怎样在传感器应用电路降低噪声及干扰 点击：1175 | 回复：1
发表于：2012-07-18 07:23:34
楼主
传感器电路中加入滤波环节在放大电路中，频带越宽，噪声也越大，而有用信号的频率往往在一定范围内，故可在电路中加入滤波环节，滤除或尽可能衰减干扰信号，以达到提高信噪比抑制干扰的目的。滤波技术对抑制经导线耦合到电路的干扰特别有效，将相应频带的滤波器接入信号传输通道中，各种滤波器是抑制差模干扰的有效措施之一。在自动检测系统中常用的滤波器有： (1)RC滤波器。当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC滤波器将会对串模干扰有较好的抑制效果。(2)交流电源滤波器。电源网络吸收了各种高、低频噪声，对此常用LC滤波器来抑制混入电源的噪声，例如100μH的电感、0.1 μF的电容组成的高频滤波器能吸收中短波段的高频噪声干扰。(3)直流电源滤波器。直流电源往往为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻造成几个电路间相互干扰，应该在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器，用来滤除低频噪声。 3.4 通过负反馈电路来抑制噪声负反馈电路可以通过反馈信号的取样、控制来稳定电路，提高放大器的信噪比，使放大电路的动态性能获得多方面的改善。负反馈信号可以稳定电路的静态工作点，从而稳定电路的温度、电流、电压等多项参数。在多级电路中，第一级电路因为是原始小信号，因此经常采用的是有较大增益的共射电路组态。除非是特殊需要，共射组态电路往往是不加负反馈的。所以第一级电路产生的噪声只能通过后级的负反馈电路来抑制。对于多级电路而言，通过负反馈信号稳定本级的静态工作点，可以抑制本级电路噪声的产生和传播。因此在多级电路中，负反馈电路是抑制噪声的一个重要手段。 3.5 抑制和减少输入端偏置电路的噪声输入端偏置电路噪声一般是由输入端偏置分流电阻产生的。当流过偏置电阻的直流电流过大时就会使能量过剩从而产生电流噪声。如果选择合适的偏置电路，噪声就可以通过旁路电容短接入地，可以抑制噪声输出，减小对下一级电路的影响。另外优质的信号源也是电路抗干扰的重要保证。 4 减少传感器电路干扰的措施 4.1 合理布局合理的电路布局可以减少不同工作频段电路之间的相互干扰，同时也使对干扰信号的滤除变得相对简单。 4.1.1 电源布线的抗干扰措施在布线时，首先要将交流电源部分与直流电源部分分开，不要共用接地导线，就是把“交流地”和“直流地”分开，减少噪声通过地线串扰。另外，在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声。具体配置方法是在电源输入端接一个10～100μF的电解电容，如果印制电路板的位置允许，采用100μF以上的电解电容的抗干扰效果会更好。在电源线布线时，根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走线和数据信号传递的方向一致，有助于增强抗干扰能力。 4.1.2 元器件布局的抗干扰措施(1)抑制电磁干扰。相互可能产生影响或干扰的元器件，应当尽量分开或采取屏蔽措施。要设法缩短高频部分元器件之间的连线，减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰(如果需要对高频部分使用金属屏蔽罩，还应该在板上留出屏蔽罩占用的面积)。易受干扰的元器件不能离得太近。强电部分(220 V)和弱电部分(直流电源供电)、输入级和输出级的元件应当尽量分开。直流电源引线较长时，要增加滤波元件，防止50 Hz干扰。扬声器、电磁铁、永磁式仪表等元件会产生恒定磁场，高频变压器、继电器等会产生交变磁场。这些磁场不仅对周围元件产生干扰，同时对周围的印制导线也会产生影响。这类干扰要根据情况区别对待，一般应该注意几点：减少磁力线对印制导线的切割，确定两个电感类元件的位置时，尽量使它们的磁场方向相互垂直，减少彼此间的耦合;对干扰源进行磁屏蔽，屏蔽罩要良好接地;使用高频电缆直接传输信号时，电缆的屏蔽层应一端接地。 (2)抑制热干扰。温度升高造成的干扰，在印制板设计中也应该引起注意。在排版设计印制板的时候，应采取措施进行元器件之间的热隔离。比如对于温度敏感的元器件，如晶体管、集成电路和其他热敏元件、大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备内的上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元器件的工作状态及性能。
4.1.3 地线布置的抗干扰措施为克服这种由于地线布设不合理而造成的干扰，在设计印制电路时，应当尽量避免不同回路的电路同时流经某一段共用地线。特别是在高频电路和大电流回路中，更要讲究地线的接法。把“交流地”和“直流地”分开，是减少噪声通过地线串扰的有效方法。
