本文介紹了稱重傳感器的干擾產(chǎn)生的原因及采取的措施 。

不論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防建設，還是在曰常 生活、教育事業(yè)以及科學研究等領域，都可以 發(fā)現(xiàn)傳感器廣泛應用的事例。但在傳感器的設 計和使用的過程中，都有一個如何使其測量精 度達到最高的問題，然而影響傳感器測量精度 的干擾眾多，錯綜復雜，例如：現(xiàn)場的大型耗 能設備，特別是大功率感性負載的啟動和停止 往往會使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖峰脈 沖干擾；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過壓常常達到額定電 壓的35%左右，這種供電狀況有時幾分鐘，有 時長達幾小時，甚至幾天；各種信號電纜捆扎 在一起或走同一根電纜，信號就有可能受到干 擾,特別是信號電纜與交流動力電纜同走一個 管道中時干擾就更甚；多路開關或保持器性能 不好，也會引起通道信號的竄擾；空間各種電 磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會干 擾傳感器的正常工作。此外，現(xiàn)場溫度以及濕 度的變化有可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕 性氣體、酸鹽的作用，野外的風沙、雨淋，甚 至鼠咬蟲蛀等都會影響傳感器的可靠性。

模擬傳感器輸出的一般都是小信號，都存在 著小信號放大、處理、整形以及抗干擾的問題， 也就是將傳感器輸出的微弱信號精確地放大到所 需要的統(tǒng)一標準信號（如1VDC—5VDC或 4mADC'20mAD0 ,并達到所需的技術指標。這就 要求設計制作者必須注意到模擬稱重傳感器的抗 干擾問題，只有搞清楚傳感器產(chǎn)生干擾的源頭以 及干擾作用的方式，采取相應的消除干擾或預防 干擾的措施，才能使得模擬傳感器的應用達到最 佳的狀態(tài)。

傳感器以及儀器儀表在現(xiàn)場運行時所受到的 干擾多種多樣，應具體情況具體分析，針對不同 的干擾現(xiàn)象采取不同的措施是抗干擾的原則。這 種靈活機動的策略與普適性無疑是矛盾的，解決 的辦法就是采用模塊化的解決辦法，除了基本構 件外，針對不同的運行場所，儀器儀表可裝配不 同的構件以有效地抑制消除干擾、提高傳感器的 可靠性。

一、干擾源、干擾種類及干擾現(xiàn)象

1.主要干擾源：主要有靜電感應干擾、電磁 感應干擾、漏電流感應干擾、射頻干擾以及其他 干擾。

(1)靜電感應干擾

靜電感應是由于兩條電路或元器件之間存在 著寄生電容，使一條電路上的電荷通過寄生電容 傳送到另一條電路上去，因此又稱為電容性耦合。

(2)電磁感應干擾

當兩個電路之間有互感存在時，一個電路中 電流的變化就會通過磁場耦合到另一個電路中, 這一現(xiàn)象稱為電磁感應。例如變壓器及線圈的漏 磁，通電平行導線之間的電磁感應等。

(3)漏電流感應干擾

由于電子線路內(nèi)部的元器件支架、接線柱、 印刷電路板以及電容內(nèi)部介質或外殼等絕緣不良， 特別是傳感器的應用環(huán)境濕度較大，絕緣體的絕 緣電阻下降，從而導致漏電電流增加所引起的干 擾。尤其是當漏電流流入到測量電路的輸入極時， 其干擾影響就更加嚴重。

(4)射頻干擾

主要是大型動力設備的啟動、停止操作所引 起的干擾和高次諧波干擾。例如可控硅整流系統(tǒng) 的干擾等。

(5)其他干擾

由于現(xiàn)場工作的環(huán)境比較差，很容易受到其 它的機械設備干擾、熱干擾以及化學干擾等。

干擾的種類：主要有常模干擾、共模干擾、 長時干擾以及意外瞬時干擾。

(1)常模干擾

常模干擾是指干擾信號的侵入在往返兩條線 上是一致的，它的來源一般是由于儀器儀表周圍 存在著較強的交變磁場，使得儀器儀表受到交變 磁場的影響而產(chǎn)生交流電動勢從而形成干擾，這 種干擾很難被消除掉。

(2)共模干擾

共模干擾是指干擾信號在兩條線上各流過一 部分，以地為公共回路，而信號電流只在往返 兩個線路中流過。共模干擾的來源一般是由于 儀器設備存在對地漏電、地電位差以及線路本 身有對地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共 模干擾可能會轉換成常模干擾，那么就較難消 除掉了。

(3)長時干擾

長時干擾是指長期存在的干擾，此類干擾的 特點是干擾電壓長期存在且變化不大，用檢測儀 器能夠很容易地檢測出來，例如電源線或鄰近動 力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50Hz工頻干擾。

