《传感器及应用》抗电磁干扰技术（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》抗电磁干扰技术-讲义 知识点一 抑制电磁干扰的基本措施 电磁干扰的形成的三要素：干扰源、干扰途径、对噪声敏感性较高的接收电路——检测装置的前级电路。三者之间的关系如图1所示。 图1 形成电磁干扰的三要素之间的联系 一、消除或抑制干扰源： 消除干扰源乃是积极主动的措施，继电器、接触器、断路器等的电触点，在通断电时产生的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等措施。 接插件接触不良，电路接头松脱、 虚焊等也是造成干扰的原因，对于这类可以消除的干扰源要尽可能消除。 对难以消除或不能消除的干扰源，例如某些自然现象的干扰、邻近工厂的用电设备的干扰等，就必须采取防护措施来抑制干扰源。 二、破坏干扰途径： 1.对于以“路”的形式进入的干扰，可以采取提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压器、光电耦合器等来切断大地环路的干扰途径；引用滤波器、扼流圈等技术将干扰信号除去；改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等。对于数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径。 2.对于以“场”的形式进入的干扰， 一般采取各种屏蔽措施。 三、削弱接收电路对干扰信号的敏感性： 根据经验，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易受干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外来干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。由此可见，电路设计、系统结构等都与干扰的形成有着密切关系。因此，系统布局应合理，且设计电路时应采用对干扰 信号敏感性差的电路。 抑制电磁干扰最常用的措施之一是（ ） A. 增加传感器的灵敏度 B. 对设备进行良好的接地 C. 提高电源电压 D. 增大设备的体积 【答案】B 【解析】良好的接地可以将电磁干扰产生的电荷引入大地，从而有效抑制电磁干扰。增加传感器灵敏度可能会使传感器对干扰更敏感；提高电源电压与抑制电磁干扰没有直接关系，且可能带来其他问题；增大设备体积对抑制电磁干扰通常没有直接作用。 1.电磁屏蔽是抑制电磁干扰的重要手段，以下哪种材料常用于电磁屏蔽（ ） A. 木材 B. 塑料 C. 铜 D. 陶瓷 【答案】C 【解析】铜具有良好的导电性和导磁性，能够有效地阻挡和吸收电磁辐射，是常用的电磁屏蔽材料。木材、塑料和陶瓷的导电性和导磁性很差，几乎没有电磁屏蔽效果。 2.为了抑制电磁干扰，在设计电路时通常会采用（ ） A. 复杂的布线方式 B. 多层电路板 C. 尽量使用长导线 D. 不考虑元件布局 【答案】B 【解析】多层电路板可以提供更好的电磁屏蔽和布线规划，减少电磁干扰。复杂的布线方式可能会增加电磁干扰的风险；长导线容易感应电磁干扰；不考虑元件布局会使电路中的电磁兼容性变差，都不利于抑制电磁干扰。 3.为了抑制电源线上的电磁干扰，通常会在电源输入端添加（ ） A. 电阻 B. 电容 C. 电感 D. 滤波器 【答案】D 【解析】滤波器可以滤除电源线上的高频干扰信号，使电源输出更纯净，有效抑制电磁干扰。电阻主要用于限流、分压等；电容和电感虽然也能在一定程度上滤波，但专门用于抑制电源线电磁干扰的通常是滤波器，它可以包含电容、电感等多种元件的组合，具有更全面的滤波功能。 1.在抑制电磁干扰时，对信号线进行绞合处理的主要目的是（ ） A. 增加信号强度 B. 减小信号传输延迟 C. 降低电磁感应 D. 方便布线 【答案】C 【解析】将信号线绞合可以使两根线中感应出的电磁干扰相互抵消，降低电磁感应，减少外界电磁干扰对信号的影响。绞合处理并不能直接增加信号强度、减小信号传输延迟，方便布线不是主要目的。 2.以下哪种措施可以有效抑制高频电磁干扰（ ） A. 安装低频扼流圈 B. 使用屏蔽双绞线 C. 增加设备的绝缘电阻 D. 降低环境温度 【答案】B 【解析】屏蔽双绞线可以通过屏蔽层有效地阻挡高频电磁干扰，同时双绞线的绞合结构也有助于减少电磁感应。