浅析动态测量过程中的干扰处理方法

西南油气田公司重庆天然气净化总厂 蒋军锋

1.引言

当前的工程应用中，越来越重视动态测量及其数据处理。在测量压力、位移、振动、速度、温度等参量时，由于在动态测量过程中存在各方面的干扰，而且仪器输入量和测试结果（数据或信号）是随时间而变化的，它们对动态测量系统的稳定度和精确度产生直接或间接的影响，严重时即可使动态测量系统不能正常工作。因此，动态测量系统的设计、制造、安装和使用等各个方面都需要考虑抗干扰的问题。

2.动态测量过程中干扰的来源及其特点

由于各种测试系统和测试过程以及其所在的环境因素千变万化、层出不穷，因此几乎没有两个系统的干扰情况完全相同，即使是在同一系统中，干扰现象在不同时刻产生的影响也不尽相同。在动态测量系统测试过程中，经常遇到的干扰主要有人为的或其他客观存在的（如辐射、磁场等）等外部因素引起的，也有测量仪器内部元器件等产生的。但是综合起来考虑，则主要存在的干扰有：人为因素、空间辐射、磁场、电磁感应、信号通道干扰、电源干扰和数字电路不稳定性等。

人为因素主要是在手动操作的测量中不正确人为操作或人为误差引起的，可消除性大，但对系统的影响也大，严重时可导致错误结果。空间辐射、磁场电磁感应干扰主要由于测量系统在周围环境中受到电磁辐射和磁场的影响，很难消除干扰源，只能从系统自身着手解决。信号通道干扰是由于传感器和测试系统信号处理器之间距离长，传输信号很容易被干扰，同时也存在多对信号电缆相互干扰，干扰信号进入系统重要途径就是I/O通道。系统一般由工业用电网络供电，当系统与其它经常变动的大负载（大功率电机的启停）共用电源时，很可能引起测量系统电源欠压、浪涌、下陷或产生尖峰干扰。另外当电源引线较长时，产生电压降、感应电势等也会对系统产生严重的干扰，这些干扰常给高精度系统带来麻烦。

数字集成电路引出的直流电流虽然只有mA级，但当电路处在快速开关时，就会形成较大的干扰。例如TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右，截至状态下为1mA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，若配电线上有0.5μH电感，当状态改变时，配电线上将产生0.4V噪声电压，而这种门电路的供电电压仅为5V，如果把这个值乘上典型系统的大量门电路数值，其所引起的干扰将是非常严重的。

3.干扰处理方法及处理效果

干扰处理方法概括有三项基本原则：防止干扰窜入、远离干扰源、消除干扰源。动态测量系统的抑制干扰方法主要有隔离与耦合、滤波和屏蔽、优化布线、软件消除、系统接地等。正确的接地和屏蔽结合起来能够很好地抑制干扰，如限制和降低干扰噪声电平、旁路杂散辐射能量和防止系统遭受干扰，还可以保护操作人员人身安全和设备安全。接地处理一般可以采取多种方法，如一点接地和多点接地、交流地和信号地、浮地与接地，各种接地应按正确方法进行，如埋设铜板法、接地棒法和网状接地法等。

平行导线之间存在着互感和分布电容，进行信息传送时会产生串扰，影响系统工作可靠性，如功率线、载流线与小信号线平行走线，电位线与脉冲线平行走线，电力线与信号线平行走线等都会引起串扰，因此布线时应按一定的走线原则进行布线。对于元器件空余输入端应采取一定的处理方法，如并联输入端、接高电平或悬空后利用反相器接地；对于数字电路可采取设置高频去耦合电容，并进行良好接地。软件抗干扰起着非常重要的作用，在硬件基础完善后，必须采取更有效的软件抗干扰措施。常用的软件抗干扰方法主要有：采用数字滤波方法既能剔除干扰数据，又可消除系统误差；设置睡眠模式可以降低功耗，减少干扰对CPU的影响；利用看门狗定时器可使得CPU不至于失去控制；在程序中加入冗余指令，防止程序跑飞。

