电气测量技术-第10章干扰与抑制

串模干扰可以降到单层 干扰的百万分之一
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屏蔽（1）
屏蔽的原理：基于屏蔽容器壳体对于干扰信号的反
射和吸收作用。 恰当地选择屏蔽
第一边界的反射波
干扰信号
形式与屏蔽材料，
可使外部进入仪
器内部的干扰明
显减小，也可使
内部干扰逸出减
小。
第二边界的反射波
剩余干扰
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屏蔽（2）
屏蔽的结构形式：屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓、 导电涂料，等
电气测量技术
第十章 干扰与抑制
1
第十章：干扰与抑制
10.1 电磁干扰
2
基本知识
抗电磁干扰技术，即电磁兼容技术 是测控设备与自动化系统的关键技术之一
电子与电力设备相互结合 弱电和强电相互渗透 一次设备数字化
电磁干扰三要素
噪声源：向外发送干扰的源 噪声的耦合和辐射：传播干扰的途径 受扰设备：承受电磁干扰的客体
干扰随I1、Z1、 Z2的增大而增大 应减小公共阻抗Z1
U2
Z1Z 2 Z2 Z1
I1
干扰源和受扰电路间的 公共阻抗
干扰源的 等效电流源
受扰电路的 等效输入阻抗
7
干扰与噪声的耦合方式（4）
漏电流耦合：由电路间漏电流耦合
干扰随U1、Z2的增大而增大，随Z1的减小而增大 应增大漏电阻抗Z1，减小受扰电路等效输入阻抗Z2
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其他抗干扰措施
共模干扰总以串模干扰形式起作用。 采用滤波器
根据干扰信号和被测信号的频率关系，分别用低通、高通、带通、带 阻等滤波器 无源滤波器和有源滤波器 数字滤波器 单级滤波器和多级滤波器
选择器件
如：选择双积分AD转换可以明显抑制工频干扰
要求采样时间T为工频周期整数倍 采用锁相环跟踪系统频率变化
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隔离
由于分布参数无法完全控制 一般系统中，容易形成寄生环路
引入电磁耦合
可采用隔离技术 切断环路，提高抗干扰性能
对于数字系统，通常采用光电耦合。
利用光电耦合，将两个电路的连接隔开。两个电路由各自电源供电， 有各自的地点为基准，相互独立不会造成干扰。
对于模拟系统，常用隔离放大器、变压器耦合等。
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干扰源的 等效电势
受扰电路的 等效输入阻抗
5
干扰与噪声的耦合方式（2）
互感器耦合（电感性耦合）：经电路间杂散互感耦 合
干扰随I1、M和干扰信号频率增大而增大
应减小寄生互感
干扰源和受扰电路间的 等效互感
U2 jMI1
干扰源的 等效电流源
受扰电路的 等效输入阻抗
6
干扰与噪声的耦合方式（3）
公共阻抗耦合：由电路间公共阻抗耦合
抑制噪声的措施（三个方面）
抑制噪声源，直接消除干扰源头 切断干扰途径，减小噪声的耦合和辐射 加强受扰设备的抗电磁干扰能力，降低其对噪声的敏感度
3
干扰与噪声的来源
内部噪声干扰：在电子装置和设备内部的电路和器 件产生的噪声干扰．
元件的热噪声、晶体管的低频噪声、在外部触发下的自激， 等
外来噪声干扰：从外部侵入电子装置和设备的噪声 干扰．
直流分量、交流分量
抗串模干扰能力的表示：串模抑制比（SMRR） 干扰信号
串模干扰源电压峰值
SMRR 20 lg Unm (dB) U n
串模干扰引起的误差电压有效值
输入信号
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共模干扰及其分类
共模干扰：以公共地电位为基准点，在仪器两输入 端上同时出现的干扰。可分为三类
由被测信号源的特点产生 电磁场干扰 由不同的地电位引起
模拟地与机 壳间等效阻
抗。
含绝缘电阻 和寄生电容
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接地（4）
双层屏蔽（续）
I cm2
Ucm Z1 Z0
U sm
I cm2 Z 0
Z0 Z1 Z0
Ucm
U sm Z0 0.03%
Ucm Z1 Z0 104
有共模干扰电压的0.03%
设：Z0 1k,
作为串模干扰电压串入放大器
R1 1G,C1 1uF
15
第十章：干扰与抑制
10.3 干扰的抑制
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干扰的抑制方法
接地
地线系统与零线（浮地）系统 电路的单地原则 电缆屏蔽层的接地 双层屏蔽
屏蔽 隔离 灭弧 其他抗干扰措施
采用滤波器 选择器件 对信号进行预处理
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接地（1）
接地的目的：消除各电路电流流经一个公共地线阻抗产生的 噪声电压以及避免形成回路。 地线系统：设备或仪器的地线系统与大地之间有欧姆相连接 浮地：设备或仪器的地线系统与大地之间无欧姆连接
R
U R
U U R U 2 2 Rt R
U ac差
Rt
R
U R
-U 2
U ac共
U 2
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共模干扰-电磁场的干扰（1）
高压设备产生的电场，通过分布电容同时耦合到输 入的两条引线
U1=U2时，只有共模干扰 U1！=U2时，既有共模干扰，又有差模干扰
U1
C1 C1 C3
UH
U2
C2 C2 C4
对信号进行预处理