4.2 接地技术接地技术是抑制干扰的有效技术之一，是屏蔽技术的重要保证。正确的接地能够有效地抑制外来干扰，同时可提高测试系统的可靠性，减少系统自身产生的干扰因素。接地的目的有两个：安全性和抑制干扰。因此接地分为保护接地、屏蔽接地和信号接地。保护接地以安全为目的，传感器测量装置的机壳、底盘等都要接地。要求接地电阻在10 Ω以下;屏蔽接地是干扰电压对地形成低阻通路，以防干扰测量装置。接地电阻应小于0.02Ω;信号接地是电子装置输入与输出的零信号电位的公共线，它本身可能与大地是绝缘的。信号地线又分为模拟信号地线和数字信号地线，模拟信号一般较弱，故对地线要求较高;数字信号一般较强，故对地线要求可低一些。 不同的传感器检测条件对接地的方式也有不同的要求，必须选择合适的接地方法，常用接地方法有一点接地和多点接地。 4.2.1 一点接地在低频电路中一般建议采用一点接地，它有放射式接地线和母线式接地线路。放射式接地就是电路中各功能电路直接用导线与零电位基准点连接;母线式接地就是采用具有一定截面积的优质导体作为接地母线，直接接到零电位点，电路中的各功能块的地可就近接在该母线上。这时若采用多点接地，在电路中会形成多个接地回路，当低频信号或脉冲磁场经过这些回路时，就会引起电磁感应噪声，由于每个接地回路的特性不同，在不同的回路闭合点就产生电位差，形成干扰。为避免这种情况，最好采用一点接地的方法。 传感器与测量装置构成一个完整的检测系统，但两者之间可能相距较远。由于工业现场大地电流十分复杂，所以这两部分外壳的接大地点之间的电位一般是不相同的;若将传感器与测量装置的零电位在两处分别接地，即两点接地，则会有较大的电流流过内阻很低的信号传输线产生压降，造成串模干扰。因此这种情况下也应该采用一点接地方法。 4.2.2 多点接地一般建议高频电路采用多点接地。高频时，即使一小段地线也将有较大的阻抗压降，加上分布电容的作用，不可能实现一点接地，因此可采用平面式接地方式，即多点接地方式，利用一个良好的导电平面体(如采用多层线路板中的一层)接至零电位基准点上，各高频电路的地就近接至该导电平面体上。由于导电平面体的高频阻抗很小，基本保证了每一处电位的一致，同时加设旁路电容等减少压降。因此，这种情况要采用多点接地方式。
4.3 屏蔽技术采用屏蔽技术可以有效防止电场或磁场的干扰。屏蔽又可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。 4.3.1 静电屏蔽用铜或铝等导电性良好的金属为材料，制作密闭的金属容器，并与地线连接，把需要保护的电路置于其中，使外部干扰电场不影响其内部电路，反过来，内部电路产生的电场也不会影响外电路。例如传感器测量电路中，在电源变压器的初级和次级之间插入一个留有缝隙的导体，并把它接地，可以防止两绕组之间的静电耦合。 4.3.2 电磁屏蔽对于高频干扰磁场，利用电涡流原理，使高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，涡流磁场抵消高频干扰磁场，从而使被保护电路免受高频电磁场的影响。若电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽的作用。传感器的输出电缆一般采用铜质网状屏蔽，既有静电屏蔽又有电磁屏蔽的作用。屏蔽材料必须选择导电性能良好的低电阻材料，如铜、铝或镀银铜等。 4.3.3 低频磁屏蔽干扰如为低频磁场，这时的电涡流现象不太明显，只用上述方法抗干扰效果并不太好，因此必须采用采用高导磁材料作屏蔽层，以便把低频干扰磁感线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，使被保护电路免受低频磁场耦合干扰的影响。传感器检测仪器的铁皮外壳就起低频磁屏蔽的作用。若进一步将其接地，又同时起静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。 基于以上3种常用的屏蔽技术，因此在干扰比较严重的地方，可以采用复合屏蔽电缆，即外层是低频磁屏蔽层，内层是电磁屏蔽层，达到双重屏蔽的作用。例如电容式传感器在实际测量时其寄生电容是必须解决的关键问题，否则其传输效率、灵敏度都要变低，必须对传感器进行静电屏蔽，而其电极引出线就采用双层屏蔽技术，一般称之为驱动电缆技术。用这种方法可以有效的克服传感器在使用过程中的寄生电容。 4.4 隔离技术在接口电路中，如出现两点以上接地时，可能引入共阻耦合干扰和地环路电流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技术。通常有电磁隔离和光电隔离两种。 4.4.1 电磁耦合隔离利用隔离变压器来切断环流，由于地环路则被切断，两电路有独立的地电位基准，因而不会造成干扰，信号通过耦合形式进行传递。 