天大自动化学院绝缘技术课件4

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第四章 抗干扰技术4.1 电磁干扰耦合4.2 检测系统的接地技术4.3 检测系统的屏蔽技术4.4 检测信号的滤波方法4.5 检测系统的保护技术4.1 电磁干扰耦合 什么是电磁干扰? 电磁干扰是指由于电磁环境引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰的频谱很宽,可以覆盖0-40 GHz频率范围,电磁污染已和水源、大气受到的污染一样,正引起世界范围的关注。 从测量的角度,干扰和信号是相对的。电磁干扰的危害 n 能量型干扰 电磁干扰 n 信号型干扰 Ø 造成测量仪器性能下降 Ø 导致机电设备和控制装置误动作 Ø 导致元器件烧毁或击穿 Ø 电爆装置、易燃材料等触发或点燃在线检测系统中抗干扰的重要性 ü 强电磁干扰下的微弱信号检测 ü 高电压下测量设备的安全(运行电 压高、故障冲击电流大) ü 信号传输距离长 ü 灵敏度与抗干扰能力之间的矛盾电磁干扰的基本要素 干扰源 耦合途径 测量系统1、电磁干扰源 电磁环境是各种电磁干扰源的总和。1、电磁干扰源1)主要瞬态干扰源(1)开关动作 当开关动作时回路电流迅速变化,di/dt非常大,在带有电感线圈的开关设备中会产生幅值很高的电压脉冲。如电焊机、电动机启动过程和高压开关动作等。频率范围0.15-150MHz,通常由电源线传播。(2)整流装置 与开关过程类似,整流过程将产生瞬态短路电流,干扰频率范围较宽。(3)点火装置 机动车辆火花点火装置放电电流峰值约200A,放电时间常在?s内,峰值电压高达10kV,所产生干扰前沿极陡,在10-100MHz范围内是最强的瞬态干扰源之一。(4)高压输电线:主要为电晕放电。(5)照明装置 荧光灯或弧光灯是基于放电原理发光的,工作时阳极和阴极之间会产生高频振荡,频率一般在几千赫兹左右。2、电磁干扰的耦合路径 传导耦合 干扰源与测量设备 间的耦合途径 辐射耦合1)传导耦合 传导耦合是导体之间及元件之间的 主要干扰耦合方式,分为共阻抗耦合、 电感应耦合和磁感应耦合。传导耦合可 以通过电源线、信号线、接地导体进行 耦合。(1)电阻传导耦合(共阻抗耦合) 通常干扰都是通过公共回路或公共阻抗,引入到测量回路中,当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时,就出现共阻抗干扰耦合。 可见,测量回路中干扰电压是干扰源 电压、公共阻抗和干扰耦合电阻的函数。 所有独立电路的地通过串联连接,这对噪声来说是一种最不希望的共地系统。任一个电路电流的变化都会对其他电路产生影响。(2)电容性传导耦合(电感应耦合) 干扰源与测量电路间通过分布电容产生的干扰耦合方式。干扰源电压U1,在导线2测量回 路 中 产 生的噪声电压Un(3)电感性传导耦合(磁感应耦合) 干扰源与测量回路通过互感产生干扰耦合。 干扰源电 压U1在测 量回路中 产生噪声 电压Un 降低感性耦合干扰的方法Ø可采用电路上物理隔离的方法,减小 穿过测量回路的磁通密度;Ø可将导线紧贴地平面或采用双绞线, 尽可能减小测量回路的等效面积;Ø调整干扰源与测量回路的相对位置。 2)辐射耦合 由于现代无线通讯技术的广泛使用,以空间电磁辐射形式出现的干扰源越来越普遍。 对于辐射耦合,分为近场辐射和远场辐射。为对实际情况有效简化,单极天线又称为高电压、小电流高阻抗源。3、电磁干扰的抑制方法 接 地 最基本、最有效, 也是最廉价电磁干扰主 滤波 抑制传导干扰要抑制方式 保护 抑制能量型干扰 屏蔽 抑制辐射干扰4.2 检测系统的接地技术 为雷电、静电等能量提 保护地 供安全释放的通道。 接地 信号地 为模拟或数字信号提供 稳定的电位基准点。 地球相当于一个巨大的电容器,通常意义上可以认为大地是稳定的电位基准点。 问题是对如飞机、火箭、人造卫星等飞行体,是无法真正与大地相联接的。 为电路提供参考等电位点 信号地 为电流流回电源提供一条低 阻抗路径 理想地对于流过的电流没有电阻,其结果是不管流过的电流有多大,在地线不同点之间没有电压降。 在设计地线时,必须了解地电流的实际流动路径。 悬浮接地 单点接地常规接地系统 多点接地 混合接地1、悬浮接地 悬浮地是指设备或单元地线在电气上 与参考地相绝缘的情况。 比较常见的悬浮接地是为了防止机箱 上的干扰电流直接耦合到信号电路,将 信号地与机箱有意地绝缘。设备悬浮地 单元悬浮地 悬浮接地易产生静电积累和静电放电,在雷电或操作过电压下,在机箱和单元电路间产生飞弧,所以该接地方式不宜在电气设备在线监测系统中使用。 2、单点接地 又称一点接地,要求电路每个独立单元只接地一次,并接在同一参考点上。 串 联 一 点 接 地并联一点接地 在信号频率小于1MHz以下时,单点接地是最理想的。