3.1 人为操作因素干扰

对于此类干扰，动态测量过程的操作人员都应经过一定的培训来保证仪器操作以及测试数据结果的正确性，要坚持原则性，严格按照系统工作方式进行操作运行。

3.2 空间辐射干扰、强磁场电磁感应干扰

对于空间辐射干扰和强磁场电磁感应干扰，动态测量系统通常采取屏蔽和滤波技术抑制干扰。

屏蔽主要以金属等其他材料构成的可以防止干扰的屏蔽体，且能有效地抑制辐射、电磁波、磁场等干扰源产生的干扰。屏蔽体主要以反射或吸收的方式来削弱这些干扰，从而形成对干扰的屏蔽，良好地保证动态测量过程的正常进行。其中对电磁波和磁场产生的干扰的最有效方法就是选用高导磁材料制作的屏蔽体，使电磁波经屏蔽体壁的低磁阻磁路通过，而不影响屏蔽体内的电路；对屏蔽电场或辐射场时，则选用铜、铝等电阻率小的金属材料作屏蔽体屏蔽低频磁场时，选磁钢、铁氧体等磁导率高的材料；在屏蔽高频磁场时，选择铜、铝等电阻率小的材料，如：在两导线间插入一接地导体，进行静电蔽体。对静电蔽体，加一块金属板就起能作用，而对电磁屏蔽，板壁过簿时就会无效，同时抗干扰性能与屏蔽体的外部形状也有关，但是注意如板壁过厚，将产生一定的涡流电流，而涡流电流会形成反磁场，阻碍磁通进入屏蔽板。

为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用，消除屏蔽体与内部电路的寄生电容，屏蔽体应按“一点接地”的原则接地。利用抗电磁干扰能力和抗静电干扰强的光纤传输和传感技术的抗干扰方法也能很有效的抑制干扰。

3.3 电源干扰

要正确处理电源干扰，就必须了解当前所使用的动态测量系统电源干扰的特点及主要来源，从而对系统电源进行持续不断的监控和测试，通常我们可以通过电源干扰测试仪来实现对电源干扰的监控和测试。电源干扰测试仪能够实时地监测电源上出现的各种干扰和波动，一旦出现干扰，它能及时地记录各种干扰发生的时间及大小并进行统计，给以后测试系统排除电源干扰提供重要依据，同时它还能提供相应的电源干扰抑制相关途径，保证动态测量过程的顺利进行。

3.4 信号通道干扰

干扰信号进入微机测试系统的一个重要途径就是I/O通道，尤其是当变送器远离测试系统时，这些干扰包括共模干扰和电磁感应干扰，在多对的信号电缆中还会相互干扰，通常采取的措施有如下几点。

3.4.1 硬件滤波

在信号加入到输入通道之前，可采用硬件低通滤波器来滤除交流干扰，常用的低通滤波器有：RC滤波器、LC滤波器和有源滤波器。

RC滤波器结构简单，成本也低，且不需要调整，但它的串模抑制比不够高，一般需2～3级才能达到滤波要求。LC滤波器的串模抑制较高，但电感成本高、体积大。有源滤波器对低频干扰具有很好的抑制作用，其原理是产生一个与干扰信号幅值相等、相位相反的反馈信号，在滤波器的输入端进行叠加，从而将干扰信号消除。

3.4.2 采用差动方式传送信号

其原理是差动放大器只对差动信号起放大作用，而对共模电压起不到放大作用，因此能够有效地抑制共模噪声的干扰，性能也比较好。

3.4.3 采用双绞屏蔽线传送信号

把两根导线相互扭绞，电流流过两根导线时产生的磁场以相互扭绞时最小，扭绞越大，节距就越小，对串模干扰的抑制比就越高，抗干扰性能就越好。在精度要求高、干扰严重的场所，应当采用双绞屏蔽信号线，可使电场屏蔽和电磁屏蔽作用大大加强，抗干扰性能也会大大加强。

3.4.4 信号线的敷设

信号线若敷设不合理，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引入新的干扰。因此信号线的铺设要注意以下几点：信号电缆与电源电缆必须分开，绝对避免信号线与电源线合用同一股电缆；屏蔽层要一端接地，避免多点接地；尽量远离干扰源，如避免把信号线敷设在大容量变压器或大功率电动机等设备附近。

3.4.5 数字电路干扰

该方法主要是提高动态测量系统中敏感元器件的抗干扰性能，即尽量减少对干扰噪声的拾取，并从不正常状态尽快恢复。主要有效措施有：电路板布线时尽量减少回路环的面积，从而降低感应噪声，同时电源线和接地线要尽量粗，降低耦合噪声和减小压降；单片机电路尽量使用电源监控和系统保护电路，空余单片机I/O接口要接地或接电源，不能悬空，其它IC闲置端在不改变系统逻辑下也应接地或接电源；IC器件应直接焊接在电路板上，尽量的减少IC插座。

3.4.6 软件抗干扰

该方法主要有利用数字滤波器等来滤除干扰，采用看门狗软件、多次采样技术、定时刷新输出口等抑制干扰。

4.结论

由于动态测量系统使用环境不同，其干扰源也不同，处理方式更显得多种多样，综合考虑应用软硬件技术和具体问题具体分析的方法来解决和排除干扰，消除误差，提高测量结果的准确性，保证测量系统的正常运行。抗干扰设计中虽然需要很强的理论指导，但更主要还是靠在实践中不断地摸索和积累抗干扰经验，才能把对系统的干扰降低到最低限度内，使系统能够完善正常的工作。

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