电磁兼容原理与抗干扰技术简述

参考文献[1]梁森, 欧阳三泰, 王侃夫. 自动检测技术及应用[M]. 第3版. 北京:机械工业出版社, 2018 :285-303.[2]程德福, 林君. 智能仪器[M]. 第2版. 北京:机械工业出版社, 2009 :199-201.——0知识点总览AuthorHYHDate2020/7/191简述在测量过程中会发现总是有一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起称之为噪声Noise。如果骚扰引起设备或系统的性能下降时称之为干扰Interference。电磁兼容Electro Magnetic Compatibility, EMC指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态即同一电磁环境中的各种设备都能正常工作又互不干扰达到兼容状态。电磁兼容包括电磁干扰和电磁抗扰度两部分。电磁干扰Electro Magnetic Interference, EMI电气设备本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其他系统的电磁噪声。电磁抗扰度Electro Magnetic SusceptibilityEMS或称电磁耐受性电气设备在执行应有功能的过程中不会因周围电磁干扰而产生性能劣化的能力。电磁干扰三要素干扰源只要有电压或电流快速变化的电路即可认作为潜在的干扰源。干扰途径耦合通道敏感设备敏感源对电磁干扰敏感性较高的接收电路。2电磁干扰的传输途径电磁干扰的传输途径有两种方式即路的干扰和场的干扰。路的干扰又称传导干扰Conducted Interference必须在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接干扰沿着这一连接电路从干扰源传输至敏感设备。场的干扰又称辐射干扰Radiated Interference不需要沿着电路传导而是以电磁辐射干扰发射的方式进行。2.1通过路的干扰传导干扰Conducted Interference需要完整的电路连接路径。本节将详细阐述四种常见的传导干扰机制及其抑制思路。共阻抗耦合干扰Common Impedance Coupling机理当两个或两个以上的电路共享一段具有非零阻抗的公共线路如电源线、地线时该段线路成为共阻抗。当其中一个电路尤其是功率较大的电路的电流流过此共阻抗时会产生一个压降V_noise I * Z_common这个压降会叠加在另一个电路的参考地上从而形成干扰电压。典型场景多台设备通过同一根细长的地线连接。抑制措施降低共阻抗使用粗短、低阻抗的走线或铜箔作为公共路径。地线分离为不同电路或敏感模块提供独立的地线回路最后在单点汇接单点接地。详见本文5.接地技术章节。差模干扰Differential Mode Interference机理干扰电压/电流作用于信号回路的两根导线之间方向相反。这种干扰直接与有用信号串联会改变两个输入端子之间的电位差直接影响测量精度。典型场景空间磁场在信号回路中感应出的环路电流电源线上的噪声通过不对称耦合进入信号线。抑制措施滤波在信号输入端加入低通滤波器或差模扼流圈衰减高频干扰。详见本文7.滤波技术章节。减小环路面积采用双绞线传输信号能有效减小磁场耦合的环路面积。屏蔽为信号线提供屏蔽层并正确接地。延伸阅读信号模式定义从一个系统的一对输入端看若信号的极性相反电流方向相反称为差模信号若极性相同电流方向相同则称为共模信号。干扰也同样可分为差模干扰和共模干扰。传导耦合干扰Conductive Coupling机理干扰噪声通过直接的导线连接如电源线、地线、信号线传导到敏感设备。这些导线如同天线既能拾取环境噪声也能将设备内部噪声传导出去。典型场景工业现场中变频器、继电器、电机等设备产生的瞬态噪声通过公共的交流供电网络传导干扰同一电网上的其他电子设备。抑制措施隔离在噪声源和敏感设备之间使用隔离变压器磁隔离或光耦光隔离进行电气隔离。滤波在电源入口和信号接口处安装滤波器。使用独立线路为敏感设备提供独立的供电线路或信号通道。泄漏电阻耦合干扰Leakage Resistance Coupling机理电路中的非理想绝缘如PCB板基材、元件封装、潮湿环境会形成泄漏电阻。噪声源可以通过这些高阻值的泄漏路径耦合到邻近的高阻抗电路中去。典型场景高压电路与低压测量电路之间因PCB爬电距离不足产生的耦合在多雨潮湿环境下设备内部积尘导致的绝缘下降。抑制措施改善绝缘增加爬电距离和电气间隙使用更高绝缘等级的板材和元件。清洁与防护保持电路板清洁干燥使用三防漆防潮、防霉、防盐雾涂覆。屏蔽与隔离对高压或噪声源部分进行物理屏蔽或电气隔离。2.2通过场的干扰工业现场各种线路上的电压、电流的变化必然反映在其对应的电场、磁场的变化上而处在这些场内的导体将受到感应而产生感应电动势和感应电流。共模干扰common mode interference一般指在两根信号线上产生的幅度相等相位相同的噪声。共模干扰进入电路后使仪器的两个输入端子同时出现同向干扰但不会直接影响测量结果但当信号输入电路不对称时会转化为差模信号。可以用共模抑制比衡量仪器对共模干扰的抑制能力。触发条件输电线与信号线距离相等仪器输入阻抗对称。当二次仪表的两个输入端出现很难避免的不平衡时共模电压的一部分将转换为差模干扰就较难消除了因此必须尽量保持电路的对地平衡。抑制措施1 采用双绞线采用双绞线可以使引入信号处理电路两端的干扰电压大小相等、相位相同、从而使电路的差模干扰减小形成共模干扰。