摘要：本文分析了影響模擬傳感器小信號(hào)處理精度的干擾根源、干擾種類以及干擾現(xiàn)象，給出了實(shí)際應(yīng)用中的各種抗干擾措施。
關(guān)鍵詞：模擬傳感器；小信號(hào)處理；抗干擾措施


一、前言

模擬傳感器的應(yīng)用非常廣泛，不論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防建設(shè)，還是在日常生活、教育事業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，處處可見(jiàn)模擬傳感器的身影。但在模擬傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，都有一個(gè)如何使其測(cè)量精度達(dá)到最高的問(wèn)題。而眾多的干擾一直影響著傳感器的測(cè)量精度，如：現(xiàn)場(chǎng)大耗能設(shè)備多，特別是大功率感性負(fù)載的啟停往往會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾；工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過(guò)壓（涉縣鋼鐵廠供電電壓在160V～310V波動(dòng)），常常達(dá)到額定電壓的35％左右，這種惡劣的供電有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天；各種信號(hào)線綁扎在一起或走同一根多芯電纜，信號(hào)會(huì)受到干擾，特別是信號(hào)線與交流動(dòng)力線同走一個(gè)長(zhǎng)的管道中干擾尤甚；多路開(kāi)關(guān)或保持器性能不好，也會(huì)引起通道信號(hào)的竄擾；空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì)干擾傳感器的正常工作；此外，現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野外的風(fēng)沙、雨淋，甚至鼠咬蟲(chóng)蛀等都會(huì)影響傳感器的可靠性。模擬傳感器輸出的一般都是小信號(hào)，都存在小信號(hào)放大、處理、整形以及抗干擾問(wèn)題，也就是將傳感器的微弱信號(hào)精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(如1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計(jì)制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來(lái)的某些問(wèn)題，即抗干擾問(wèn)題。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式，設(shè)計(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施，才能達(dá)到應(yīng)用模擬傳感器的較佳狀態(tài)。

二、干擾源、干擾種類及干擾現(xiàn)象

傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析，對(duì)不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則。這種靈活機(jī)動(dòng)的策略與普適性無(wú)疑是矛盾的，解決的辦法是采用模塊化的方法，除了基本構(gòu)件外，針對(duì)不同的運(yùn)行場(chǎng)合，儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾、提高可靠性。在進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前，有必要分析影響模擬傳感器精度的干擾源及干擾種類。

1、 主要干擾源

（1）靜電感應(yīng)
靜電感應(yīng)是由于兩條支電路或元件之間存在著寄生電容，使一條支路上的電荷通過(guò)寄生電容傳送到另一條支路上去，因此又稱電容性耦合。
（2）電磁感應(yīng)
當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路中電流的變化就會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)耦合到另一個(gè)電路，這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導(dǎo)線等。
（3）漏電流感應(yīng)
由于電子線路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印刷電路板、電容內(nèi)部介質(zhì)或外殼等絕緣不良，特別是傳感器的應(yīng)用環(huán)境濕度較大，絕緣體的絕緣電阻下降，導(dǎo)致漏電電流增加就會(huì)引起干擾。尤其當(dāng)漏電流流入測(cè)量電路的輸入級(jí)時(shí)，其影響就特別嚴(yán)重。
（4）射頻干擾
主要是大型動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)、操作停止的干擾和高次諧波干擾。如可控硅整流系統(tǒng)的干擾等。
（5）其他干擾
現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)除了易受以上干擾外，由于系統(tǒng)工作環(huán)境較差，還容易受到機(jī)械干擾、熱干擾及化學(xué)干擾等。

2、干擾的種類

（1）常模干擾
常模干擾是指干擾信號(hào)的侵入在往返2條線上是一致的。常模干擾來(lái)源一般是周圍較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，使儀器受周圍交變磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)形成干擾，這種干擾較難除掉。
（2）共模干擾
共模干擾是指干擾信號(hào)在2條線上各流過(guò)一部分，以地為公共回路，而信號(hào)電流只在往返2個(gè)線路中流過(guò)。共模干擾的來(lái)源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差、線路本身具有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài)，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾，就較難除掉了。
（3）長(zhǎng)時(shí)干擾
長(zhǎng)時(shí)干擾是指長(zhǎng)期存在的干擾，此類干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長(zhǎng)期存在且變化不大，用檢測(cè)儀表很容易測(cè)出，如電源線或鄰近動(dòng)力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50 Hz工頻干擾。
（4）意外的瞬時(shí)干擾
意外瞬時(shí)干擾主要在電氣設(shè)備操作時(shí)發(fā)生，如合閘或分閘等，有時(shí)也在伴隨雷電發(fā)生或無(wú)線電設(shè)備工作瞬間產(chǎn)生。
干擾可粗略地分為3個(gè)方面：
（a）局部產(chǎn)生（即不需要的熱電偶）；
（b）子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合(即地線的路徑問(wèn)題)；
（c）外部產(chǎn)生（Bp電源頻率的干擾）。

