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地磅称重传感器的干扰来源及解决方法

时间:2018-01-12 16:00   来源:http://www.jrscale.com   访问量:

本文介绍了地磅称重传感器的干扰产生的原因及采取的措施

不论是工业、农业、国防建设,还是在曰常 生活、教育事业以及科学研究等领域,都可以 发现传感器广泛应用的事例。但在传感器的设 计和使用的过程中,都有一个如何使其测量精 度达到最高的问题,然而影响传感器测量精度 的干扰众多,错综复杂,例如:现场的大型耗 能设备特别是大功率感性负载的启动和停止 往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖峰脉 冲干扰;工业电网欠压或过压常常达到额定电 压的35%左右,这种供电状况有时几分钟,有 时长达几小时甚至几天;各种信号电缆捆扎 在一起或走同一根电缆信号就有可能受到干 ,特别是信号电缆与交流动力电缆同走一个 管道中时干扰就更甚;多路开关或保持器性能 不好,也会引起通道信号的窜扰;空间各种电 磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干 扰传感器的正常工作。此外,现场温度以及湿 度的变化有可能引起电路参数发生变化,腐蚀 性气体、酸盐的作用,野外的风沙、雨淋,甚 至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的可靠性。

模拟传感器输出的一般都是小信号,都存在 着小信号放大、处理、整形以及抗干扰的问题, 也就是将传感器输出的微弱信号精确地放大到所 需要的统一标准信号(如1VDC—5VDC 4mADC'20mAD0 ,并达到所需的技术指标。这就 要求设计制作者必须注意到模拟称重传感器的抗 干扰问题,只有搞清楚传感器产生干扰的源头以 及干扰作用的方式,采取相应的消除干扰或预防 干扰的措施,才能使得模拟传感器的应用达到最 佳的状态。

传感器以及仪器仪表在现场运行时所受到的 干扰多种多样应具体情况具体分析针对不同 的干扰现象采取不同的措施是抗干扰的原则。这 种灵活机动的策略与普适性无疑是矛盾的解决 的办法就是采用模块化的解决办法,除了基本构 件外,针对不同的运行场所仪器仪表可装配不 同的构件以有效地抑制消除干扰、提高传感器的 可靠性。

一、干扰源、干扰种类及干扰现象

1.主要干扰源:主要有静电感应干扰、电磁 感应干扰、漏电流感应干扰、射频干扰以及其他 干扰。

(1静电感应干扰

静电感应是由于两条电路或元器件之间存在 着寄生电容,使一条电路上的电荷通过寄生电容 传送到另一条电路上去,因此又称为电容性耦合。

(2电磁感应干扰

当两个电路之间有互感存在时,一个电路中 电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路中, 这一现象称为电磁感应。例如变压器及线圈的漏 磁,通电平行导线之间的电磁感应等

(3漏电流感应干扰

由于电子线路内部的元器件支架、接线柱、 印刷电路板以及电容内部介质或外壳等绝缘不良 特别是传感器的应用环境湿度较大绝缘体的绝 缘电阻下降,从而导致漏电电流增加所引起的干 扰。尤其是当漏电流流入到测量电路的输入极时, 其干扰影响就更加严重。

(4射频干扰

主要是大型动力设备的启动、停止操作所引 起的干扰和高次谐波干扰。例如可控硅整流系统 的干扰等。

(5其他干扰

由于现场工作的环境比较差很容易受到其 它的机械设备干扰、热干扰以及化学干扰等。

干扰的种类:主要有常模干扰、共模干扰、 长时干扰以及意外瞬时干扰。

(1常模干扰

常模干扰是指干扰信号的侵入在往返两条线 上是一致的,它的来源一般是由于仪器仪表周围 存在着较强的交变磁场,使得仪器仪表受到交变 磁场的影响而产生交流电动势从而形成干扰,这 种干扰很难被消除掉。

(2共模干扰

共模干扰是指干扰信号在两条线上各流过一 部分,以地为公共回路,而信号电流只在往返 两个线路中流过。共模干扰的来源一般是由于 仪器设备存在对地漏电、地电位差以及线路本 身有对地干扰等。由于线路的不平衡状态,共 模干扰可能会转换成常模干扰,那么就较难消 除掉了。

