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各種電磁環(huán)境給稱重設(shè)備帶來的干擾及干擾的隔離和防護(hù)
各種電磁環(huán)境給稱重設(shè)備帶來的干擾及干擾的隔離和防護(hù)
【摘 要】 在電子電路的應(yīng)用過程中，或多或少的受到環(huán)境的電磁干擾，對于測控系統(tǒng)來說，一般表現(xiàn)為測量精度降低。針對這種情況我們往往采取各種手段來保證精度，但是在保證精度的同時(shí)系統(tǒng)也一直工作于存在各種惡劣電磁條件的環(huán)境中，造成部分設(shè)備損壞或者整個(gè)系統(tǒng)的損壞。本文簡要概述一下幾種電磁干擾的產(chǎn)生及進(jìn)入系統(tǒng)的途徑；幾種保證精度的方法及在保證精度的情況下存在的隱患；系統(tǒng)工作在有隱患的情況下如何最大程度的保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全。
引 言 實(shí)際的電子電路設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用中，總歸是依靠模擬信號和數(shù)字信號的運(yùn)算、處理和傳輸?shù)仁侄�，�?shí)現(xiàn)各種目的和功能。設(shè)備和系統(tǒng)的工作總是處在一定的電磁環(huán)境中的，不管這種環(huán)境是可以預(yù)期或者不能預(yù)期，設(shè)備和系統(tǒng)總是或多或少的受到一定程度的干擾，導(dǎo)致電路會產(chǎn)生不同程度的電壓變化。電壓變化的程度取決于電磁環(huán)境中干擾條件的強(qiáng)弱，以及系統(tǒng)對干擾防護(hù)能力的強(qiáng)弱。系統(tǒng)的抗干擾能力差往往會出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減等等，從而導(dǎo)致諸如測控系統(tǒng)精度降低、控制系統(tǒng)無法正常工作等等，一些不可預(yù)見的后果。以下對幾種電磁干擾情況中略提幾種，并針對電磁防護(hù)闡述個(gè)人觀點(diǎn)意見。一、ESD和感應(yīng)雷擊防護(hù)
ESD可以解釋為靜電釋放，同時(shí)它指的是靜電產(chǎn)生和防護(hù)的一個(gè)學(xué)科。靜電的產(chǎn)生可能是摩擦、極化等等，我們不做具體闡述。靜電的特點(diǎn)是凝聚時(shí)間長、電壓高，除開自然界的帶電云體之類的情況外，一般靜電蘊(yùn)含的電量都比較低，但是靜電的釋放往往發(fā)生在很短的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的脈沖來干擾或者破壞系統(tǒng)。
在實(shí)際使用中，自然界形成的雷電是最嚴(yán)厲的放電情況，放電的過程是帶電云體中蘊(yùn)含的電量一次性釋放的過程。這種帶電云體體積一般都相當(dāng)大，而水的電容系數(shù)為僅次于硫酸的81，因此帶電云體存儲的能量是非常大的，一次雷擊所釋放的能量也是相當(dāng)大的。當(dāng)電子設(shè)備和系統(tǒng)直接遭到雷擊時(shí)，設(shè)備的損壞幾乎是不可避免的，哪怕僅僅是有一些傳遞到系統(tǒng)的感應(yīng)雷擊都很難避免設(shè)備損壞。
1、系統(tǒng)的靜電防護(hù)
紅線A、B、C表示高壓輸送線路，高壓輸送線路一般都用鐵塔空架支撐，用以對幾十萬伏的交流電進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，這種情況下其經(jīng)常受雷擊是不可避免的；為了避免雷擊，一般都在高壓線路的上方平行架設(shè)一條地線，這條地線一般稱為避雷地線。所謂地線就是與大地相連的導(dǎo)線，當(dāng)打雷的時(shí)候，雷電首先會打到避雷地線上，避雷地線可把雷電引入地球，避免高壓輸送線路被幾億伏，乃至十幾億伏的雷電把發(fā)電機(jī)或變壓器的線圈與外殼擊穿，以及把與線路連接的其它電器設(shè)備遭受瞬間高壓沖擊而損壞。
