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　　測(cè)試系統(tǒng)中干擾及其形成機(jī)理
　　
　　摘要：闡述了測(cè)試系統(tǒng)中的各類(lèi)干擾，并對(duì)其產(chǎn)生的原因作了較詳細(xì)的分析。針對(duì)干擾的特性，指出了它們的危害范圍及程度，以便于對(duì)其進(jìn)行抑制，增強(qiáng)抗干擾的效果。
　　
　　關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng) 干擾 干擾源
　　
　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。由于存在干擾，它對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度受到了直接的影響，嚴(yán)重時(shí)可使測(cè)試系統(tǒng)不能正常工作。因此，從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、使用方式以及工作環(huán)境等各個(gè)方面都不得不優(yōu)先考慮抗干擾問(wèn)題。所以對(duì)干擾的研究是測(cè)試技術(shù)的重要課題。
　　
　　干擾形成的全過(guò)程是由干擾源發(fā)出的干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)耦合通道達(dá)到受感器上，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的干擾。干擾的三個(gè)環(huán)節(jié)，稱(chēng)之為干擾系統(tǒng)的三要素，如圖1所示。要有效地抑制干擾，首先要找到干擾的發(fā)源地，防患于發(fā)源處是抑制干擾的積極措施。當(dāng)產(chǎn)生了難以避免的干擾，削弱通道對(duì)干擾的耦合以及提高受感器的抗干擾能力就成為非常重要的方法。
　　
　　為了討論方便，將干擾源分為來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)外部和同部的兩個(gè)方面，現(xiàn)分別給予討論。
　　
　　1 來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)外部的干擾
　　
　　1.1 自然干擾
　　
　　自然干擾包括雷達(dá)、大氣層的電場(chǎng)變化、電離層變化以及太陽(yáng)黑子的電磁輻射等。雷電能在傳輸線(xiàn)上產(chǎn)生輻值很高的高頻涌浪電壓，對(duì)系統(tǒng)形成的干擾。太陽(yáng)黑子的電磁輻射能量很強(qiáng)，可造成無(wú)線(xiàn)通信中斷。來(lái)自宇宙的自然干擾，只有高頻才能穿過(guò)地球外層的電離層，頻率在幾十MHz到200MHz之間，電壓一般在μV量級(jí)，對(duì)低頻系統(tǒng)影響甚微。
　　
　　1.2 放電干擾
　　
　　1.2.1 電暈放電
　　
　　最常見(jiàn)的電暈放電來(lái)自高壓輸出線(xiàn)。高壓輸電線(xiàn)因絕緣失效會(huì)產(chǎn)生間隙脈沖電流，形成電暈放電。在輸電線(xiàn)垂直方向上的電暈干擾，其電平隨頻率升高而衰減。當(dāng)頻率低于1MHz時(shí)，衰減微弱；當(dāng)頻率高于1MHz時(shí)，急劇衰減。因此電暈放電干擾對(duì)高頻系統(tǒng)影響不大，而對(duì)低頻系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重，應(yīng)引起注意。
　　
　　1.2.2 輝光放電
　　
　　輝光放電即氣體放電。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)之間的氣體被電離時(shí)，由于離子磁撞而產(chǎn)生輝光放電，肉眼可見(jiàn)到藍(lán)色的輝光。輝光放電所需電壓與接點(diǎn)之間的距離、氣體類(lèi)型和氣壓有關(guān)。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，均是利用這一原理制造的輝光放電設(shè)備。這類(lèi)設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)都是干擾源，頻率一般為超高頻。如熒光燈干擾，電壓為幾十到幾千微伏（μV），甚至可達(dá)幾十毫伏（mV）。
　　
　　1.2.3 弧光放電
　　
　　弧光放電即金屬霧放電。最具典型的弧光放電是金屬電焊。弧光放電產(chǎn)生高頻振蕩，以電波形式形成干擾。這種干擾對(duì)測(cè)試系統(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.