4.4.2 光电耦合隔离光电耦合器是一种电-光-电的耦合器件，它由发光二极管和光电晶体管封装组成，其输入与输出在电气上是绝缘的，因此，这种器件除了用于做光电控制外，现在被越来越多的用于提高系统的抗共模干扰能力。这样即使输入回路有干扰，只要它在门限之内，就不会对输出造成影响上海三广三广景芮，主要从事工业设备的维修：线路板维修、电源维修、PLC维修、变频器维修已经医疗设备的维修DR维修、X光机维修和东芝CT维修。上海三广维修在维修行业优势明显，除了强大的技术力量，还和香港恒发科技有限公司合作，彻底解决了集成电路、偏冷们芯片、电流开关、电流传感器、电压传感器、电流变送器、电压变送器、进口current sensor、ac current sensor、电流开关 current switch、current switch和电流感应开关current sensing switch、ac current sensing switch以及各种常用电子元件的供应问题。 。。 4.5 其他抗干扰技术(1)稳压技术。目前智能传感器及仪器仪表开发中常用的稳压电源有两种：一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源，另一种是DC-DC稳压电源，这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作十分有效。(2)抑制共模干扰技术。采用差分放大器，提高差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模干扰的影响。(3)软件补偿技术。外界因素如温湿度变化等也会引起某些参数的变化，造成偏差。可以利用软件根据外界因素的变化和误差曲线进行修正，去掉干扰。 5 结语 抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能是由若干因素引起的。因此，在传感器电路以及测控系统的设计中，不仅应预先采取抗干扰措施，在调试过程中还应及时分析出遇到的现象，对传感器及其系统的电路原理、具体布线、屏蔽、电源的抗干扰能力、数字地或模拟地的处理以及防护形式不断改进，以提高电路的可靠性和稳定性。
4.1.3 地线布置的抗干扰措施为克服这种由于地线布设不合理而造成的干扰，在设计印制电路时，应当尽量避免不同回路的电路同时流经某一段共用地线。特别是在高频电路和大电流回路中，更要讲究地线的接法。把“交流地”和“直流地”分开，是减少噪声通过地线串扰的有效方法。
4.2 接地技术接地技术是抑制干扰的有效技术之一，是屏蔽技术的重要保证。正确的接地能够有效地抑制外来干扰，同时可提高测试系统的可靠性，减少系统自身产生的干扰因素。接地的目的有两个：安全性和抑制干扰。因此接地分为保护接地、屏蔽接地和信号接地。保护接地以安全为目的，传感器测量装置的机壳、底盘等都要接地。要求接地电阻在10 Ω以下;屏蔽接地是干扰电压对地形成低阻通路，以防干扰测量装置。接地电阻应小于0.02Ω;信号接地是电子装置输入与输出的零信号电位的公共线，它本身可能与大地是绝缘的。信号地线又分为模拟信号地线和数字信号地线，模拟信号一般较弱，故对地线要求较高;数字信号一般较强，故对地线要求可低一些。 不同的传感器检测条件对接地的方式也有不同的要求，必须选择合适的接地方法，常用接地方法有一点接地和多点接地。 4.2.1 一点接地在低频电路中一般建议采用一点接地，它有放射式接地线和母线式接地线路。放射式接地就是电路中各功能电路直接用导线与零电位基准点连接;母线式接地就是采用具有一定截面积的优质导体作为接地母线，直接接到零电位点，电路中的各功能块的地可就近接在该母线上。这时若采用多点接地，在电路中会形成多个接地回路，当低频信号或脉冲磁场经过这些回路时，就会引起电磁感应噪声，由于每个接地回路的特性不同，在不同的回路闭合点就产生电位差，形成干扰。为避免这种情况，最好采用一点接地的方法。 传感器与测量装置构成一个完整的检测系统，但两者之间可能相距较远。由于工业现场大地电流十分复杂，所以这两部分外壳的接大地点之间的电位一般是不相同的;若将传感器与测量装置的零电位在两处分别接地，即两点接地，则会有较大的电流流过内阻很低的信号传输线产生压降，造成串模干扰。因此这种情况下也应该采用一点接地方法。 4.2.2 多点接地一般建议高频电路采用多点接地。高频时，即使一小段地线也将有较大的阻抗压降，加上分布电容的作用，不可能实现一点接地，因此可采用平面式接地方式，即多点接地方式，利用一个良好的导电平面体(如采用多层线路板中的一层)接至零电位基准点上，各高频电路的地就近接至该导电平面体上。由于导电平面体的高频阻抗很小，基本保证了每一处电位的一致，同时加设旁路电容等减少压降。因此，这种情况要采用多点接地方式。