(3长时干扰

长时干扰是指长期存在的干扰,此类干扰的 特点是干扰电压长期存在且变化不大,用检测仪 器能够很容易地检测出来,例如电源线或邻近动 力线的电磁干扰都是连续的交流50Hz工频干扰。

(4意外瞬时干扰

意外瞬时干扰主要是在电气设备操作时发生, 如合闸或分闸等,有时也会在伴随雷电发生或无 线电设备工作的瞬间发生。

3.干扰现象

干扰现象主要有以下几种:发指令时,电机 无规则地转动;信号等于零时显示仪表数值乱 跳;传感器工作时其输出值与实际参数所对应 的信号值不吻合,且误差值是随机的、无规律的; 当被测参数稳定的情况下,传感器输出的数值与 被测参数所对应的信号数值的差值为一稳定或呈 周期性变化的值;与交流伺服系统共用同一电源 的设备如显示器等工作不正常。

干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类: 信号传输通道干扰,干扰通过与系统相连的信号 输入通道、输出通道进入;供电系统干扰。

信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈 信号和发出控制信号的途径因为脉冲波在传输 线上会产生延时、畸变、衰减与通道干扰,所以 在传输过程中长线的干扰是主要因素。任何电 源及输电线路都存在内阻,这些内阻能产生电源 的噪声干扰。

此外,交流伺服系统驱动器本身也是较强的 干扰源它可以通过电源对其它设备进行干扰。

二、抗干扰的措施

1.供电系统的抗干扰技术

电网的尖峰脉冲干扰对传感器及仪器仪表的 正常工作运行具有极其严重的危害产生尖峰脉 冲干扰的用电设备主要有:电焊机、大功率电机、 可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯以 及电烙铁等。消除尖峰脉冲干扰可采用硬件和软 件相结合的方法来解决。

(1在硬件上常用的消除尖峰脉冲干扰的方法 有三种:在仪器仪表的交流电源输入端串入按频 谱均衡的原理设计的干扰控制器,将尖峰电压集 中的能量分配到不同的频率段上,从而削弱其对 仪器仪表的破坏性;在仪器仪表的交流电源输入 端加装超级隔离变压器,利用铁磁共振原理来抑 制消除尖峰脉冲干扰;在仪器仪表的交流电源输 入端并联上压敏电阻利用尖峰脉冲到来时压敏 电阻的电阻值减小以降低仪器仪表从电源分到的 电压,从而削弱尖峰脉冲干扰的影响。

(2利用软件方法来抑制消除尖峰脉冲干扰: 对于周期性的干扰,可以采用编程来进行时间滤 波,也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样 从而有效地消除干扰

(3采用硬件和软件相结合的看门狗Watch-dog 技术来抑制消除尖峰脉冲干扰的影响:在定 时器定时到来之前,CPU访问一次定时器,让定 时器重新开始计时,正常程序运行该定时器不会产生溢出脉冲,watchdog就不会发挥作用。一旦 尖峰脉冲干扰出现了 “飞程序CPU就不会在 定时到来之前访问定时器,因而定时信号就会出 ,从而引起系统自动复位中断确保仪器仪表 重新回到正常的程序上来。

(4实行电源分组供电,即将执行电机的驱动 电源与控制电源分开供电,以防止设备间的相互 干扰。

(5采用噪声滤波器将可以有效地抑制消除交 流伺服驱动器对其他设备的干扰。此方法对以上 几种干扰现象都可以有效地抑制。

(6采用隔离变压器来消除干扰。考虑到高频 噪声通过变压器主要不是依靠变压器初级和次级 线圈间的互感耦合,而是依靠变压器初级和次级 线圈间的寄生电容耦合的,因此隔离变压器的初 级和次级线圈之间均应采用屏蔽层隔离,以减少 其分布电容,从而提高仪器仪表的抗共模干扰的 能力。

(7采用抗干扰性能比较高的电源,如利用频 谱均衡法设计的高性能抗干扰电源。这种高性能 抗干扰电源抵抗随机干扰非常有效这种电源能 把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低的电压峰值 (电压峰值小于TTL电平的电压但是干扰脉冲 的能量不变,从而可以有效地提高仪器仪表及传 感器的抗干扰能力。

