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干扰的来源与形式:电磁、机械、热、化学等

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:人为干扰来源于各类电气、电子设备所产生的电磁场和电火花,及其他机械干扰、热干扰、化学干扰等。

干扰的来源与形式:电磁、机械、热、化学等

1.外部干扰

外部干扰是指从外部侵入检测装置的干扰。它可分为自然干扰和人为干扰。

①自然干扰。来源于自然界的干扰称为自然干扰。它主要来自天空,如雷电、宇宙辐射、太阳黑子活动等,对广播、通信、导航等电子设备影响较大,而对一般工业用电子设备(检测仪表)影响不大。

②人为干扰。来源于其他电气设备或各种电操作的干扰,称为人为干扰(或工业干扰)。称为人为干扰(或工业干扰)。人为干扰来源于各类电气、电子设备所产生的电磁场和电火花,及其他机械干扰、热干扰、化学干扰等。

另外,外部干扰又可分为非电磁干扰和电磁干扰。

(1)非电磁干扰

①机械的干扰,指机械、震动或冲击使电子检测装置的电气参数发生改变,从而影响检测系统的性能。机械的干扰的防护方法是采用各种减震措施,应用专用减震弹簧-橡胶垫脚或吸震海绵垫来隔离震动与冲击对传感器的影响。

②热的干扰。温度波动以及不均匀温度场引起检测电路元器件参数发生改变,或产生附加的热电动势等,都会影响传感器系统的正常工作。常用的热干扰防护措施有:选用低温漂、低功耗、低发热组件;进行温度补偿;设置热屏蔽;加强散热;采取恒温等。

③温度及化学干扰。潮湿会降低绝缘强度,造成漏电、短路等;化学腐蚀会损坏各种零件或部件,所以应注意防潮、保持清洁。

(2)电磁干扰

电磁干扰主要来源于各类电气、电子设备所产生的电磁场和电火花。放电过程会向周围辐射从低频到高频大功率的电磁波,大功率供电系统输电线会向周围辐射工频电磁波。下面说明各种电磁干扰源的特征。

①放电噪声干扰。由各种放电现象产生的噪声,称为放电噪声。它是对电子设备影响最大的一种噪声干扰。在放电现象中属于持续放电的有电晕放电、辉光放电和弧光放电;属于过渡现象的有火花放电。

②电气设备干扰。

a.工频干扰:大功率输电线,甚至就是一般室内交流电源线对于输入阻抗高和灵敏度甚高的测量装置来说都是威胁很大的干扰源。在电子设备内部,由于工频感应而产生干扰,若波形失真,则干扰更大。

b.射频干扰:指高频感应加热、高频介质加热、高频焊接等工业电子设备通过辐射或通过电源线给附近测量装置带来的干扰。

c.电子开关通断干扰:电子开关、电子管晶闸管等大功率电子开关虽然不产生火花,但因通断速度极快,使电路电流和电压发生急剧的变化,形成冲击脉冲而成为干扰源。在一定的电路参数下还会产生阻尼振荡,构成高频干扰。

2.内部干扰

(1)固有噪声源

①热噪声:又称为电阻噪声,是指由电阻内部载流子的随机热运动产生几乎覆盖整个频谱的噪声电压,其有效值电压

式中,K为波耳兹曼常数(1.38×10-23JK);T为热力学温度(K);R为电阻值;Δf为噪声带宽,取决于系统带宽。若某电路输入电阻为470kΩ,带宽为105Hz,环境温度为300K,则噪声电压达27.9μV。因此,减小输入电阻和通频带有利于降低噪声。

②散粒噪声:它由电子器件内部载流子的随机热运动产生,其均方根电流为

式中,Idc为通过电子器件的直流电流,Q为电子电荷量。散粒噪声与其成正比,其功率幅值服从正态分布,属于白噪声。

③低频噪声:又称为1/f噪声。它取决于元器件材料的表面特性,噪声电压频率越低,噪声电压越大。

④接触噪声:它也是一种低频噪声。噪声电流为

式中,为每单位均方根带宽。

(2)信噪比(S/N)