4.3 屏蔽技术采用屏蔽技术可以有效防止电场或磁场的干扰。屏蔽又可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。 4.3.1 静电屏蔽用铜或铝等导电性良好的金属为材料，制作密闭的金属容器，并与地线连接，把需要保护的电路置于其中，使外部干扰电场不影响其内部电路，反过来，内部电路产生的电场也不会影响外电路。例如传感器测量电路中，在电源变压器的初级和次级之间插入一个留有缝隙的导体，并把它接地，可以防止两绕组之间的静电耦合。 4.3.2 电磁屏蔽对于高频干扰磁场，利用电涡流原理，使高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，涡流磁场抵消高频干扰磁场，从而使被保护电路免受高频电磁场的影响。若电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽的作用。传感器的输出电缆一般采用铜质网状屏蔽，既有静电屏蔽又有电磁屏蔽的作用。屏蔽材料必须选择导电性能良好的低电阻材料，如铜、铝或镀银铜等。 4.3.3 低频磁屏蔽干扰如为低频磁场，这时的电涡流现象不太明显，只用上述方法抗干扰效果并不太好，因此必须采用采用高导磁材料作屏蔽层，以便把低频干扰磁感线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，使被保护电路免受低频磁场耦合干扰的影响。传感器检测仪器的铁皮外壳就起低频磁屏蔽的作用。若进一步将其接地，又同时起静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。 基于以上3种常用的屏蔽技术，因此在干扰比较严重的地方，可以采用复合屏蔽电缆，即外层是低频磁屏蔽层，内层是电磁屏蔽层，达到双重屏蔽的作用。例如电容式传感器在实际测量时其寄生电容是必须解决的关键问题，否则其传输效率、灵敏度都要变低，必须对传感器进行静电屏蔽，而其电极引出线就采用双层屏蔽技术，一般称之为驱动电缆技术。用这种方法可以有效的克服传感器在使用过程中的寄生电容。 4.4 隔离技术在接口电路中，如出现两点以上接地时，可能引入共阻耦合干扰和地环路电流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技术。通常有电磁隔离和光电隔离两种。 4.4.1 电磁耦合隔离利用隔离变压器来切断环流，由于地环路则被切断，两电路有独立的地电位基准，因而不会造成干扰，信号通过耦合形式进行传递。 4.4.2 光电耦合隔离光电耦合器是一种电-光-电的耦合器件，它由发光二极管和光电晶体管封装组成，其输入与输出在电气上是绝缘的，因此，这种器件除了用于做光电控制外，现在被越来越多的用于提高系统的抗共模干扰能力。这样即使输入回路有干扰，只要它在门限之内，就不会对输出造成影响上海三广三广景芮，主要从事工业设备的维修：线路板维修、电源维修、PLC维修、变频器维修已经医疗设备的维修DR维修、X光机维修和东芝CT维修。上海三广维修在维修行业优势明显，除了强大的技术力量，还和香港恒发科技有限公司合作，彻底解决了集成电路、偏冷们芯片、电流开关、电流传感器、电压传感器、电流变送器、电压变送器、进口current sensor、ac current sensor、电流开关 current switch、current switch和电流感应开关current sensing switch、ac current sensing switch以及各种常用电子元件的供应问题。 。。 4.5 其他抗干扰技术(1)稳压技术。目前智能传感器及仪器仪表开发中常用的稳压电源有两种：一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源，另一种是DC-DC稳压电源，这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作十分有效。(2)抑制共模干扰技术。采用差分放大器，提高差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模干扰的影响。(3)软件补偿技术。外界因素如温湿度变化等也会引起某些参数的变化，造成偏差。可以利用软件根据外界因素的变化和误差曲线进行修正，去掉干扰。 5 结语 抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能是由若干因素引起的。因此，在传感器电路以及测控系统的设计中，不仅应预先采取抗干扰措施，在调试过程中还应及时分析出遇到的现象，对传感器及其系统的电路原理、具体布线、屏蔽、电源的抗干扰能力、数字地或模拟地的处理以及防护形式不断改进，以提高电路的可靠性和稳定性。
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