前置放大，可以提高测量通道的信噪比，抑制传播过程中的干扰。
可以抑制输入干扰吗？
信号变换，如变换为数字量、频率量，U->I，等。
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第十章：干扰与抑制
10.4 电源干扰的抑制
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电路滤波器
常用措施：电路滤波器、切断噪声变压器 电路滤波器：
恰当选择参数，可以有效抑制电网（电源）中1000Hz以上的干扰
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接地（5）
双层屏蔽（续）
为消除干扰，常采用双层屏蔽及数字模拟电路互相隔离的浮地结构
I c m2
Rs Rs Z2
Ucm Z1 Z0
U sm Icm2Z0
Rs Z2
Z0 Z1 Z0
U
cm
U sm Rs Z0
U cm Z2 Z1 Z0 1011 设：Z0 1k,
R1 1G,C1 1uF Rs 10, Z2 10M
屏蔽罩：用无孔隙的金属薄板制成 屏蔽栅网：用金属编织网或有孔金属薄板制成 屏蔽铜箔：利用多层印刷电路板的一个铜箔面作为屏蔽板 隔离仓：用金属板将金属箱体分割成多个独立的隔仓 导电涂料：在非金属箱体内、外表面喷一层金属涂层
屏蔽的材料：电场屏蔽材料和磁场屏蔽材料
电场屏蔽材料：一般电导率较高的铜或铝；干扰频率较高时，可采用 银，以反射衰减为主。 磁场屏蔽材料：磁导率较高的磁材料，以透射时的吸收衰减为主。但 干扰频率升高时，磁导率下降，屏蔽作用将减弱。 可采用多种不同方式屏蔽组合
U2
Z2 Z2 Z1
U1
干扰源和受扰电路间的 漏电电阻
干扰源的 等效电势
受扰电路的 等效输入阻抗
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第十章：干扰与抑制
10.2 干扰的表示方法
9
串模干扰
根据干扰进入仪器测量电路的方式不同，将干扰分为：串模 干扰和共模干扰。 串模干扰：由外界条件引起、叠加在被测信号的干扰信号， 并通过测量的输入通道一起进入测量系统的干扰。
灭弧
灭弧：在电感性负载上并联各种吸收浪涌电压（电流），并 抑制电弧或火花放电的元器件。
感性负载断开或接通时，磁场能量的突然释放，将产生过电压危害器 件安全，同时产生宽频、高幅值电磁波辐射，干扰其他电路
常用灭弧元件：泄流二极管、硅堆整流器、充气放电管，等。
仅适用直流电感负载
同时适用 直流电感负载 交流电感负载
扼流线圈
滤波电容
外部接地端
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切断噪声变压器
结构、铁芯材料、形状、线圈位置比较特殊。 可切断高频噪声 既可切断共模干扰、又可切断差模干扰
一次、二次线 圈绕在不同处
高频磁导率低的材料
一次线圈、二 次线圈、铁芯， 分别屏蔽并接
地
30
UH
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共模干扰-电磁场的干扰（2）
交流大电流设备的磁场，通过互感感应同时耦合到 输入的两条引线上
E1=E2时，只有共模干扰 E1！=E2时，既有共模干扰，又有差模干扰
E1 jM1I1 E2 jM 2I1
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共模干扰-不同地电位引起的共模干扰
被测信号源与测量仪器相隔较远时，不能在共同的 “大地点”上接地。 或者接地系统导体中流有大电流使各点电位不同。
雷电 机器和设备产生的人为噪声：电路通断产生的火花，输电 线路，机动车，超声波设备，等。 太阳磁暴
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干扰与噪声的耦合方式（1）
一般包括：静电耦合、互感器耦合、公共阻抗耦合、 漏电流耦合
静电耦合：经电路间杂散电容耦合
干扰随U1、C、Z2和干扰信号频率增大而增大
应减少Z2和C
U2
Z2
Z2 1
jC
U1
干扰源和受扰电路间的 寄生电容
以浮地作为参考电平 机壳仍然必须接地：否则机壳容易感应高电压，危及人身安全 优点：不受大地电流影响 缺点：仍然可能通过电路输入端杂散电容耦合形成干扰
电路的单地原则
在中低频电路中，如果存 在两个接地点，地电位不 等，将耦合到电路中形成 干扰。
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接地（2）
电缆屏蔽层的接地：应和电路接地相对应
如电路两端均接地 （如信号源和仪器） 屏蔽线两端也须接地 依靠屏蔽体分流干扰
仪器的抗共模干扰能力用共模抑制比（CMR）表示：
共模干扰源电压峰值
CMR 20 lg Ucm (dB) U c
共模干扰引起的误差电压有效值
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共模干扰-由被测信号源的特点产生
由不具有对地电位的输出产生
输出的两线中没有任何一个是地线 差分放大电路、不平ห้องสมุดไป่ตู้电桥
Ua
1U 2
Uc
Rt Rt
U R
U
Rt
如电路仅一端接地 屏蔽线也同一端接地 屏蔽线另一端和电路地线相连 单点接地，不会形成干扰回路
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接地（3）
双层屏蔽
高电压强磁场环境下，仪器应采用浮地，而外壳和信号源 （被测信号、传感器）必须接大地
Ucm产生的信号线里串模电流 Ucm产生的屏蔽线里串模电流
Z0上的 压降为模 拟系统的
串模干扰
信号的不平衡阻抗 地电位不等产生的电压