　　
　　1.2.4 火花放電
　　
　　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，如電動(dòng)機(jī)、電刷同鄰近的整流片反復(fù)接通和斷開(kāi)，形成很寬頻率范圍的火花放電干擾。這種干擾波雖被電機(jī)金屬外殼屏蔽，但還會(huì)有部分通過(guò)窄小的空隙處和引出線(xiàn)輻射出來(lái)。盡管如此，這種干擾仍具有較大的能量。小型電鉆的干擾電平約為20——80dB（200MHz以下），可使鄰近電視圖像不停跳動(dòng)。
　　
　　內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源。這種點(diǎn)火系統(tǒng)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(xiàn)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。
　　
　　須指出，各種電氣開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)并不都會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，但由于通、斷時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的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(xiàn)輻射出去。
　　
　　1.3 工頻干擾
　　
　　供電設(shè)備和輸出線(xiàn)都產(chǎn)生工頻干擾，這種干擾隨處可見(jiàn)。低頻信號(hào)只要有一段與供電線(xiàn)平行，50Hz交流電就會(huì)耦合到信號(hào)線(xiàn)上成為干擾。
　　
　　直流電源輸出端也可能出現(xiàn)不同程度的交流干擾，它發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部，待討論系統(tǒng)內(nèi)部干擾時(shí)再述。
　　
　　1.4 射頻干擾
　　
　　通信設(shè)備、無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、雷達(dá)等通過(guò)天線(xiàn)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)試系統(tǒng)的傳輸線(xiàn)上以及接收天線(xiàn)上，會(huì)感位出大小不等的射頻信號(hào)。有的電磁波在接收天線(xiàn)上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)比欲接收的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)大上萬(wàn)倍。這類(lèi)干擾的頻帶有限且可知，選擇適當(dāng)濾波器即可消除。
　　
　　1.5 靜電干擾
　　
　　摩擦產(chǎn)生的靜電作為能源來(lái)說(shuō)是很小的，但是電壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。帶有高電位的人接觸測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，人體上的電荷會(huì)向系統(tǒng)放電，急劇的放電電流造成噪聲干擾，能影響測(cè)試系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　2 來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)部的干擾
　　
　　2.1 電源干擾
　　
　　所產(chǎn)生的干擾主要是從電源和電源引線(xiàn)侵入系統(tǒng)。情況如下：
　　
　　當(dāng)系統(tǒng)與其它經(jīng)常變動(dòng)的大負(fù)載共用電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電源噪聲。
　　
　　當(dāng)使用較長(zhǎng)的電源引線(xiàn)來(lái)進(jìn)行傳輸時(shí)，所產(chǎn)生電壓降及感應(yīng)電勢(shì)等也會(huì)形成噪聲。
　　
　　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。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來(lái)麻煩，應(yīng)引起重視。
　　
　　2.2 地線(xiàn)干擾
　　
　　測(cè)試系統(tǒng)往往共用一個(gè)直流電源或不同電源共用一個(gè)地線(xiàn)。因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地線(xiàn)時(shí)，會(huì)在其上產(chǎn)生電壓降，形成相互影響的噪聲干擾信號(hào)。這種情況在數(shù)字電路和模擬電路共地時(shí)非常明顯。圖2（a）中Rcm是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的公共接地線(xiàn)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2（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%.
