机械干扰是指由于机械的振动或 冲击，
使检测装置中的电气元件发生振 动、变形，
使连接线发生位移，接头松动等。
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3. 热干扰
设备和元器件在工作时产生的热量 所引起的温度波动以及环境温度的 变化都会引起检测装置的电路元器 件的参数发生变化，
CMRR 20 lg UCM U NM
式中，UCM为共模干扰电压； UNM为在UCM作用下，转化 为在输入电路端所呈现的差 模干扰信号电压。
CMRR 20 lg KNM KCM
式中 KNM为差模增益； KCM为共模增益。
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5.4 干扰抑制技术
形成对检测装置及系统的干扰需要“三 要素”，因此，消除和减弱干扰的方法 亦应针对三项因素采取措施，即：
由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流 作用于有关电路引起的干扰，称为漏电 流耦合。
图 中 U1 表 示 干 扰 源 电势，R表示漏电 阻 ， Zi 表 示 被 干 扰 电路的输入阻抗， UN表示干扰电压。
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5.3 差模干扰和共模干扰
各种干扰源必然会通过各种传输途径进 入检测系统，对其产生干扰。
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（2）如果信号源接地，而检测装置（放 大器）不接地时，电缆屏蔽层应接到信 号源的接地端（公共端）。
图5.19电缆屏蔽层不正 确接地方式之二
图5.20 电缆屏蔽层正确接 地方式之二
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5.4.3 浮空技术
浮空又称浮置、浮接。如果检测装置的 输入放大器的公共线，既不接机壳也不 接大地，则称为浮空，被浮空的检测系 统，其检测装置与机壳、大地没有任何 导电性的直接联系。
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单级电路的一点接地
图中单级选频放大器电路中有5个线端需要接 地，如果只从原理图的要求进行接线，则这5 个线端可以任意接在接地母线的各个点上 。
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多级电路的一点接地方式
串联方式，即多级电 路通过一般公用地线
后再在一点接地，在
这段公用地线上仍存 在着A、B、C三点不 同的对地电位差。
这种接地方法是适用于低频 电路，因为各电路之间的地 电流不致耦合。各点电位只 与本电路的地电流、地线阻 抗有关，它们之间互不相关。
（1）消除或抑制干扰源； （2）阻截干扰传递途径； （3）削弱接收电路对干扰的敏感性。
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5.4.1 屏蔽技术
利用铜或铝等低电阻材料制成的容器，或者是 利用导磁性良好的铁磁材料制成的容器，将需 要防护的部分（如干扰源）包围起来，称为屏 蔽，屏蔽可以分为以下几类：
（1）静电屏蔽 即电场屏蔽，可防止电场耦合 干扰；
护的目的，一般是接大地。
（2）信号接地线。 它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线
（基准电位线），它本身却可能与大地是隔绝的。 信号地线又分为两种：模拟信号地线及数字信号地 线。因模拟信号一般较弱，容易受干扰，故对地线 要求较高，而数字信号一般较强，对地线要求可降 低些。为了避免两者之间的相互干扰，两种地线应 分别设置。
（2）电磁屏蔽 利用涡流效应，防止高频磁场 干扰；
（3）磁屏蔽 采用高导磁材料，防止低频磁场 干扰。
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1.静电屏蔽
图中设A点带有 电荷＋Q，B为 低电阻的金属材 料造成之屏蔽盒， 屏蔽盒接大地。
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2．电磁屏蔽
电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰。 它是采用导电良好的金属材料做成屏蔽 层，利用高频电磁场能在屏蔽金属内产 生涡流，再利用涡流产生的反磁场来抵 消高频干扰磁场，从而达到屏蔽的目的。
屏蔽层的材料必需选择导电性良好 的低电阻金属，如铜、铝或镀银铜 板等。
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3．低频磁层屏蔽
对低频磁场的屏蔽，要用高导磁材料作屏蔽层， 以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏 蔽体的内部，防止其干扰作用。
图中A为磁性 干扰源，B为 受影响的磁 性对象，C为 屏蔽板。
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5.4.2 接地技术
1．检测系统中的各种地线 （1）屏蔽接地线及机壳接地线。 这类地线是对电场及磁场的屏蔽，也能达到安全防
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温度检测电路产生的差模干扰
外来交变磁通 Φ穿过其中一 条传输线，产 生的感应干扰 电 势 UNM 便 与 热 电 偶 电 势 eT 相串联。
消除这种干扰的办法通常是 采用低通滤波器、双绞信号 传输及屏蔽等措施。
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5.3.2 共模干扰
共模干扰电压是指检测电路两个输入端 和地之间的电压。造成这种干扰的主要 原因是双重接地后两地之间出现电位差，
另外某些检测装置中因一些条件的 变化产生某种附加电势等，都会影 响检测装置的正常工作。
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4.光干扰
在检测装置中广泛使用各种半导体 元件，但半导体元件在光的作用下 会改变其导电性能，产生电势与引 起阻值变化，从而影响检测装置正 常工作。
因此，半导体元器件应封装在不透 光的壳体内，对于具有光敏作用的 元件，尤其应注意光的屏蔽问题。