低频扼流圈主要用于抑制低频干扰；增加设备绝缘电阻主要是为了防止电气故障等，对抑制高频电磁干扰作用不大；降低环境温度与抑制高频电磁干扰没有直接关联。 3.为了抑制电磁干扰，设备之间的连接电缆应该（ ） A. 随意摆放 B. 尽量靠近强电线路 C. 采用屏蔽电缆并正确接地 D. 不进行任何处理 【答案】C 【解析】采用屏蔽电缆可以减少外界电磁干扰对电缆内信号的影响，而正确接地能使屏蔽层发挥更好的作用，有效抑制电磁干扰。随意摆放电缆可能会使电缆更容易受到干扰；靠近强电线路会增加电磁干扰的风险；不进行任何处理不利于电磁干扰的抑制。 · 消除或抑制干扰源如继电器触点消弧、接插件紧固、消除可消除干扰源，对难以消除的采取防护措施。 · 破坏干扰途径，提高绝缘、隔离变压器、屏蔽、滤波器等切断“路”与“场”的干扰。 · 削弱接收电路敏感性，合理布局系统，采用低敏感电路。 · 综合考虑干扰三要素，电路设计与系统结构需紧密配合，以增强抗干扰能力。 知识点二 屏蔽技术 屏蔽：利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰。 屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等几种。 一、静电屏蔽： 根据电学原理，在静电场中，密闭的空心导体内部无电力线，亦即内部各点等电位。静电屏蔽就利用这个原理，以铜或铝等导电性良好的金属为材料，制作封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力线不影响其内部的电路，反过来， 内部电路产生的电力线也无法去影响外电路。必须说明的是，作为静电屏蔽的容器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔），它对屏蔽效果的影响不大。在电源变压器的原方和副方之间插入一个留有缝隙的导体，并将它接地也属于静电屏蔽，可以防止两绕组间的静电耦合。 二、电磁屏蔽： 电磁屏蔽也是采用导电性良好的金属材料作屏蔽罩，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，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场，从而使 电磁屏蔽层内部的电路免受高频电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽作用。通常使用的铜质网状屏蔽电缆就能同时 起电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。 三、低频磁屏蔽： 在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料， 最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗掉干扰磁场的能量。在工业中常用的办法是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，以达到双重屏蔽的目的。 屏蔽技术主要是为了防止（ ） A. 信号失真 B. 电磁干扰 C. 电路短路 D. 设备过热 【答案】B 【解析】屏蔽技术的主要目的就是通过特定的材料和结构，阻止或减少电磁干扰的传播，保护电子设备或电路不受外界电磁干扰的影响，同时也防止设备自身产生的电磁辐射对外界造成干扰。 1.以下哪种材料一般不用于电磁屏蔽（ ） A. 铜 B. 铝 C. 塑料 D. 铁 【答案】C 【解析】铜、铝、铁等金属材料具有良好的导电性和导磁性，能够有效地反射和吸收电磁波，常用于电磁屏蔽。而塑料一般是绝缘材料，不具备良好的电磁屏蔽性能。 2.电磁屏蔽体的效能通常用（ ）来衡量 A. 屏蔽系数 B. 反射系数 C. 吸收系数 D. 屏蔽效能 【答案】D 【解析】屏蔽效能是衡量电磁屏蔽体对电磁干扰衰减能力的指标，它综合考虑了屏蔽体对电磁波的反射和吸收等作用，能直接反映屏蔽技术的效果。 3.对于低频磁场的屏蔽，通常采用（ ）材料 A. 高电导率 B. 高磁导率 C. 高介电常数 D. 低磁导率 【答案】B 【解析】低频磁场的屏蔽主要依靠材料的高磁导率，使磁场线能够集中通过屏蔽材料，从而减少外部空间的磁场强度，起到屏蔽作用。 1.屏蔽电缆中，屏蔽层的主要作用是（ ） A. 