(4)意外瞬時干擾

意外瞬時干擾主要是在電氣設備操作時發(fā)生， 如合閘或分閘等，有時也會在伴隨雷電發(fā)生或無 線電設備工作的瞬間發(fā)生。

3.干擾現(xiàn)象

干擾現(xiàn)象主要有以下幾種：發(fā)指令時，電機 無規(guī)則地轉動；信號等于零時，顯示儀表數(shù)值亂 跳；傳感器工作時，其輸出值與實際參數(shù)所對應 的信號值不吻合，且誤差值是隨機的、無規(guī)律的； 當被測參數(shù)穩(wěn)定的情況下，傳感器輸出的數(shù)值與 被測參數(shù)所對應的信號數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈 周期性變化的值；與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源 的設備如顯示器等工作不正常。

干擾進入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類： 信號傳輸通道干擾，干擾通過與系統(tǒng)相連的信號 輸入通道、輸出通道進入；供電系統(tǒng)干擾。

信號傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅動器接收反饋 信號和發(fā)出控制信號的途徑，因為脈沖波在傳輸 線上會產(chǎn)生延時、畸變、衰減與通道干擾，所以 在傳輸過程中，長線的干擾是主要因素。任何電 源及輸電線路都存在內(nèi)阻，這些內(nèi)阻能產(chǎn)生電源 的噪聲干擾。

此外，交流伺服系統(tǒng)驅動器本身也是較強的 干擾源，它可以通過電源對其它設備進行干擾。

二、抗干擾的措施

1.供電系統(tǒng)的抗干擾技術

電網(wǎng)的尖峰脈沖干擾對傳感器及儀器儀表的 正常工作運行具有極其嚴重的危害，產(chǎn)生尖峰脈 沖干擾的用電設備主要有：電焊機、大功率電機、 可控機、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈以 及電烙鐵等。消除尖峰脈沖干擾可采用硬件和軟 件相結合的方法來解決。

(1)在硬件上常用的消除尖峰脈沖干擾的方法 有三種：在儀器儀表的交流電源輸入端串入按頻 譜均衡的原理設計的干擾控制器，將尖峰電壓集 中的能量分配到不同的頻率段上，從而削弱其對 儀器儀表的破壞性；在儀器儀表的交流電源輸入 端加裝超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理來抑 制消除尖峰脈沖干擾；在儀器儀表的交流電源輸 入端并聯(lián)上壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來時壓敏 電阻的電阻值減小以降低儀器儀表從電源分到的 電壓，從而削弱尖峰脈沖干擾的影響。

(2)利用軟件方法來抑制消除尖峰脈沖干擾: 對于周期性的干擾，可以采用編程來進行時間濾 波，也就是用程序控制可控硅導通瞬間不采樣， 從而有效地消除干擾。

(3)采用硬件和軟件相結合的看門狗Watch-dog 技術來抑制消除尖峰脈沖干擾的影響：在定 時器定時到來之前，CPU訪問一次定時器，讓定 時器重新開始計時，正常程序運行，該定時器不會產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog就不會發(fā)揮作用。一旦 尖峰脈沖干擾出現(xiàn)了 “飛程序”則CPU就不會在 定時到來之前訪問定時器，因而定時信號就會出 現(xiàn),從而引起系統(tǒng)自動復位中斷，確保儀器儀表 重新回到正常的程序上來。

(4)實行電源分組供電，即將執(zhí)行電機的驅動 電源與控制電源分開供電，以防止設備間的相互 干擾。

(5)采用噪聲濾波器將可以有效地抑制消除交 流伺服驅動器對其他設備的干擾。此方法對以上 幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。

(6)采用隔離變壓器來消除干擾?？紤]到高頻 噪聲通過變壓器主要不是依靠變壓器初級和次級 線圈間的互感耦合，而是依靠變壓器初級和次級 線圈間的寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初 級和次級線圈之間均應采用屏蔽層隔離，以減少 其分布電容，從而提高儀器儀表的抗共模干擾的 能力。

(7)采用抗干擾性能比較高的電源，如利用頻 譜均衡法設計的高性能抗干擾電源。這種高性能 抗干擾電源抵抗隨機干擾非常有效，這種電源能 把高尖峰的擾動電壓脈沖轉換成低的電壓峰值 (電壓峰值小于TTL電平的電壓，但是干擾脈沖 的能量不變，從而可以有效地提高儀器儀表及傳 感器的抗干擾能力。