在测量过程中,通常用信噪比S/N来表示其对有用信号的影响,而用噪声系数Nf表征器件或电路对噪声的品质因数

信噪比S/N是用有用信号功率PS和噪声功率PN,或信号电压有效值US与噪声电压有效值UN的比值的对数单位来表示的,其单位为分贝(dB)。信噪比的表达式为

噪声系数NF等于输入信噪比与输出信噪比的比值,即

信噪比越小,信号与噪声越难以分清,若S/N=1,就完全分辨不出信号与噪声。信噪比越大,表示噪声对测量结果的影响越小,在测量过程中应尽量提高信噪比。(www.xing528.com)

3.干扰的传输途径

(1)通过“路”的干扰

①泄漏电阻:元件支架、探头、接线柱、印刷电路及电容器内部介质或外壳等绝缘不良等都可产生漏电流,引起干扰。

如图10-9所示为泄漏电流干扰的等效电路。图中,US为干扰源,Ri为被干扰电路的输入电阻,RG为泄漏电阻。则作用在Ri上的干扰电压为

图10-9 泄漏电流干扰的等效电路

②共阻抗耦合干扰:两个以上电路共有一部分阻抗,一个电路的电流流经共阻抗所产生的电压降就成为其他电路的干扰源。在电路中的共阻抗主要有电源内阻(包括引线寄生电感和电阻)和接地线阻抗。

如图10-10所示为共阻抗耦合干扰示意图。图中,US运算放大器A的输入信号电压,IN为干扰源电流,ZC为两者的共阻抗,则干扰电压为

图10-10 共阻抗耦合干扰

③经电源线引入干扰:交流供电线路在现场的分布很自然地构成了吸收各种干扰的网络,而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处,通过电源线进入各种电子设备造成干扰。

(2)通过“场”的干扰

①通过电场耦合的干扰:电场耦合是由于两支路(或元件)之间存在着寄生电容,使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去,因此又称电容性耦合。

设两根平行导线1和2之间的分布电容为C12,导线1对地分布电容为C1,导线2对地分布电容为C2,等效电阻为R2,当导线1上加有频率为f的电压UNI时,在导线2上产生的干扰电压为UNO=fR2C12UNI

②通过磁场耦合的干扰:当两个电路之间有互感存在时,一个电路中的电流变化,就会通过磁场耦合到另一个电路中。例如,变压器及线圈的漏磁,两根平行导线间的互感就会产生这样的干扰。因此这种干扰又称互感性干扰。

设两根平行导线1和2之间的分布电容为M,当导线1上流过频率为f的电流I1时,在导线2上产生的干扰电压为UN2=fMI1

③通过辐射电磁场耦合的干扰:辐射电磁场通常来自大功率高频用电设备、广播发射台、电视发射台等。例如,当中波广播发射的垂直极化强度为100mV/m时,长度为10cm的垂直导体可以产生5mV的感应电势

4.干扰的作用方式

(1)串模干扰

凡干扰信号和有用信号按电势源的形式串联(或按电流源的形式并联)起来作用在输入端的称为串模干扰。其等效电路如图10-11所示。

图10-11 串模干扰等效电路

串模干扰又常称为差模干扰,它使测量装置的两个输入端电压发生变化,所以影响很大。常见的串模干扰有交变磁场耦合干扰、漏电阻耦合干扰、共阻抗耦合干扰等,如图10-12所示。

(2)共模干扰

干扰信号使两个输入端的电位相对于某一公共端一起变化(涨落)的属共模干扰。其等效电路如图10-13(a)所示。

图10-12 串模干扰举例

图10-13 共模干扰方式

共模干扰本身不会使两输入端电压变化,但在输入回路两端不对称的条件下,便会转化为串模干扰。因共模电压一般都比较大,所以对测量的影响更为严重。共模干扰主要有漏电阻耦合干扰、分布电容耦合干扰以及两点接地的地电流干扰。另外在远距离测量中,因使用长电缆使传感器的地端与仪表地端产生的电位差,也会引起干扰。

(3)共模抑制比(CMR)

共模噪声只有转换成差模噪声才能形成干扰,这种转换是由测量装置的特性决定的。因此,常用共模抑制比衡量测量装置抑制共模干扰的能力,其表达式为

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