增加电缆强度 B. 防止电缆漏电 C. 抑制电磁干扰 D. 提高电缆的导电性 【答案】C 【解析】屏蔽电缆的屏蔽层主要是为了防止电缆内部传输的信号受到外界电磁干扰，同时也防止电缆内的信号向外辐射产生电磁干扰。 2.以下关于屏蔽接地的说法，正确的是（ ） A. 屏蔽接地可有可无 B. 屏蔽接地是为了让屏蔽体与大地等电位 C. 屏蔽接地只需要连接到设备外壳即可 D. 屏蔽接地会增加电磁干扰 【答案】B 【解析】屏蔽接地的目的是使屏蔽体与大地等电位，为电磁干扰电流提供一个低阻抗的泄放通道，从而提高屏蔽效果，减少电磁干扰。 3.静电屏蔽是利用了导体的（ ）特性 A. 导电性 B. 静电平衡 C. 导热性 D. 延展性 【答案】B 【解析】静电屏蔽是基于导体在静电场中达到静电平衡时，内部电场强度为零的特性，使屏蔽体内部不受外部静电场的影响。 · 屏蔽技术用金属材料制成容器包覆电路，防电场磁场耦合干扰，分静电、电磁、低频磁屏蔽。 · 静电屏蔽用导电金属封闭容器接地，防外部电场干扰内部电路。 · 电磁屏蔽用金属罩接地，消耗高频干扰磁场能量，兼具静电屏蔽效果。 · 低频磁屏蔽用高导磁材料限制磁力线，复合屏蔽电缆多层防护，穿铁管双重屏蔽。 知识点三 接地技术 一、地线的种类： 导线接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”。图2是电气设备接大地的示意图。 图2 单相三线交流配电原理图 对于仪器、通信、计算机等所应用的电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准，也称为“公共参考端”。它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以是接大地的，也可以是与大地隔绝的，例如飞机、卫星上的地线，因此通常将仪器设备中的公共参考端称为信号地线。信号地线又可分为以下几种： 1.模拟信号地线：是模拟信号的零电位公共线，因为模拟信号有时较弱，易受干扰，所以对模拟信号地线的面积、走向、连接有较高的要求。 2.数字信号地线：是数字信号的零电平公共线。由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜。 3.信号源地线：传感器可看作是测量装置的信号源，通常传感器设在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内。从测量装置的角度看，可以认为传感器的地线就是信号源地线，它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。 4.负载地线：负载的电流一般都较前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他地线分开，有时两者在电气上甚至是绝缘的，信号通过磁耦合或光耦合来传输。 二、一点接地原则： 对于上述四种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，也必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，这样才能消除各地线之间的干扰。 1.单级电路的一点接地原则：现以单级选择放大器为例来说明单级电路的一点接地原则。 电路如图3-a所示，图中有8个线端要接地。如果只从原理图的要求进行接线，则这8个线端可接在接地母线上的任意点上。这几个点可能相距较远，不同点之间的电位差就有可能成为这级电路的干扰信号，因此应采取图3-b 所示的一点接地方式。 图3 单级电路的一点接地 2.多级电路的一点接地原则：图4-a 所示的多级电路利用了一段公用地线，在这段公用地线上存在着A、B、C等三点不同的对地电位差，有可能产生共阻抗干扰。只有在数字电路或放大倍数不大的模拟电路中，为布线简便起见，才可以采取上述串联接地方式，但也应注意以下两个原则：一是公用地线截面积应尽量大些，以减小地线的内阻；二是应把最低电平的电路放在距离接地点最近的地方，即A点接地。 图4-b 为并联接地方式，这种接法不易产生共阻抗耦合干扰，但需要很多根地线，在高频时反而会引起各地线之间的互感耦合干扰，因此只在频率为1MHz以下时才采用。当频率较高时应采取大面积的地线，这时允许多点接地。这是因为，若接地面积十分大，内阻很低，反而易产生级与级之间的共阻抗耦合。 