2.信號傳輸通道的抗干擾技術

信號傳輸通道的干擾可以應用光電耦合隔離 的措施來解決。在長距離傳輸過程中，采用光電 耦合器，可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、輸出通道 電路之間的聯(lián)系以及伺服驅動器的輸入通道、輸 出通道電路之間的聯(lián)系切斷。如果在信號傳輸通 道電路中不采用光電隔離措施，外部的尖峰脈沖 干擾信號就會進入系統(tǒng)或直接進入伺服驅動系統(tǒng) 裝置中，產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。

光電耦合的主要優(yōu)點是能夠有效地抑制尖峰 脈沖干擾以及其他各種噪聲干擾，使信號傳輸過 程中的信噪比得到大大地提高。噪聲干擾雖然有 較大的電壓幅度，但是能量很小，只能夠形成微 弱的電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管 是在電流狀態(tài)下工作的，其導通電流一般為 10mA'15mA,所以即使有幅度很大的干擾，這種 干擾也會因為由于不能提供足夠的電流而被抑制

消除掉。

其次，信號傳輸通道的干擾可以通過采用雙 絞屏蔽線長線傳輸?shù)拇胧﹣斫鉀Q。信號在傳輸?shù)?/span> 過程中也會受到電場、磁場以及地阻抗等干擾因 素的影響，因此，采用接地屏蔽線將可以極大地 減少電場的干擾。雙絞屏蔽線與同軸電纜相比, 雖然其頻帶較差，但是其波阻抗較高，抗共模噪 聲能力很強，使得各個小環(huán)節(jié)的電磁感應干擾能 夠互相抵消。另外，在信號長距離傳輸?shù)倪^程中, 一般均采用差分信號傳輸，這樣可以提高信號的 抗干擾性能。 采用雙絞屏蔽線長線傳輸可以有效 地對電磁感應干擾、漏電流感應干擾以及射頻干 擾等干擾源進行抑制和消除。

3.局部誤差的消除技術

在低電平的測量中，對于在信號傳輸路徑中 所使用的威構成的材料必須給予嚴格的關注, 在簡單的電路中遇到的焊錫、導線以及接線柱等 都有可能產(chǎn)生實際的熱電勢。由于它們經(jīng)常是成 對地出現(xiàn)，因此盡量使這些成對的熱電勢保持在 相同的溫度下是很有效的方法。兩個不同廠家生 產(chǎn)的標準導線如鎳鉻一康銅線的接點可能產(chǎn) 生0.2mV/C的溫漂，這相當于高精度低漂移的運 放管OP27C0的溫漂，也相當于是斬波放大器 7650CPA溫漂的兩倍。為此一般采用熱屏蔽及 散熱器沿等溫線排列，或者將大功率電路與小功 率電路分開等辦法來解決，這樣做的目的是使熱 梯度減小到最小。

此外，采用插座開關、接插件及繼電器等形 式雖然能夠使得更換電器元件以及組件方便一些, 但缺點是有可能產(chǎn)生接觸電阻、熱電勢或者兩者 兼而有之，其造成的后果是增加了低電平分辨率 的不穩(wěn)定性，也就是說這種方法比直接連接系統(tǒng) 的分辨率要差、精度要低、噪聲增加并且降低了 可靠性。因此，在低電平放大電路中應盡可能地 不使用插座開關、接插件，這是減少電路故障、 提高精度的重要措施。

在微伏信號放大電路中，焊錫也可能成為低 電平的故障，因為在焊錫的焊點上也產(chǎn)生熱電勢。 因而，在微伏信號放大電路的輸入電路中應采用 特殊的低溫焊錫，比如kestErl544型焊錫，甚至還 有這樣的情況：必須在一條線路中將其一處仔細 地切斷，再用焊錫焊接起來以用于補償另一條線路中搭接處或焊錫點上所產(chǎn)生的熱電勢。

4.接地問題的處理技術

在低電平放大電路中合理地使用“接地”將 能夠有效地抑制“地”噪聲的干擾，這是減少 “地”噪聲干擾的重要措施，必須予以特別注意。 當使用單電源供給多個傳感器或儀器儀表時，應 盡量減少接地電阻引起傳入的干擾。如果供電電 源的壓降必須減低到最小，則電源“高”端導線 也可以按以上相似的方法接線。對于有多個電源 以及多個傳感器或儀器儀表的系統(tǒng)那么就需要考 慮得更多更全面一些，一般來說不管電源是哪一 個供給的，都要將地線匯集到同一個公共點上， 然后再和系統(tǒng)的公共端連接在一起，使得所有的 電源1上的負載都回到電源1的公共端上，所有 的電源2上的負載也都回到電源2的公共端上， 最后用一根粗導線將公共端連接在一起。在多個 電源的系統(tǒng)中，可能需要進行判斷性試驗，以便 確定地線的連接方法，進而能夠得到抑制消除干 擾最佳的解決方案。