　　
　　2.3 信號(hào)通道的耦合干擾
　　
　　往往傳感器設(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(xiàn)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中很容量受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失真，所產(chǎn)生的干擾主要有：傳輸線(xiàn)周?chē)�空間電磁場(chǎng)對(duì)傳輸線(xiàn)的電磁感應(yīng)干擾；當(dāng)兩條或兩條以上信號(hào)強(qiáng)弱不同的線(xiàn)相互靠得很近時(shí)，通過(guò)線(xiàn)間分布電路和互感而形成的線(xiàn)間干擾，即輸線(xiàn)間的串?dāng)_。
　　
　　2.3.1 容性（電場(chǎng)）耦合干擾
　　
　　當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí)，干擾源與信號(hào)電路之間就存在容性（電場(chǎng)）耦合，這時(shí)干擾電壓線(xiàn)電容耦合到信號(hào)電路，形成干擾源。
　　
　　對(duì)于平行導(dǎo)線(xiàn)，由于分布電容較大，容性耦合較嚴(yán)重。在圖3（a）中，導(dǎo)線(xiàn)1和導(dǎo)線(xiàn)2是兩條平行線(xiàn)，C1和C2分別是各線(xiàn)對(duì)地的分布電容，C12是兩線(xiàn)間分布的耦合電容，V1是導(dǎo)線(xiàn)1對(duì)地電壓，R是導(dǎo)線(xiàn)2對(duì)地電阻。由圖3（b）等效電路可得導(dǎo)線(xiàn)1電壓通過(guò)耦合導(dǎo)線(xiàn)2上產(chǎn)生的電壓V2為：
　　
　　當(dāng)R》1/jω（C12+C2）時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為：
　　
　　V2=C12V1/（C12+C2） （2）
　　
　　此時(shí)V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴(yán)重的。
　　
　　當(dāng)R《1/jω（C12+C2）時(shí)，則式（1）可簡(jiǎn)化為：
　　
　　V2=jωC12RV1 （3）
　　
　　由式（1）、（2）、（3）可知，容性耦合干擾隨著耦合電容的增大而增大。
　　
　　2.3.2 感性（磁性）耦合
　　
　　當(dāng)干擾源是以電流形式出現(xiàn)的，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。圖4是互感耦合示意圖，兩鄰近導(dǎo)互之間存在分布互感M,M=φ/I1（其中，I1是流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)1的電流，φ是電流I1產(chǎn)生的與導(dǎo)線(xiàn)2交線(xiàn)的磁通），由互感耦合在導(dǎo)線(xiàn)2上形成的互感電壓為V2=2ωMI1,此電壓在導(dǎo)線(xiàn)上是串聯(lián)的。從式中可知V2與干擾的頻率和互感量成正比。
　　
　　2.4 測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的其它干擾
　　
　　測(cè)試系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)不良或某些器件在工作時(shí)會(huì)形成干擾。這些內(nèi)部干擾一般比較微弱，但對(duì)于小信號(hào)高精密測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻不可忽視。
　　
　　2.4.1 溫差電勢(shì)
　　
　　當(dāng)電流回路的導(dǎo)線(xiàn)采用不同的金屬，并且在連接處具有不同的溫度時(shí)，則在回路內(nèi)將產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在圖5中，如一支路R為康銅，另一支路RL為銅，則溫差電勢(shì)V0=V01-V02=1——100μV,此電勢(shì)將疊加到測(cè)量電壓Vm上，使得終結(jié)果為Vm+V0.
　　
　　2.4.2 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)行而引起的噪音。導(dǎo)體中的電子始終在作隨機(jī)運(yùn)行，并與分子一起處于平衡狀態(tài)。電子的這種隨機(jī)運(yùn)行將會(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）。熱噪音可用尼奎斯特公式計(jì)算，其中k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.3804×10 -23J/K,T為絕對(duì)溫度（K），R為電阻值（Ω），Δf為所考慮的頻帶（Hz）。當(dāng)T=300K,R=1MΩ，Δf=400Hz時(shí)，熱噪音電壓。
　　
　　2.4.3 轉(zhuǎn)接干擾
　　
　　電路轉(zhuǎn)接過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生干擾脈沖，此干擾脈沖又可能引起另一次不希望的轉(zhuǎn)接過(guò)程。這種轉(zhuǎn)接過(guò)程脈沖一般可用接上電容或二極管來(lái)減小。
　　
　　2.4.4 微音干擾
　　
　　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)生微音干擾。
　　
　　2.4.5 壓電效應(yīng)干擾
　　
　　彎折電纜時(shí)，若介質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械力，就會(huì)引起壓電效應(yīng)干擾。例如，感應(yīng)電荷為Q=10 -10A·s,電纜電容率C/L=100pF/m,電纜長(zhǎng)度L=5m,電纜電容C=500pF,則彎折電纜時(shí)產(chǎn)生的電壓為：
　　
　　V=Q/C=10 -10/（5×100×10 -12）=200（mV）
　　
　　弄清楚干擾源是首要條件，否則抗干擾措施都無(wú)從下手。為達(dá)到抑制干擾的目的，本文所著重論述的干擾源的情況，都是筆者多年在設(shè)計(jì)及工作實(shí)踐中的體會(huì)。值得一提的是：在測(cè)試系統(tǒng)中，干擾的來(lái)源是非常復(fù)雜的，并非所有干擾都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，在實(shí)踐操作過(guò)程中，只有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)取舍。

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