2.信号传输通道的抗干扰技术

信号传输通道的干扰可以应用光电耦合隔离 的措施来解决。在长距离传输过程中采用光电 耦合器,可以将控制系统与输入通道、输出通道 电路之间的联系以及伺服驱动器的输入通道、输 出通道电路之间的联系切断。如果在信号传输通 道电路中不采用光电隔离措施,外部的尖峰脉冲 干扰信号就会进入系统或直接进入伺服驱动系统 装置中产生第一种干扰现象。

光电耦合的主要优点是能够有效地抑制尖峰 脉冲干扰以及其他各种噪声干扰,使信号传输过 程中的信噪比得到大大地提高。噪声干扰虽然有 较大的电压幅度,但是能量很小只能够形成微 弱的电流,而光电耦合器输入部分的发光二极管 是在电流状态下工作的,其导通电流一般为 10mA'15mA,所以即使有幅度很大的干扰这种 干扰也会因为由于不能提供足够的电流而被抑制

消除掉。

其次,信号传输通道的干扰可以通过采用双 绞屏蔽线长线传输的措施来解决。信号在传输的 过程中也会受到电场、磁场以及地阻抗等干扰因 素的影响,因此,采用接地屏蔽线将可以极大地 减少电场的干扰。双绞屏蔽线与同轴电缆相比, 虽然其频带较差,但是其波阻抗较高,抗共模噪 声能力很强,使得各个小环节的电磁感应干扰能 够互相抵消。另外,在信号长距离传输的过程中, 一般均采用差分信号传输,这样可以提高信号的 抗干扰性能。 采用双绞屏蔽线长线传输可以有效 地对电磁感应干扰、漏电流感应干扰以及射频干 扰等干扰源进行抑制和消除。

3.局部误差的消除技术

在低电平的测量中,对于在信号传输路径中 所使用的威构成的材料必须给予严格的关注, 在简单的电路中遇到的焊锡、导线以及接线柱等 都有可能产生实际的热电势。由于它们经常是成 对地出现,因此尽量使这些成对的热电势保持在 相同的温度下是很有效的方法。两个不同厂家生 产的标准导线如镍铬一康铜线的接点可能产 0.2mV/C的温漂这相当于高精度低漂移的运 放管OP27C0的温漂也相当于是斩波放大器 7650CPA温漂的两倍。为此一般采用热屏蔽及 散热器沿等温线排列,或者将大功率电路与小功 率电路分开等办法来解决,这样做的目的是使热 梯度减小到最小。

此外,采用插座开关、接插件及继电器等形 式虽然能够使得更换电器元件以及组件方便一些, 但缺点是有可能产生接触电阻、热电势或者两者 兼而有之,其造成的后果是增加了低电平分辨率 的不稳定性,也就是说这种方法比直接连接系统 的分辨率要差、精度要低、噪声增加并且降低了 可靠性。因此,在低电平放大电路中应尽可能地 不使用插座开关、接插件这是减少电路故障、 提高精度的重要措施。

在微伏信号放大电路中,焊锡也可能成为低 电平的故障,因为在焊锡的焊点上也产生热电势。 因而,在微伏信号放大电路的输入电路中应采用 特殊的低温焊锡,比如kestErl544型焊锡甚至还 有这样的情况:必须在一条线路中将其一处仔细 地切断再用焊锡焊接起来以用于补偿另一条线路中搭接处或焊锡点上所产生的热电势。

4.接地问题的处理技术

在低电平放大电路中合理地使用接地”将 能够有效地抑制噪声的干扰,这是减少 噪声干扰的重要措施必须予以特别注意。 当使用单电源供给多个传感器或仪器仪表时,应 尽量减少接地电阻引起传入的干扰。如果供电电 源的压降必须减低到最小,则电源”端导线 也可以按以上相似的方法接线。对于有多个电源 以及多个传感器或仪器仪表的系统那么就需要考 虑得更多更全面一些一般来说不管电源是哪一 个供给的都要将地线汇集到同一个公共点上 然后再和系统的公共端连接在一起使得所有的 电源1上的负载都回到电源1的公共端上,所有 的电源2上的负载也都回到电源2的公共端上, 最后用一根粗导线将公共端连接在一起。在多个 电源的系统中可能需要进行判断性试验,以便 确定地线的连接方法,进而能够得到抑制消除干 扰最佳的解决方案。