避雷地線之外，發(fā)電機(jī)和變壓器的外殼也要接地，這種接地叫防護(hù)接地。防護(hù)地線與避雷地線兩者是不同的，防護(hù)地線與避雷地線的最大區(qū)別是，防護(hù)地的地線一般沒有電流通過，而避雷地的地線在打雷時(shí)有非常大的電流通過，電流可大于數(shù)十萬安培。避雷地的主要作用是把雷電高壓引入地球，以降低雷電高壓對電子設(shè)備的沖擊；而防護(hù)接地則是讓設(shè)備外殼的電位與地球相同，避免設(shè)備內(nèi)部電路在強(qiáng)電場之下感應(yīng)帶電產(chǎn)生位移電流，以及人體觸摸電子設(shè)備外殼時(shí)不會觸電。因此，兩者要做完全分開的兩個(gè)不同的接地端。
雖然避雷地線和電子線路中的地線都要接地，但是兩者一定分開兩個(gè)完全不同的接地端。
（1）汽車衡的避雷地線架設(shè)
相對于高壓輸電線路，雖然一般汽車衡受到雷擊的可能性要小很多，但是汽車衡作為安裝在室外的金屬設(shè)備，還是有一定概率受到感應(yīng)雷擊或者雷擊的，特別是在一些雷電高發(fā)的地區(qū)的雷雨季節(jié)，避雷地線的架設(shè)還是能起到一定作用的。
要求現(xiàn)場電源已經(jīng)有良好接地樁，將秤臺良好接到此地線上。在離開原來接地樁一定距離再打一個(gè)接地樁作為避雷地，在需要防護(hù)的秤臺上空單獨(dú)架設(shè)避雷地線。
（2）感應(yīng)雷擊防護(hù)
與高壓輸電線路不同的是，汽車衡是安裝在地表的設(shè)備，高度十分有限，如果是地下衡，衡器的高度都不會超過地表，所以受到直接雷擊的可能性很小，但是受到周邊感應(yīng)雷擊的可能性就要大很多。這個(gè)時(shí)候，衡器上方的避雷地線并不能起到很好的防護(hù)作用，因?yàn)楦袘?yīng)雷擊可能來自各個(gè)方向。
假設(shè)，整個(gè)汽車衡安裝在一個(gè)金屬殼體內(nèi)部，這個(gè)金屬殼體具備通過一個(gè)無限大電流的能力且良好連接在避雷地上，汽車衡的防護(hù)地和避雷地通過有一定距離的大地連接在一起，那么整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的抗雷擊能力。
實(shí)際上我們做不到這樣的一個(gè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，我們退而求其次，在可能受到感應(yīng)雷擊的幾個(gè)方向，
有針對性的架設(shè)幾條避雷地線。期望架設(shè)好的這幾條避雷地線就可以將這幾個(gè)方向的感應(yīng)雷擊直接導(dǎo)入大地，從而達(dá)到理想的效果。
2、稱重顯示器的接地
汽車衡作為一種測控系統(tǒng)，稱重顯示器是信號的處理和控制設(shè)備，對于信號線上竄入的靜電會有一定的反應(yīng)，強(qiáng)度比較低的會引起稱量不準(zhǔn)，達(dá)到一定強(qiáng)度是更會損壞整個(gè)儀表，因此信號的傳輸一般都選用屏蔽線。當(dāng)顯示器直接受到靜電干擾時(shí)，同樣的也會帶來不好的影響。某些情況下，我們也會選擇將顯示器內(nèi)部地線直接接到信號的屏蔽和地線上。對于靜電干擾來說，這種處理方法是很有效果的，因?yàn)殪o電都是在地線和屏蔽上流過，不會進(jìn)入模擬電路和數(shù)字電路。但是顯示器一般設(shè)計(jì)為弱電下工作，就算靜電僅僅在地線和屏蔽上流過，強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，比如達(dá)到雷擊的強(qiáng)度，能量會直接通過電弧的形式進(jìn)入模擬電路和數(shù)字電路，依然不可避免的會損壞顯示器。因此當(dāng)雷雨天氣的時(shí)候要斷開顯示器所有的信號線，不管安裝在室內(nèi)還是室外，雷擊的能量都會通過連接線損壞儀表。
3、避雷地線和防護(hù)地線直接連接帶來的問題