2 静电屏蔽技术见【电磁兼容控制技术】一章电容性耦合干扰常见例两平行导线通过寄生电容产生耦合干扰。寄生电容也称为杂散电容,是电路中电子元件之间或电路模块之间由于相互靠近所形成的电容。寄生电容是在现代工艺水平下是不可避免的,同时经常是设计时不希望得到的电容特性。抑制措施1.两导线垂直布线。电感性耦合干扰或称磁场耦合干扰是由于两个电路之间存在互感使得当一个电路的电流变化时通过磁链影响到另一个电路。抑制措施1 使信号源引线原理强电流干扰源2 采用低频磁屏蔽3 采用双绞线高频电磁场辐射干扰高频辐射耦合是以电磁场的形式通过辐射途径将电磁能量从干扰源经辐射空间传输到检测设备。常见的有●天线间的辐射耦合干扰源和设备间的信号线、电源线等都可看成一段发射天线或接收天线均能发射和接收电磁波之间形成天线辐射耦合干扰。电缆越长辐射效率越高因此所有电缆应尽可能的短以最小化天线效应。●电磁场对导线的感应耦合干扰源的每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回阻抗构成一个回路。干扰沿导线产生电磁辐射而进入设备形成电磁辐射干扰。●电磁场对闭合回路的耦合电路中的某些闭合回路的长度约等于电磁场波长的1/4时干扰源的电磁场与闭合回路之间的电磁耦合加大将在闭合回路中产生较大的干扰电流。克服辐射性耦合干扰的方法空间分离分离相互容易干扰的设备和导线频率分离使产生辐射的设备和易接收辐射的设备工作频率不同屏蔽措施见【电磁兼容控制技术】一章减小输入信号线相当于天线的长度和高度减小内部印制电路板所包围的环线面积3电磁兼容控制技术概述即抗电磁干扰技术用于切断干扰途径和削弱电路对干扰的敏感性。基本方法如下消除或抑制干扰源存在局限性只有少部分干扰源受控。破坏干扰的耦合通道通过路的干扰接地、隔离、滤波通过场的干扰屏蔽消除或抑制接收设备对干扰的敏感性滤波软件抑制针对于已进入电路的干扰。将接地与屏蔽正确结合可以解决大部分干扰问题。4屏蔽技术静电屏蔽是用导电性良好的金属铜、铝等为材料制作成封闭的金属容器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若将金属容器的外壳与地线连接内部电路产生的电力线干扰也无法外逸而影响外电路。注意外壳穿孔会导致屏蔽性能下降。应用屏蔽电缆是最有效、最常用的静电屏蔽方法。屏蔽电缆的屏蔽层必须与两端设备的金属外壳连接起来否则将失去屏蔽作用屏蔽层应无中断。最好使用编织网状屏蔽层不能使用金属薄膜屏蔽层因为这样电流承载能力比较小屏蔽层也有可能损坏。5接地技术接地的目的降低各电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压即共阻抗干扰保障人身安全和设备安全地线的种类地可分为实地和虚地两类实地就是接大地虚地就是不接大地作为信号参考点。对于仪表、通信、计算机来说地是指电信号的基准电位也称公共参考端。实地安全地线用于保障人身或设备安全把电网零线、电气设备机壳、避雷针等接大地。屏蔽地线亦称机壳地线为防止静电感应和电磁感应而设置的地。虚地信号地线通常将仪表设备中的公共参考端称为信号地线。信号地线分为模拟信号地线模拟信号地线是模拟信号的零信号电位公共线。因为模拟信号电压多数情况下均较弱易受干扰易形成级间不希望的反馈所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。数字信号地线数字信号地线是数字信号开关量的零电平公共线。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成为微弱模拟信号的干扰源为避免数字信号对模拟信号的干扰共模干扰两者的地线应分别走线再合理地在一点汇集接在一起。信号源地线传感器可看作测量装置的信号源传感器的地线就是信号源地线。一般传感器从现场获取信号再传送到仪器有一定距离两者存在一定电位差信号源地线乃是传感器本身的零信号点位基准公共线。负载地线负载电流通常比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信号地线分开。所有的接地线应尽量短并用较粗的线径以减少接地阻抗。地线处理原则所有需接地的电气部件应单独接地不得串联接地。6隔离技术两点以上接地系统为抑制电位差形成的干扰可运用隔离技术切断环路电流。从原理上可分为光隔离和电磁隔离。光隔离光耦也叫做光电隔离器或光电耦合器它是以光为媒介来传输电信号的器件每个器件中都含有成对的发光器红外线发光二极管LED与受光器光敏半导体管光敏电阻。当施加电信号到发光器时发光器发出光线受光器接受光线之后就电学性能发生变化从而实现了“电—光—电”转换。光耦的最大作用就是隔离作用。将发光器和受光器两端的电气回路隔离开通过光作为媒介进行传递。光电隔离具有体积小结构简单等优点但存在共模抑制能力差传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。电磁隔离即使用隔离变压器。7滤波技术电源线滤波器紧贴安装在设备的电源入口处其作用为防止设备内部电路产生的干扰电流传导发射到电网上对电网上的其他设备产生干扰。防止电网上的干扰电压通过电源线进入设备的内部电路。信号线滤波器安装在自动控制系统的信号线上其作用为防止电缆产生电磁辐射。防止空间的电磁干扰通过电缆进入设备的电路。工业上最常见的信号线滤波器为共模扼流圈。更新记录2021.8.3更新“接地技术”部分。2021.10.17常规内容更新。