测试系统中干扰及其形成机理

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测试系统中干扰及其形成机理

摘要：阐述了测试系统中的各类干扰，并对其产生的原因作了较详细的分析。针对干扰的特性，指出了它们的危害范围及程度，以便于对其进行抑制，增强抗干扰的效果。    关键词：测试系统 干扰 干扰源
随着国民经济和社会生产的迅速发展，测试系统已经广泛应用到科学研究和生产实践的各个领域。由于存在干扰，它对测试系统的稳定度和精确度受到了直接的影响，严重时可使测试系统不能正常工作。因此，从系统的设计、制造、使用方式以及工作环境等各个方面都不得不优先考虑抗干扰问题。所以对干扰的研究是测试技术的重要课题。
干扰形成的全过程是由干扰源发出的干扰信号， 经过耦合通道达到受感器上，构成整个系统的干扰。干扰的三个环节，称之为干扰系统的三要素，如图1所示。要有效地抑制干扰，首先要找到干扰的发源地，防患于发源处是抑制干扰的积极措施。当产生了难以避免的干扰，削弱通道对干扰的耦合以及提高受感器的抗干扰能力就成为非常重要的方法。
为了讨论方便，将干扰源分为来自测试系统外部和同部的两个方面，现分别给予讨论。
1 来自测试系统外部的干扰
1.1 自然干扰
自然干扰包括雷达、大气层的电场变化、电离层变化以及太阳黑子的电磁辐射等。雷电能在传输线上产生辐值很高的高频涌浪电压，对系统形成的干扰。太阳黑子的电磁辐射能量很强，可造成无线通信中断。来自宇宙的自然干扰，只有高频才能穿过地球外层的电离层，频率在几十MHz到200MHz之间，电压一般在μV量级，对低频系统影响甚微。
1.2 放电干扰
1.2.1 电晕放电
最常见的电晕放电来自高压输出线。 高压输电线因绝缘失效会产生间隙脉冲电流，形成电晕放电。在输电线垂直方向上的电晕干扰，其电平随频率升高而衰减。当频率低于1MHz时，衰减微弱；当频率高于1MHz时，急剧衰减。因此电晕放电干扰对高频系统影响不大，而对低频系统影响较为严重，应引起注意。
1.2.2 辉光放电
辉光放电即气体放电。当两个接点之间的气体被电离时，由于离子磁撞而产生辉光放电，肉眼可见到蓝色的辉光。辉光放电所需电压与接点之间的距离、气体类型和气压有关。荧光灯、霓红灯、闸流管以及工业生产中使用的大型辉光离子氧化炉等，均是利用这一原理制造的辉光放电设备。这类设备对测试系统都是干扰源，频率一般为超高频。如荧光灯干扰，电压为几十到几千微伏（μV），甚至可达几十毫伏（mV）。
1.2.3 弧光放电
弧光放电即金属雾放电。最具典型的弧光放电是金属电焊。弧光放电产生高频振荡，以电波形式形成干扰。这种干扰对测试系统危害较大，甚至对具有专门防干扰的设备，在半径为50米的范围内，当频率为0.15～0.5MHz时，干扰电压最低仍可达1000μV；当频率为2.5～150MHz时，也可达200μV。
1.2.4 火花放电
电气设备触点处的继续电流将引起火花放电。这种放电出现在触点通断的瞬间，如电动机、电刷同邻近的整流片反复接通和断开，形成很宽频率范围的火花放电干扰。这种干扰波虽被电机金属外壳屏蔽，但还会有部分通过窄小的空隙处和引出线辐射出来。尽管如此，这种干扰仍具有较大的能量。小型电钻的干扰电平约为20～80dB（200MHz以下），可使邻近电视图像不停跳动。
内燃机点火系统是一个很强的干扰源。这种点火系统产生强烈的冲击电流，从而激励附属电路振荡，并由点火导线辐射出去。这种干扰的频率分量很高，在20～1000MHz范围内，干扰半径可达50～100m的范围。
须指出，各种电气开关通、断时并不都会产生放电现象，但由于通、断时产生强烈的脉冲电流有非常丰富的频率分量，这种干扰能通过开关连线辐射出去。