如果沒有避雷地線，雷擊和感應(yīng)雷擊一般通過金屬秤臺進(jìn)入防護(hù)地線，再竄入系統(tǒng)造成設(shè)備損壞。避雷地線的目的是在雷擊和感應(yīng)雷擊進(jìn)入防護(hù)地線之前將能量通過避雷地線直接導(dǎo)入大地。避雷地線在保護(hù)系統(tǒng)的同時(shí)，避雷地線受到雷擊的可能性也會大很多，這時(shí)候避雷地線和防護(hù)地線的連接就很關(guān)鍵，如果兩者直接連接，避雷地線引導(dǎo)的能量在導(dǎo)入大地之前會直接傳入系統(tǒng)，反而會大大增加系統(tǒng)損壞的可能性。
因此避雷地線的架設(shè)必須通過一個(gè)單獨(dú)的地樁，或者通過其他方式保證避雷地線引導(dǎo)的能量不會傳入系統(tǒng)。
二、傳導(dǎo)干擾
傳導(dǎo)干擾是指干擾信號通過信號線或公共電源線進(jìn)行傳輸，互相產(chǎn)生干擾。比如使用吸塵器時(shí)，收音機(jī)會出現(xiàn)啪啦啪啦的雜音，其原因是吸塵器的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微弱的低強(qiáng)度高頻率電壓、電流通過電源線傳遞入收音機(jī)，以雜音的方式放了出來。
1、共模干擾和差模干擾
類似RS485這種用兩根通信線的電壓差傳輸信號的方式，除了兩根通信線以外，還存在著第三導(dǎo)體作為參照，485的差分電壓傳輸就是以地作為參照。導(dǎo)線上的干擾通過兩根信號線作為往返傳輸?shù)穆窂�，這種就是差模干擾；導(dǎo)線上的干擾通過兩根信號線作為去路，而以作為參照的地線為返回路徑就是共模干擾。
2、來自于電源的傳導(dǎo)
電源線上的傳導(dǎo)同樣可以分為兩類：在火線和零線之間流動(dòng)的干擾電流就是差模干擾電流，在火線、零線與地之間流動(dòng)的干擾電流就是共模干擾電流。
每一個(gè)回路就相當(dāng)于一個(gè)感應(yīng)線圈，C1、C2、C3、C4是各主要部分的對地電容或?qū)?/SPAN>
機(jī)殼的電容，R1、R2、R3是地電阻或機(jī)殼的電阻（機(jī)殼接地）；i1、i2、i3、i4是開關(guān)電源電路中幾個(gè)主要部分的回路電流�？梢钥闯�，i1、i2、i3 之間具有代數(shù)和的關(guān)系，因此只要3個(gè)電流中有一個(gè)電流的高頻諧波對其它電路產(chǎn)生干擾，那么3個(gè)電流都會對其它電路產(chǎn)生干擾，這種不通過地線的干擾是差模信號干擾。
i4通過磁感應(yīng)產(chǎn)生，與i1、i2、i3沒有直接連接，因此i1、i2、i3的傳導(dǎo)不會傳到到i4，i4只有自身產(chǎn)生的差模信號干擾才會傳入U0。但它可能會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的共模信號干擾，i4產(chǎn)生共模信號干擾的主要回路一個(gè)是通過對地電容C4。
i5、i6、i7、i8，這四個(gè)回路電流通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，且經(jīng)過電容與大地相連，因此i5、i6、
i7、i8這四個(gè)回路電流全部都屬于共模信號干擾電流。
（1）電源的傳導(dǎo)的處理
在產(chǎn)品的線路設(shè)計(jì)階段，要注意的是盡量減少每個(gè)電流回路的有效面積，這是最有效的方法，
即便是工作在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，也可以讓大部分影響互相抵消。
當(dāng)最終產(chǎn)生在變壓器輸出端的干擾，需要通過濾波和屏蔽的方式來處理。相對來說，低頻干擾對設(shè)備產(chǎn)生的影響是比較有限的，但在高頻階段，所帶來的影響是不能忽視的。這個(gè)時(shí)候我們在變壓器的輸出端加上一個(gè)磁環(huán)作為低通濾波，僅通過低頻干擾，將高頻的傳導(dǎo)干擾去除。
在設(shè)備的電源輸入端我們會加上幾個(gè)對地電容，來消除不同頻率的傳導(dǎo)干擾，大電容消除低頻高能量的毛刺，小電容去除高頻低能量的毛刺，這里所說的高頻頻率比前面所說的低通濾波去除的高頻要低很多。