图4 多级电路的一点接地 3.传感器系统的一点接地原则：传感元件与测量装置构成了一个完整的传感器系统，两者之间可能相距甚远，所以这两个部分的接大地点之间的电位一般是不相等的，有时电位差可能高达几伏甚至几十伏，这个电压称为大地电位差。若将传感元件、测量装置的零电位在两处分别接大地，会有很大的电流流过信号传输线，在Zi2上产生电压降，造成干扰，如图5- a 所示。为避免这种现象，应采取图5-b所示的系统一点接地的方法，大地电位差只能通过分布电容Ci1、Ci2构成回路，干扰电流大为减小。若进一步采用屏蔽浮置的办法就能更好地克服大地电位差引起的干扰。 图5 传感器系统的接地 接地技术的主要目的是（ ） A. 增加电路电阻 B. 降低设备成本 C. 保证人员和设备安全 D. 提高信号传输速度 【答案】C 【解析】接地技术主要是为了在电气设备发生漏电等故障时，将电流引入大地，避免人员触电和设备损坏，以保证人员和设备的安全。 1.以下哪种接地属于功能性接地（ ） A. 保护接地 B. 防雷接地 C. 工作接地 D. 安全接地 【答案】C 【解析】工作接地是为了保证电气设备在正常和事故情况下可靠地工作而进行的接地，属于功能性接地。保护接地、安全接地主要是为了保护人员安全，防雷接地是为了防止雷电过电压对设备和人员造成危害，它们不属于功能性接地范畴。 2.接地电阻的大小主要取决于（ ） A. 土壤的电阻率 B. 接地体的形状 C. 接地体的材料 D. 接地体的长度 【答案】A 【解析】接地电阻主要由接地体与土壤之间的接触电阻以及土壤本身的电阻等组成，其中土壤的电阻率对接地电阻的大小影响最大。虽然接地体的材料、形状和长度也会对接地电阻有一定影响，但相比之下，土壤电阻率是主要因素。 3.为了降低接地电阻，通常可以采取的措施是（ ） A. 增加接地体的数量 B. 减小接地体的尺寸 C. 提高土壤的干燥度 D. 减少接地体的埋设深度 【答案】A 【解析】增加接地体的数量可以增大接地体与土壤的接触面积，从而降低接地电阻。减小接地体尺寸会使接地电阻增大；提高土壤干燥度会使土壤电阻率增大，进而增大接地电阻；减少接地体埋设深度不利于电流向大地扩散，也会使接地电阻增大。 1.在 TN 系统中，设备的金属外壳应与（ ）相连 A. 工作零线 B. 保护零线 C. 相线 D. 地线 【答案】B 【解析】在 TN 系统中，分为 TN-C、TN-S、TN-C-S 等类型，无论哪种类型，设备的金属外壳都应与保护零线（PE线）相连，以实现保护接地的功能，防止设备漏电时人员触电。 2.以下关于接地体的说法，错误的是 ( ) A. 接地体应采用耐腐蚀的材料 B. 接地体之间应保持一定的距离 C. 接地体可以与其他金属管道共用 D. 接地体的埋设深度有一定要求 【答案】C 【解析】接地体应采用耐腐蚀材料以保证其长期稳定工作；接地体之间保持一定距离可避免相互影响，降低接地电阻；接地体的埋设深度有相关标准要求，以确保接地效果。而接地体一般不应与其他金属管道共用，因为其他金属管道可能存在不同的电位，会引入杂散电流等问题，影响接地效果和设备安全。 3.防雷接地的接地电阻一般要求不大于（ ） A. 4Ω B. 10Ω C. 20Ω D. 30Ω 【答案】B 【解析】根据相关防雷规范要求，防雷接地的接地电阻一般要求不大于 10Ω，以保证在雷击时能够快速将雷电流引入大地，保护建筑物和设备安全。 · 地线种类多样，包括保安地线、信号地线等，各自功能不同，需根据应用需求选择合适地线。 · 一点接地原则关键，避免地线间干扰，单级、多级电路及传感器系统均需遵循，确保电路稳定工作。 · 地线连接需细致，选择适当接地点，减少电位差干扰。 · 高频时采用大面积地线，允许多点接地，降低共阻抗耦合干扰。 知识点四 其他抗电磁干扰技术 一、浮置技术： 浮置又称浮空、浮接，是模拟输入信号放大器的公共线（即模拟信号地线）不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接联系。屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰电流流经导线，而是让干扰电流流经屏蔽层到大地。浮置与屏蔽接地相反，是阻断干扰电流的通路，检测系统被浮置后，明显地加大了系统信号放大器的公共线与大地（或外壳）之间的阻抗，因此浮置能大大减小共模干扰电流。 二、平衡电路： 平衡电路又称对称电路。