為了便于信號的傳輸和變換，在DINIEC381 的標準中規(guī)定了允許的電流值與電壓值。一般常 用的電壓信號的電壓值是0V -10V,電流信號的 電流值是0mA ~ 20m A或4mA ~ 20m A,這些信號 通常都用于遠距離的傳輸。電壓信號在傳輸?shù)倪^ 程當中要受到很多諸如周圍環(huán)境干擾及傳輸距離 等條件的制約，而電流信號在傳輸?shù)倪^程當中干 擾對它的影響要小許多，因此在傳輸?shù)倪^程當中 我們應盡量采用電流信號來進行信號的傳輸。在 測量的回路中如果有接地點，則在兩個接地點之 間會產(chǎn)生電位差，這種電位差對測量的結果會產(chǎn) 生很大的影響，因而應當盡量避免在測量的回路 中有接地點。但如果必須接地時，則此時就必須 將接地用回路隔離開來，以避免造成測量誤差。

有源數(shù)字元器件在開和關時會在電源線上產(chǎn) 生一個快速瞬息的電流變化，這個變化的電流在 導線電感上不僅會產(chǎn)生正的電壓降，而且還會產(chǎn) 生負的電壓降。這種電壓的變化就會形成干擾在 主線路上傳輸。另外，在電源中的換向操作單元 如頻率器等同樣也會產(chǎn)生干擾，這個干擾作為 窄帶頻率能量通過耦合進入電源導線并傳播，因 而連接在的電路必須將這些高頻的干擾電壓，通 過用低通濾波器的方法來濾除掉。

5.軟件濾波的抗干擾技術

軟件濾波技術是智能傳感器以及智能儀器 儀表所獨有的，可以對包括頻率很低的干擾信 號（如0.01H》在內(nèi)的各種干擾信號進行濾波, 并且一個數(shù)字濾波程序能夠為多個輸入通道來 共同服務使用。通常使用的軟件濾波方法分別 為：平均值濾波、中值濾波、限幅濾波以及慣 性濾波。

平均值濾波，這種方法即是把M次采樣的自 述平均值作為濾波器的輸出，也可以根據(jù)需要 來增加新鮮采樣值的比重，從而形成加權平均 值濾波。

中值濾波，這種方法即是把M次連續(xù)采樣的 值進行排序，取這些采樣值中的中位值來作為濾 波器的輸出，這種方法對于緩變過程中的脈沖干 擾其濾波效果比較良好。

限幅濾波，這種方法是根據(jù)采樣周期和真實 信號的正常變化率來確定相鄰兩次采樣的最大可 能的差值△,并將本次的采樣值與上次的采樣值 的差值與△值進行比較，其差值小于等于△值的 信號被確認為是有效信號，而大于△值的信號則 被作為噪聲來處理。

慣性濾波，這種方法是應用模擬PC濾波器的 數(shù)字實現(xiàn)，適用于波罷頻繁的有效信號。

6.其他的抗干擾技術

目前其他的抗干擾技術還有：穩(wěn)壓技術、抑 制共模干擾技術以及軟件補償技術。

穩(wěn)壓技術，當前的智能傳感器以及儀器儀表 開發(fā)當中常常使用的穩(wěn)壓電源有兩種：一種是由 集成穩(wěn)壓芯片組成提供的串聯(lián)調整電源，另一種 是DC-DC穩(wěn)壓電源，這對于防止電網(wǎng)電壓波動所 引起的干擾非常有效，從而保障了儀器儀表的正 常工作。

抑制共模干擾技術，這種技術是運用差分放 大器，采用提高差分放大器的輸入阻抗或者降低 信號源的內(nèi)阻，從而就可以極大地降低共模干擾 的影響。

軟件補償技術，這是目前普遍使用的技術。 由于外界環(huán)境因素如溫度、濕度變化等的影響, 從而可能引起某些參數(shù)發(fā)生變化，而造成偏差。

我們可以利用軟件來根據(jù)外界環(huán)境因素的變化以 及所產(chǎn)生誤差的曲線來進行修正，以除去干擾。

三、小結

抗干擾是一個非常復雜而且實踐性很強的課 題,—種干擾現(xiàn)象可能是由多種因素引起的，干 擾影響的因素不同，則抗干擾的措施也不一樣。 因此，在設計智能化傳感器、儀器儀表以及測控 系統(tǒng)的過程中，我們不僅應當預先采取抗干擾的 措施，而且在調試的過程中還應當及時分析研究 遇到的干擾現(xiàn)象，對傳感器以及儀器儀表的電路 原理，具體的布線、屏蔽和電源的抗擾動能力， 數(shù)字地或模擬地的處理以及防護形式不斷改進， 從而提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。