對于差模干擾來講，傳播的原理是通過兩根相鄰的導(dǎo)線傳導(dǎo)，并且電流大小相等，電流方向相反，這個(gè)時(shí)候它們產(chǎn)生的磁力線可以互相抵消，因此很多時(shí)候差模干擾的影響要小很多。
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、來自于接口的傳導(dǎo)接口的傳導(dǎo)干擾與電源類似，只是干擾的載體變成了信號線，比如前面介紹的RS485通訊方式：用兩根通信線的電壓差傳輸信號，以地作為第三導(dǎo)體參照物。與電源上的傳導(dǎo)不同的是，信號線的干擾不是由電源帶進(jìn)來的干擾，而大多是由輻射的方式耦合進(jìn)通訊的線路中，再竄入設(shè)備的。竄入設(shè)備的方式有以兩根信號線作為往返傳輸?shù)穆窂交蛘咭詢筛盘柧�作為去路，而以作為參照的地線作為返回路徑。
（1）接口傳導(dǎo)干擾的處理
用在防護(hù)電源帶來的傳導(dǎo)干擾的幾種措施，大部分也可以用到接口帶來的傳導(dǎo)干擾的防護(hù)上。
在通訊接口靠近設(shè)備的一端，加上磁環(huán)作為低通濾波，去除高頻干擾。在進(jìn)入儀表的時(shí)候選擇合適的電容來消除相對高頻的干擾。
此外，雙絞線是防護(hù)信號線上傳導(dǎo)干擾的一種重要手段，雙絞線是由兩條相互絕緣的導(dǎo)線按照一定的規(guī)格互相纏繞在一起來傳輸同一路信號的一種配線，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，從而達(dá)到防護(hù)傳導(dǎo)干擾的作用。不管是模擬信號的傳輸還是數(shù)字信號的傳輸，雙絞線都有很好的效果。
接口是信號傳輸途徑的一部分，當(dāng)接口傳輸?shù)氖菙?shù)字信號的時(shí)候，我們可以通過光電的手段來保證信號傳輸途徑上完全的電氣分離。我們知道傳導(dǎo)的干擾一定要通過導(dǎo)線來傳導(dǎo)，當(dāng)信號線的電氣連接完全分離是，傳導(dǎo)干擾無法進(jìn)入設(shè)備，從而達(dá)到完全去除傳導(dǎo)干擾的目的。
三、輻射干擾
電磁輻射是一種客觀存在的物理現(xiàn)象，當(dāng)電荷、電流隨時(shí)間變化時(shí)，在其周圍會激發(fā)起電磁波。在電磁波向外發(fā)射的過程中，會有一部分能量隨著電磁波輸送過去。在實(shí)際運(yùn)用中，一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)必定會向外發(fā)射一定的電磁輻射，在電磁輻射發(fā)射范圍內(nèi)，每個(gè)閉合的電路通路都會對電磁輻射產(chǎn)生反應(yīng)，帶來電荷的流動(dòng)，從而形成干擾。
輻射干擾就是指這種電路中的能量以電磁波的形式在空間傳播，然后通過接收體耦合到電路中形成干擾的一種方式。輻射干擾的傳播方式可以在一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，也可以從一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪粋�(gè)電路網(wǎng)絡(luò)。
1、輻射干擾對PCB的影響
假設(shè)電路處在一個(gè)輻射電磁場中時(shí)，每一個(gè)回路都會發(fā)送感應(yīng)電荷的流動(dòng)，形成干擾電流。輻射的強(qiáng)度越大，這種電路的強(qiáng)度也越大；輻射的頻率越高，這種感應(yīng)電流就非常不穩(wěn)定。
一個(gè)隨時(shí)在變化的很大的干擾電流對電路網(wǎng)絡(luò)的影響非常大，尤其是作為信號采集的模擬電路，會導(dǎo)致采集的信號完全偏離實(shí)際值，造成系統(tǒng)癱瘓。如果除了信號采集系統(tǒng)中還有相應(yīng)的控制功能，那么很可能會帶來更為嚴(yán)重的后果。
2、變壓器產(chǎn)生的輻射
變壓器在電磁轉(zhuǎn)換過程中，工作效率不可能100%，因此，也會有一部分能量損失，
其中的一部分能量損失就是因?yàn)楫a(chǎn)生漏磁。變壓器的漏磁是非常重要的一種干擾途徑，產(chǎn)生的干擾是非常嚴(yán)重的，這些漏磁通穿過其它電路的時(shí)候，也會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。