它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所在电路，对地或对其导线来说，电路结构对称，对应阻抗相等。采用平衡电路可以使对称电路结构所获得噪声相等，并可以在负载上自行抵消。 三、滤波技术： 滤波器是抑制噪声干扰的重要手段之一。所谓滤波技术，就是用电容和电感线圈或电容和电阻组成滤波器接在电源输出端、测量线路输入端、放大器输入端或测量桥路与放大器之间，以阻止干扰信号进人放大器，使干扰信号衰减。常用的是RC型、LC型及双T型等形成的无源滤波器或有源滤波器。 使用滤波器一般要求将干扰衰减100倍以上，在此要求满足时选用滤波器应考虑：检测电路的外接阻抗及放大器的输入阻抗，滤波器的时间常数对自动检测系统性能的影响，滤波器的频率特性（不同类型滤波器对不同频率的干扰的衰减倍率），滤波器体积、安装及制造工艺。 四、光电耦合技术： 光电耦合器是一种电→光→电的耦合器件，它的输入是电流，输出也是电流，两者之间在电气方面却是绝缘的。目前，传感器系统越来越多地采用光电耦合器来提高抗干扰能力。光电耦合器具有：输入、输出回路绝缘电阻高（大于1010Ω）、耐压超过1kV；因为光的传输是单向的，所以输出信号不会反馈影响输入端；输入、输出回路是完全隔离的，能很好地解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离与传输的矛盾等特点。可以看出，使用光电耦合器能比较彻底地切断大地电位差形成的环路电流。 浮置技术主要是通过（ ）来实现抗干扰的 A. 将电路与大地隔离 B. 增加电路的接地电阻 C. 提高电路的工作电压 D. 减少电路的元件数量 【答案】A 【解析】浮置技术是将电路或设备与大地等参考电位隔离，使其与外界干扰源之间没有直接的电气连接路径，从而减少干扰的引入。 1.以下关于浮置技术的说法，正确的是（ ） A. 浮置的设备不需要任何接地措施 B. 浮置技术能完全消除所有干扰 C. 浮置技术适用于所有电子设备 D. 浮置电路的绝缘性能要求很高 【答案】D 【解析】浮置电路与外界电气隔离，若绝缘性能不好，就无法实现浮置的效果，会引入干扰，所以浮置电路的绝缘性能要求很高。浮置设备并非绝对不需要接地，有时可能需要进行一些特殊的接地以保证安全等；浮置技术不能完全消除所有干扰；浮置技术也不是适用于所有电子设备，要根据具体情况选择。 2.平衡电路的主要作用是（ ） A. 提高电路的功率 B. 抑制共模干扰 C. 降低电路的成本 D. 增加电路的稳定性 【答案】B 【解析】平衡电路是利用电路的对称性，使共模信号在传输过程中相互抵消，从而有效抑制共模干扰。 3.在平衡电路中，差分信号是指（ ） A. 两个大小相等、相位相同的信号 B. 两个大小相等、相位相反的信号 C. 两个大小不相等、相位相同的信号 D. 两个大小不相等、相位相反的信号 【答案】B 【解析】在平衡电路中，差分信号是由两个大小相等、相位相反的信号组成，通过这种方式来传输信号和抑制共模干扰。 1.滤波技术中，低通滤波器的作用是（ ） A. 只允许低频信号通过，阻止高频信号 B. 只允许高频信号通过，阻止低频信号 C. 允许所有频率信号通过 D. 阻止所有频率信号通过 【答案】A 【解析】低通滤波器的特性是允许低于截止频率的低频信号通过，而对高于截止频率的高频信号进行衰减或阻止。 2.以下哪种滤波器可以同时滤除高频和低频干扰（ ） A. 高通滤波器 B. 低通滤波器 C. 带通滤波器 D. 带阻滤波器 【答案】D 【解析】带阻滤波器可以阻止某个特定频段的信号通过，即能滤除该频段内的高频和低频干扰，让其他频段的信号通过。 3.滤波电路通常由（ ）组成 A. 电阻和电容 B. 电感和电容 C. 电阻、电感和电容 D. 电阻和电感 【答案】C 【解析】滤波电路通常利用电容和电感的储能特性以及电阻的分压特性来实现对不同频率信号的处理，一般由电阻、电感和电容组成。 · 浮置技术阻断干扰电流通路，加大系统信号放大器公共线与大地阻抗，减小共模干扰。 · 平衡电路结构对称，阻抗相等，使噪声相等并自行抵消。 · 滤波技术用滤波器阻止干扰信号进入放大器，衰减干扰，需考虑外接阻抗、时间常数、频率特性等。 · 光电耦合技术实现电气绝缘，切断大地电位差环路电流，提高抗干扰能力。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$