热电偶传感器外壳体交流干扰对电路输出的影响

王振廷，齐 娜，宁金明，王元委

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028）

0 引 言

大型电动运转设备在运载情况下，会对安装在发动机上的测量传感器产生严重影响，甚至拉偏输出电压值。目前，温度、压力等传感器外壳大多采用金属外壳，可以屏蔽外界电磁干扰，但当外壳体直接受到交流信号干扰时，其内部会产生电磁场，对传感器内部电路的稳定性造成影响［1，2］。

本文通过对传感器外壳体交流干扰的试验和理论分析，通过改变干扰源的频率和幅值对传感器输出的影响进行分析，针对分析结果给出电路改进措施，并将改进后的传感器在实际应用中加以验证。

1 相关理论

1.1 通电导体周围电磁效应

如图1所示，对通电导体施加电压，驱动电子运动形成电流，电子的运动轨迹沿着导体的螺旋线运动，电子被整合形成规则次序排列，每个电子的N极和S极在导体横截面形成环形排列，每个电子磁力线叠加在与导体轴线垂直的端面形成磁力场［3］。

图1 通电外壳体产生电磁效应

电磁干扰源、传播耦合途径、敏感设备是形成电磁干扰的三要素。将电磁干扰源用时间函数S（t）表示，敏感设备的敏感性用时间函数R（t）表示，电磁能的传播耦合性用时间函数C（t）表示，则产生电磁干扰的充分必要条件为

因此，对于一个电磁干扰的形成过程来说，需要强电磁能量来源及对电磁干扰比较敏感的设备。

1.2 电磁干扰的形成

若要形成电磁干扰，下列3个因素必须同时存在：1）干扰源：释放电磁能量的源，如雷电、汽车火花、线路板上的高频信号等都可以成为干扰源；2）对源的电磁能量产生非正常响应的敏感器，如弱电信号放大器；3）耦合途径：能够把电磁能量从干扰源耦合到敏感器的通路，典型的电磁干扰耦合途径主要是导线上的传导与空间辐射。

若用E（t，f）表示干扰源的反射值，C（t，f）表示耦合函数，S（t，f）表示敏感器的敏感度阈值（敏感器呈现不希望有的响应时的最小可识别的干扰电平），则三者之间的数学表达式为［4］

式中M为安全余量。当M＞0 时，干扰源和敏感器之间是电磁兼容的；当M＜0 时，干扰源通过耦合通道对敏感器产生了电磁干扰［5］。

为了使发射源和敏感器之间实现电磁兼容，可以采取降低发射源的发射值和切断耦合通道，提高敏感器的敏感度阈值。

1.3 电磁干扰对电路的影响

传感器的外壳体与内部电路无直接接触，当外壳体的干扰源达到一定程度时，通过通电外壳体产生的磁场耦合进入放大电路中，形成辐射耦合，耦合途径是将电磁干扰能量传输受到干扰的电路板上［6］。在放大电路中，由于放大器输入阻抗较高，输入信号线的电容耦合和外部磁场引起的感性耦合占主要因素［7］。

2 热电偶传感器高频噪声干扰的电路效应

2.1 高频干扰的影响

由于热电偶的O ＋和O -共模电压和差模电压非常小，因此共模干扰和差模干扰对输出均有影响。当差分运算放大器对带外的小信号进行整流，将干扰表现为一个小的直流电压的偏移。如图2所示，输出Vout处可加载一个直流偏移或交流干扰的情况。

图2 热电偶传感器放大部分原理图

将热电偶传感器外壳加载交流干扰前后进行对比，根据采集的实时数据进行分析。如图3（a）所示，在未加载干扰源情况下，传感器输出为稳定的温度信号值；如图3（b）所示，中间段在加载干扰源情况下，输出受到影响。

图3 未加载／加载干扰源下输出曲线

2.2 受高频干扰的温度传感器数据分析

用高频信号源模拟交流干扰，将干扰源加载到温度传感器外壳上，改变高频信号源的频率和幅值，记录传感器输出，如表1所示。

表1 受高频干扰的传感器输出

从表1中可以看出，干扰源的幅值越大，传感器输出受到的影响越大，而干扰源的频率对于输出信号没有固定的模式。如图4所示，所有曲线呈现类似周期的变化，但当频率大于8 kHz时，传感器无法精准测量环境温度。