互连电缆传输的电磁干扰。 3.感应干扰 感应干扰是一种通过磁耦合在电路中形
成的干扰。
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5.2 干扰的传输途径
5.2.1 干扰形成的三要素 对检测装置及检测系统形成干扰，需同
时具备三个要素： （1）干扰源； （2）对干扰敏感的接收电路； （3）干扰源到接收电路之间的传输途
径。
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5.2.2 静电电容耦合
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7. 射线辐射干扰
核辐射可产生很强的电磁波，射 线会使气体电离，使金属逸出电 子，从而影响到电测装置的正常 工作。
射线辐射的防护是一种专门的技 术，主要用于原子能工业等方面。
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按干扰传播的方式可分为：
1.辐射干扰 辐射干扰是一种通过空间以电磁波形式
传播的电磁干扰。 2.传导干扰 传导干扰是一种沿电源线、公共地线和
浮空的目的是要阻断干扰电流的通路。 浮空后，检测电路的公共线与大地（或 机壳）之间的阻抗很大，因此，浮空与 接地相比能更强的抑制共模干扰电流。
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图中，r1、r2为信号传输 线电阻，Z 1、Z2为信号 线对地等效阻抗（包括漏 电阻、对地分布电容等）， Z1n为检测电路输入阻抗， rs为传感器内阻。通常， 传感器也不接地，它对地 的等效阻抗较大，为分析 方便，在图中将它接地。
干扰电压UN为
UN＝jωMI1
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5.2.4共阻抗耦合
共阻抗耦合是由于两个电路间有公共阻抗，当一 个电路中有电流流过时，通过共阻抗便在另一个 电路上产生干扰电压。
图中ZC表示两个电 路之间的共有阻抗， In表示干扰源电流， UN表示被干扰电路 的干扰电压 。
UN=InZC
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5.2.5漏电流耦合
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5. 湿度干扰
湿度增加会引起: 绝缘体的绝缘电阻下降，漏电流增
加；
电介质的介电系数增加，电容量增 加；
吸潮后骨架膨胀使线圈阻值增加， 电感器变化；
应变片粘贴后，胶质变软，精度下 降等。
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6. 化学干扰
酸、碱、盐等化学物品以及其他 腐蚀性气体，除了其化学腐蚀性 作用将损坏仪器设备和元器件外， 还能与金属导体产生化学电动势， 从而影响仪器设备的正常工作。
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2．一点接地和多点接地
（1）印刷电路板内的接地方式。 在印刷电路板内接地的基本原则是低频电
路需一点接地，高频电路应就近多点接地。 因为在低频电路中，布线和元件间的电感 并不是什么大问题，而公共阻抗耦合干扰 影响较大，因此，常以一点为接地点。
但一点接地不适用于高频电路，因为高频 时各地线电路形成的环路会产生电感耦合， 引起干扰。通常频率在1兆赫以下用一点接 地，频率在10MHz以上用多点接地。
第五章 检测系统的抗干扰技术
干扰的来源 干扰的传播 差模干扰和共模干扰 干扰的抑制
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5.1 干扰的来源
5.1.1 干扰的产生 可以把干扰分成内部干扰和外部干扰两大类。 外部干扰是指那些与系统结构无关，由使用
条件和外界环境因素所决定的干扰。它主要 来自自然界的干扰以及周围电气设备的干扰。 内部干扰是指装置内部的各种元件引起的各 种干扰，它包括固定干扰和过渡干扰。
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1.外部干扰
（1）自然干扰
自然干扰产生的原因来自自然现象，如闪 电、雷击、宇宙辐射、太阳黑子活动等。
（2）电气设备干扰
各种电气设备所产生的干扰有电磁场、电 火花、电弧焊接、高频加热、可控硅整流 等强电系统所造成的干扰Biblioteka Baidu这些干扰主要 是通过供电电源对测量装置和微型计算机 产生影响。
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2．内部干扰
静电电容耦合是由于两个电路之间存在寄生电容， 产生静电效应，使一个电路的电荷变化影响到另一 个电路。
导线1是干扰源，
导线2是检测系统
的传输线，C1、 C2分别为导线1、 2的对地寄生电容，
C12是导线1和2之 间的寄生电容，R
为导线2的对地电 阻，
当 R《1/ω （ C12+C2 ） 时 ， 导 线 2 所 产生的对地干扰电压即R的电压为
UN≈jωRC12U1 15
5.2.3电磁耦合
电磁耦合(电 感性耦合)是 由于电路之 间存在互感， 使一个电路 的电流变化， 通过磁交变 影响到另一 个电路。
图中导线1为干扰源，导线2为检测系统的一段电路，
两导线之间的互感系数为M。当导线1中有电流I1变 化时，根据电路理论，通过电磁耦合在导线2产生的
图中r1、r2是 长电缆导线 电阻，Z 、Z
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是共模电压 通道中放大 器输入端的 对地等效阻 抗，
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5.3.3 共模抑制比CMRR
共模干扰对检测装置的影响程度，取决于共模干 扰转化成差模干扰的大小。
为了衡量检测装置对共模干扰的抑制能力，引入 共模抑制比（CMRR）这一重要概念。
CMRR的表示方法：
（1）固定干扰 固定干扰包括： 电阻中随机性的电子热运动引起的热噪声； 半导体内载流子的随机运动引起的散粒噪声； 两种导电材料接触面的电导率的不一致而产生的
接触噪声；
寄生参数、泄漏电阻等耦合形成寄生反馈电流所 造成的干扰；
多点接地造成的电位差引起的干扰； 寄生振荡引起的干扰等。 （2）过渡干扰 过渡干扰是电路在动态工作时引起的干扰。 4