为了便于信号的传输和变换DINIEC381 的标准中规定了允许的电流值与电压值。一般常 用的电压信号的电压值是0V -10V,电流信号的 电流值是0mA ~ 20m A4mA ~ 20m A,这些信号 通常都用于远距离的传输。电压信号在传输的过 程当中要受到很多诸如周围环境干扰及传输距离 等条件的制约,而电流信号在传输的过程当中干 扰对它的影响要小许多,因此在传输的过程当中 我们应尽量采用电流信号来进行信号的传输。在 测量的回路中如果有接地点,则在两个接地点之 间会产生电位差,这种电位差对测量的结果会产 生很大的影响因而应当尽量避免在测量的回路 中有接地点。但如果必须接地时,则此时就必须 将接地用回路隔离开来,以避免造成测量误差。

有源数字元器件在开和关时会在电源线上产 生一个快速瞬息的电流变化这个变化的电流在 导线电感上不仅会产生正的电压降而且还会产 生负的电压降。 这种电压的变化就会形成干扰在 主线路上传输。另外,在电源中的换向操作单元 如频率器等同样也会产生干扰,这个干扰作为 窄带频率能量通过耦合进入电源导线并传播,因 而连接在的电路必须将这些高频的干扰电压,通 过用低通滤波器的方法来滤除掉。

5.软件滤波的抗干扰技术

软件滤波技术是智能传感器以及智能仪器 仪表所独有的可以对包括频率很低的干扰信 号(如0.01H)在内的各种干扰信号进行滤波, 并且一个数字滤波程序能够为多个输入通道来 共同服务使用。通常使用的软件滤波方法分别 为:平均值滤波、中值滤波、限幅滤波以及惯 性滤波。

平均值滤波,这种方法即是把M次采样的自 述平均值作为滤波器的输出也可以根据需要 来增加新鲜采样值的比重,从而形成加权平均 值滤波。

中值滤波,这种方法即是把M次连续采样的 值进行排序,取这些采样值中的中位值来作为滤 波器的输出,这种方法对于缓变过程中的脉冲干 扰其滤波效果比较良好。

限幅滤波,这种方法是根据采样周期和真实 信号的正常变化率来确定相邻两次采样的最大可 能的差值△,并将本次的采样值与上次的采样值 的差值与值进行比较,其差值小于等于值的 信号被确认为是有效信号,而大于△值的信号则 被作为噪声来处理。

惯性滤波,这种方法是应用模拟PC滤波器的 数字实现,适用于波罢频繁的有效信号。

6.其他的抗干扰技术

目前其他的抗干扰技术还有:稳压技术、抑 制共模干扰技术以及软件补偿技术。

稳压技术,当前的智能传感器以及仪器仪表 开发当中常常使用的稳压电源有两种:一种是由 集成稳压芯片组成提供的串联调整电源,另一种 DC-DC稳压电源,这对于防止电网电压波动所 引起的干扰非常有效从而保障了仪器仪表的正 常工作。

抑制共模干扰技术,这种技术是运用差分放 大器,采用提高差分放大器的输入阻抗或者降低 信号源的内阻,从而就可以极大地降低共模干扰 的影响。

软件补偿技术这是目前普遍使用的技术

由于外界环境因素如温度、湿度变化等的影响, 从而可能引起某些参数发生变化,而造成偏差。 我们可以利用软件来根据外界环境因素的变化以 及所产生误差的曲线来进行修正,以除去干扰

三、小结

抗干扰是一个非常复杂而且实践性很强的课 题,一种干扰现象可能是由多种因素引起的,干 扰影响的因素不同则抗干扰的措施也不一样。 因此,在设计智能化传感器、仪器仪表以及测控 系统的过程中我们不仅应当预先采取抗干扰的 措施,而且在调试的过程中还应当时分析研究 遇到的干扰现象,对传感器以及仪器仪表的电路 原理,具体的布线、屏蔽和电源的抗扰动能力, 数字地或模拟地的处理以及防护形式不断改进, 从而提高传感器的可靠性和稳定性。