但当频率升高时,由于接地阻抗较大,电路中会产生较大的共模电压。 由于串联一点接地会在地回路中,出现共阻抗的情况。所以并联一点接地最常用和有效,这种接地方式,由于只有一个参考点,没有地回路存在,可以避免地线上各单元间的电流不会相互干扰。3、多点接地 多点接地是指设备中的内部电路都以机壳为参考点,又由一个安全地将所有参考点连接在一起。 多点接地方式适用于高频(>10 MHz)和数字电路,只要接地引线长度小于干扰波长1/10,多点接地效果都很理想,此时机壳应镀银。设备多点接地单元电路多点接地4、混合接地 测量系统内电源以及低频部分需要一 点接地,而数字和高频部分则需要多点 接地。 混合接地使用电抗性器件(主要是电 容)使接地系统在低频和高频时呈现不 同特性。这种接地方法在低频时相当于 一点接地,在高频时相当于多点接地。 绝大部分测量设备都采用 混合接地方式:n各单元电源地都接到电源总地线上;n各单元信号地都接到信号总地线上;n两根总地线最后汇总到公共的参考地。5、多极电路的接地 对于单元电路,为使电路工作稳定, 最好采用单点接地。 多极电路接地点选择十分重要。如 果接地点设在输出处高电平单元,则输 入级的地对参考地的电位受干扰影响最 大,是不合理的。接地点应选在低电平 电路单元的输入端,最接近参考地。6、地线系统的设计步骤 n 分析监测系统内各单元的干扰特性 和敏感特性。 n 查清监测系统内各电路的工作电平、 信号种类和电源电压。6、地线系统的设计步骤 n 将地线分类,并进行分组。 n 给出总体地线布局图。 n 排出地线网。6、地线系统的设计步骤 应当强调,测量系统除安全地外,至 少应有两个分开的地:一个电路地和一 个机壳地。这些地应仅在电源处相连。 机箱地为高频提供很好的回路,而电 气地应通过一个10-100 nF的电容器与 机壳相连。6、地线系统的设计步骤 各单元的安全地可以连到金属机架上, 但必须保证个金属件间可靠搭接。对于 永久性的搭接,最理想的方式就是焊接。 总结Ø 对于低于1MHz的场合,尽量使用单点接地。Ø 对于高于10MHz的场合,可采用多点接地。 总结Ø 当在高频场合存在敏感电路单元时,应避免多点接地,采用混合接地。Ø 为避免地环路引起的干扰,应将信号地与机壳绝缘。Ø 将不同用途的接地总线分开。7、屏蔽电缆的接地 研究仪器之间电缆的相互连接,以及如何恰当地使用这些电缆,以避免我们不希望的电流和辐射信号影响精密测量的准确度。4.3 检测系统的屏蔽技术什么是屏蔽? 屏蔽技术用来抑制电磁干扰沿空间的传播。 其实质是将关键电路用屏蔽体包围起来,使耦合到这个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减。现场主要辐射源 n 无线电干扰 n 射频干扰 n 移动通讯干扰 (900MHz\1.8GHz) n 雷达干扰 n 交流干扰2、屏蔽的基本原则n 近场电场辐射屏蔽的必要条件是采用 高导电率金属屏蔽体和接地。n 近场低频磁场屏蔽可采用高导磁率材 料进行屏蔽或磁旁路。增加屏蔽体厚度 或采用多层屏蔽,可提高屏蔽性能。屏 蔽体不需接地。2、屏蔽的基本原则n 近场高频磁场,应采用高导电率金属, 因频率较高时,磁损将增加,高磁导率 材料的屏蔽效果并不理想。n 远场电磁屏蔽应采用高导电率金属并 良好接地。4、电缆辐射及其抑制 电缆是干扰出入屏蔽体的主要途径。 由于屏蔽机箱不允许有任何导线穿过, 否则屏蔽效能将大幅度下降。 电缆 屏蔽体4.4 检测系统的滤波方法 滤波 当干扰频谱成分不同于有用信号的频带时,可以用滤波器将干扰加以滤除。滤波器将有用信号与干扰的频谱隔离的越完善,它对减少有用信号中的干扰的效果就越理想。 因此恰当地设计、选择和正确地使用滤波器,对抑制传导干扰是非常重要的。1、滤波器的构造 在抗干扰设计中,滤波器通常是指 低通滤波器,如电源滤波器和信号线滤 波器等. 滤波器的有效性取决于与滤波器连 接的网络阻抗。 基本构造原则n 简单的电感滤波在低阻抗电路中,效果理想,衰减超过40dB,但在高阻抗电路中就效果很差。n 单电容滤波在高阻抗电路中效果很好,但对低阻电路效果很差。n 多元件构成的滤波器,应使电容器面对高阻抗,电感器面对低阻抗。 基本构造原则 但应强调的是滤波器元件与其他电路元件一样,也是非理想的。电感线圈上存在寄生电容,而电容引线上存在寄生电感。 所以使用分立元件滤波器当频率超过10MHz时,将开始性能下降。2、滤波器的放置 滤波器在屏蔽体内的位置也很重要, 其输入输出线之间应尽量远离,最好在 屏蔽体两侧,以使相互间耦合电容最小。 所有连线,特别是地线,要尽量短,并 按顺序布置。滤波器不同放置方式3、滤波元件 在滤波器设计中,通常会使用一些专用的元件。
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