變壓器產(chǎn)生的漏磁通穿過其它電路時(shí)，在其它電路中也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其中漏磁通M1、M2、M3、M4產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e1、e2、e3、e4屬于是差模干擾信號；M5、M6、M7、M8產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e5、e6、e7、e8屬于是共模干擾信號。
3、由天線耦合進(jìn)系統(tǒng)的輻射干擾
輻射的干擾是一種通過耦合方式進(jìn)入電路的，耦合是電磁波通過天線將能量轉(zhuǎn)換為電流的過
程，輻射對PCB的影響就是電磁波將PCB上的線路做為天線耦合進(jìn)電路的。雖然我們不希望輻射對系統(tǒng)帶來影響，但是系統(tǒng)裸露在外的通信線是很好的接受輻射干擾的天線，不可避免的會受到輻射的影響，然后通過傳導(dǎo)的方式進(jìn)入系統(tǒng)。
4、輻射的防護(hù)
對于電子電路來說，減小回路面積的效果是相當(dāng)好的。減小回路面積有一種簡單的方法，就是在信號線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號線，這樣就形成了較小的回路面積。信號上產(chǎn)生共模干擾電流時(shí)肯定會取道這個(gè)面積最小的回路，而不是其它地線路徑。如果是雙層線路板，應(yīng)該在線路板的反面盡可能多的布滿地線。特別是緊靠近信號線的下面，布滿地線以后就形成了一個(gè)比較小的回路面積，回路面積等于線路板的厚度乘以信號線的長度。
通訊線上帶來的輻射干擾可以通過與防護(hù)傳導(dǎo)干擾類似的手段來防護(hù)。比如使用雙絞線，雙絞線除了可以抑制自身的傳導(dǎo)干擾向外輻射外，也能很好的抑制接收到的輻射干擾，如果使用帶屏蔽的雙絞線就能達(dá)到更好的效果。通訊線上的輻射干擾防護(hù)還可以通過光纖通信的方式，光纖通信可以完全杜絕輻射干擾。通訊線的輻射干擾雖然是耦合在通訊線上的，但是需要傳導(dǎo)的方式進(jìn)入設(shè)備，通訊線上的輻射干擾防護(hù)也可以通過光電隔離方式完全隔離。
上面說過，變壓器的漏磁也是非常重要的一種干擾途徑，針對這種干擾，可以從處理輻射干擾的角度出發(fā)，用銅箔片在變壓器外圍進(jìn)行磁屏蔽，從而降低電源上傳導(dǎo)干擾的強(qiáng)度。從原理上來說，銅箔片不是導(dǎo)磁材料，對漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但銅箔片是良導(dǎo)體，交變漏磁通穿過銅箔片的時(shí)候會產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場方向正好漏磁通的方向與相反，是部分漏磁通被抵消，銅箔片也可以起到磁屏蔽的作用。
四、各種抗干擾方式的問題
避雷地線的架設(shè)難度大、成本高，架設(shè)的過程也比較復(fù)雜，如果架設(shè)存在問題反而會增加受到雷擊的可能性。
防護(hù)地的接地可能帶來的是來自于防護(hù)地本身的干擾，比如防護(hù)地和避雷地直接連接是非常危險(xiǎn)的，另外防護(hù)地沒有良好接地的情況下，防護(hù)地很可能會有很強(qiáng)的干擾。
使用雙絞線時(shí)，信號的傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制。使用光纖的成本非常之高，光纖的架設(shè)也是非常復(fù)雜的工程，而且光纖很容易受到破壞。
使用光電隔離的手段時(shí)，雖然可以減小干擾的影響，同時(shí)存在干擾的事實(shí)被隱藏了起來，可能造成系統(tǒng)的損壞，隔離的電路部分可能更容易損壞。
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