图4 受高频干扰的温度传感器输出曲线

3 高频交流干扰的抑制

3.1 共模、差模干扰的抑制

共模干扰产生于电路接地点之间的电位差，可以通过输入线路的不平衡转换以抑制共模干扰，共模干扰在转换成差模干扰时，采用不平衡的过渡即可消除［8］。当辐射干扰在信号线上感应出共模干扰，如图5（a）所示，可以在放大电路的输入端增加C1 电容来衰减共模干扰，其容值大小受到允许漏电流的限制［9］。共模干扰电流大小不一定相等，但是方向相同。

差模干扰是和被测信号叠加在一起的噪声，可采用同步低通滤波法，差模电容在高频时，低阻抗可短路掉差模干扰，可先测出干扰源频率，根据截止频率计算出电容的容值，如图5（b）所示，可在电路中增加C2、C3 电容来抑制交流干扰产生的影响［10］。差模干扰电流大小相等，方向相反。

热电偶的电压值非常小，为mV 级，因此共模、差模噪声干扰对传感器影响比较大。而且因为噪声幅值比较大，经第一级放大后，第二级无法对其进行滤除。故在高频干扰下，在第一级运放输入端增加滤波电容对噪声干扰的滤除效果明显。

3.2 高频干扰下的电路分析

对于高频信号干扰，可以通过输入端的低通R-C 网络进行滤波。如图6 所示，在运放输入端增加C1、C2 和C3，C1对差模噪声信号有抑制作用，C2 和C3 对共模噪声信号有抑制作用。

图6 带抑制电容的放大电路

为了避免降低共模抑制比（common-mode rejection ratio，CMRR），即带宽性能，需要确保C1 是C2、C3 容值的10 倍以上，电容值选取遵循以下规律

滤波器的截止频率为

式中fDIFF为差模干扰截止频率，fCM为共模干扰截止频率。

电阻R要根据电路的阻抗系数选择［11］

3.3 抑制电容的选择

由前述分析可知，外壳体上交流干扰的频率大于8 kHz时，会对传感器的输出产生影响，根据式（6）计算的抑制差模噪声的电容值

根据式（6）计算得出：C1＝10 pF，C2＝1 pF，C3＝1 pF

A为放大电路的增益［12］，根据式（7）增益可观察传感器的频带衰减程度，将参数值输入到程序中，由图7 看出，传感器在22 kHz时，衰减大于1 000倍。

图7 增加电容后对差模干扰抑制情况

3.4 带抑制电容的温度传感器数据分析

将抑制电容增加到放大电路中，同样用高频信号源模拟交流干扰，将干扰源加载到温度传感器外壳上，改变高频信号源的频率和幅值，记录传感器输出，如表2所示。

表2 带抑制电容的温度传感器数据

从表2中可以看出，干扰源不论增大幅值还是增大频率，输出信号都在一个很小的范围内波动，对测量精度影响较小。如图8所示，传感器输出波动最大值为70 mV，相比之前不带抑制电容的输出减小了140 倍。实际应用中，加载到外壳体的交流噪声干扰，其电压峰峰值很难达到20 V，因此改后的电路可以精准测量环境温度。

图8 带抑制电容的温度传感器输出曲线

4 试 验

由于传感器的外壳体与发动机等大型设备的外壳体处于共同外壳地，因此在电动泵等大型设备开启状态下，其产生的交流干扰会通过外壳加载到传感器外壳体上，由此可在传感器内部产生电磁场。干扰试验如图9所示。

图9 传感器外壳体交流干扰试验

从图9中可以看出，传感器在未加载干扰源时，其输出为稳定的直线，加载干扰源后，其直流分量降低且出现毛刺。当给电路中增加抑制电容时，传感器输出直流分量恢复原值且毛刺消除。

5 结 论

通过理论分析和试验验证可以得出，加载到传感器外壳体的交流干扰源，其幅值和频率在达到一定范围时，对传感器的输出影响比较明显。在干扰信号Vp-p为20 V，且频率为530 kHz时，输出变化量可达到4.55 V，传感器失去测量能力，无法精准测试环境温度。

对热电偶传感器的共模干扰和差模干扰进行分析，并针对性地在电路中增加抑制电容，通过试验分析可以看出，最大输出变化量从4.55 V下降到0.5 V左右。将改进后传感器应用到实际环境中，经过试验表明，传感器壳体交流干扰对电路输出的影响可以通过增加共模、差模电容予以消除，使传感器精准测量环境温度。