    1.3 工频干扰
供电设备和输出线都产生工频干扰，这种干扰随处可见。低频信号只要有一段与供电线平行，50Hz交流电就会耦合到信号线上成为干扰。
直流电源输出端也可能出现不同程度的交流干扰，它发生在系统内部，待讨论系统内部干扰时再述。
1.4 射频干扰
通信设备、无线电广播、电视、雷达等通过天线会发射强烈的电波，高频加热设备也会产生射频辐射。电磁波在测试系统的传输线上以及接收天线上，会感位出大小不等的射频信号。有的电磁波在接收天线上产生的电动势比欲接收的信号电动势大上万倍。这类干扰的频带有限且可知，选择适当滤波器即可消除。
1.5 静电干扰
摩擦产生的静电作为能源来说是很小的，但是电压可达数万伏。带有高电位的人接触测试系统时，人体上的电荷会向系统放电，急剧的放电电流造成噪声干扰，能影响测试系统的正常工作。
2 来自测试系统的内部的干扰
2.1 电源干扰
所产生的干扰主要是从电源和电源引线侵入系统。情况如下：
当系统与其它经常变动的大负载共用电源时，会产生电源噪声。
当使用较长的电源引线来进行传输时，所产生电压降及感应电势等也会形成噪声。
系统所需的直流电源，一般均为由电网交流电经滤波、稳压后提供，有时会因某种原因净化不佳，对系统产生干扰。这种干扰常给高精度系统带来麻烦，应引起重视。
2.2 地线干扰
测试系统往往共用一个直流电源或不同电源共用一个地线。因此，当各部分电路的电流均流过公共地线时，会在其上产生电压降，形成相互影响的噪声干扰信号。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。图2（a）中Rcm是模拟系统和数字系统的公共接地线的电阻。通常，数字系统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大的波动噪音。即使Rcm很小，数字电路也会在其两端形成较高电压，使模拟系统的接地电压不能为零。图2（b）中模拟电路是测量前置放大器，数字系统的入地电流（若为2A）在Rcm（若为0.01Ω）上产生电压（20mV），此电压与测量电压Vs叠加。若Vs=100mV，那么测量精度将会低于20%。
2.3 信号通道的耦合干扰
往往传感器设在生产现场，而显示、记录等测量装置则安置在离传感器有一定距离的控制室内。两者之间需要很长的信号传输线，信号在传输过程中很容量受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真，所产生的干扰主要有：传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰；当两条或两条以上信号强弱不同的线相互靠得很近时，通过线间分布电路和互感而形成的线间干扰，即输线间的串扰。
2.3.1 容性（电场）耦合干扰
当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场）耦合，这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源。
对于平行导线，由于分布电容较大，容性耦合较严重。在图3（a）中，导线1和导线2是两条平行线，C1和C2分别是各线对地的分布电容，C12是两线间分布的耦合电容，V1是导线1对地电压，R是导线2对地电阻。由图3（b）等效电路可得导线1电压通过耦合导线2上产生的电压V2为：

当R>>1/jω(C12+C2)时，式（1）可简化为：
V2=C12V1/（C12+C2） （2）
此时V2按电容分压，这种耦合情况是严重的。
当R<<1/jω(C12+C2)时，则式（1）可简化为：
V2=jωC12RV1 (3)
由式（1）、（2）、（3）可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。
2.3.2 感性（磁性）耦合
当干扰源是以电流形式出现的， 此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。图4是互感耦合示意图，两邻近导互之间存在分布互感M,M=φ/I1（其中，I1是流过导线1的电流，φ是电流I1产生的与导线2交线的磁通），由互感耦合在导线2上形成的互感电压为V2=2ωMI1,此电压在导线上是串联的。从式中可知V2与干扰的频率和互感量成正比。
2.4 测试系统内部的其它干扰
测试系统由于设计不良或某些器件在工作时会形成干扰。这些内部干扰一般比较微弱，但对于小信号高精密测试系统来说却不可忽视。
2.4.1 温差电势
当电流回路的导线采用不同的金属，并且在连接处具有不同的温度时，则在回路内将产生温差电势。在图5中，如一支路R为康铜，另一支路RL为铜，则温差电势V0=V01-V02=1～100μV，此电势将叠加到测量电压Vm上，使得终结果为Vm+V0。
2.4.2 电阻热噪音
热噪音是电阻一类导体由于电子布朗运行而引起的噪音。导体中的电子始终在作随机运行，并与分子一起处于平衡状态。电子的这种随机运行将会产生一个交流成份，这个交流成份就称为热噪音（或称为电阻噪音）。热噪音可用尼奎斯特公式计算，其中k为波尔兹曼常数，k=1.3804×10 -23J/K，T为绝对温度（K），R为电阻值（Ω），Δf为所考虑的频带（Hz）。当T=300K，R=1MΩ，Δf=400Hz时，热噪音电压 。
2.4.3 转接干扰
电路转接过程中通常会产生干扰脉冲，此干扰脉冲又可能引起另一次不希望的转接过程。这种转接过程脉冲一般可用接上电容或二极管来减小。
2.4.4 微音干扰
机械颤动、接触电阻的变化或电缆电容（或电感）的变化，均会产生微音干扰。
2.4.5 压电效应干扰
弯折电缆时，若介质中产生机械力，就会引起压电效应干扰。例如，感应电荷为Q=10 -10A·s，电缆电容率C/L=100pF/m，电缆长度L=5m，电缆电容C=500pF，则弯折电缆时产生的电压为：
V=Q/C=10 -10/(5×100×10 -12)=200（mV）
弄清楚干扰源是首要条件，否则抗干扰措施都无从下手。为达到抑制干扰的目的，本文所着重论述的干扰源的情况，都是笔者多年在设计及工作实践中的体会。值得一提的是：在测试系统中，干扰的来源是非常复杂的，并非所有干扰都会同时出现在同一个测试系统中，在实践操作过程中，只有根据现场的具体情况来取舍。

李小路

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