3、干擾現(xiàn)象

在應(yīng)用中，常會(huì)遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象：
（1）發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無(wú)規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng)；
（2）信號(hào)等于零時(shí)，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳；
（3）傳感器工作時(shí)，其輸出值與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值不吻合，且誤差值是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)律的；
（4）當(dāng)被測(cè)參數(shù)穩(wěn)定的情況下，傳感器輸出的數(shù)值與被測(cè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈周期性變化的值；
（5）與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備(如顯示器等)工作不正常。

干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類：信號(hào)傳輸通道干擾，干擾通過(guò)與系統(tǒng)相聯(lián)的信號(hào)輸入通道、輸出通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾。

信號(hào)傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)器接收反饋信號(hào)和發(fā)出控制信號(hào)的途徑，因?yàn)槊}沖波在傳輸線上會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾，所以在傳輸過(guò)程中，長(zhǎng)線的干擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒(méi)有內(nèi)阻，無(wú)論何種噪聲都會(huì)被電源短路吸收，線路中也不會(huì)建立起任何干擾電壓；此外，交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器本身也是較強(qiáng)的干擾源，它可以通過(guò)電源對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾。



三、抗干擾的措施

1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等。尖峰干擾可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來(lái)抑制。

（1）用硬件線路抑制尖峰干擾的影響
常用辦法主要有三種：
①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性；
②在儀器交流電源輸入端加超級(jí)隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖；
③在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來(lái)時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。
（2）利用軟件方法抑制尖峰干擾 　
對(duì)于周期性干擾，可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波，也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣，從而有效地消除干擾。
（3）采用硬、軟件結(jié)合的看門狗（watchdog）技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響 　
軟件：在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪問(wèn)一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，正常程序運(yùn)行，該定時(shí)器不會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì)起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”，則CPU就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問(wèn)定時(shí)器，因而定時(shí)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)，從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷，保證智能儀器回到正常程序上來(lái)。
（4）實(shí)行電源分組供電，例如：將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分開(kāi)，以防止設(shè)備間的干擾。
（5）采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其它設(shè)備的干擾。該措施對(duì)以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。
（6）采用隔離變壓器
考慮到高頻噪聲通過(guò)變壓器主要不是靠初、次級(jí)線圈的互感耦合，而是靠初、次級(jí)寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初、次級(jí)之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，以提高抵抗共模干擾能力。
（7）采用高抗干擾性能的電源，如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效，它能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓峰值（電壓峰值小于TTL電平）的電壓，但干擾脈沖的能量不變，從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗干擾能力。

2、信號(hào)傳輸通道的抗干擾設(shè)計(jì)

（1）光電耦合隔離措施
在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，采用光電耦合器，可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、輸出通道以及伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入、輸出通道切斷電路之間的聯(lián)系。如果在電路中不采用光電隔離，外部的尖峰干擾信號(hào)會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)裝置，產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。
光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，使信號(hào)傳輸過(guò)程的信噪比大大提高。干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度，但是能量很小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，一般導(dǎo)通電流為10mA～15mA，所以即使有很大幅度的干擾，這種干擾也會(huì)由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。

（2）雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸
信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)和地阻抗等干擾因素的影響，采用接地屏蔽線可以減小電場(chǎng)的干擾。雙絞線與同軸電纜相比，雖然頻帶較差，但波阻抗高，抗共模噪聲能力強(qiáng)，能使各個(gè)小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。另外，在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，一般采用差分信號(hào)傳輸，可提高抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現(xiàn)象中的（2）、（3）、（4）種干擾的產(chǎn)生。

3、局部產(chǎn)生誤差的消除
在低電平測(cè)量中，對(duì)于在信號(hào)路徑中所用的(或構(gòu)成的)材料必須給予嚴(yán)格的注意，在簡(jiǎn)單的電路中遇到的焊錫、導(dǎo)線以及接線柱等都可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢(shì)。由于它們經(jīng)常是成對(duì)出現(xiàn)，因此盡量使這些成對(duì)的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效的措施，為此一般用熱屏蔽、散熱器沿等溫線排列或者將大功率

本儀器為降水量測(cè)量一次儀表，其性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11832-2002《翻斗式雨量計(jì)》要求。

本儀器的核心部件翻斗采用了三維流線型設(shè)計(jì)，使翻斗翻水更加流暢，且容易清洗。

本儀器為精密型雙翻斗式雨量計(jì)，使用過(guò)程中要定期維護(hù)、清洗翻斗和引水漏斗出水口。

本儀器出廠時(shí)已將翻斗傾角調(diào)整、鎖定在傾角位置上，安裝儀器時(shí)只需按照本說(shuō)明書(shū)要求安裝翻斗和調(diào)整底座水平即可投入使用，且不可現(xiàn)場(chǎng)再調(diào)整翻斗傾角調(diào)整螺釘。

安裝和調(diào)整

3.1  開(kāi)箱檢查    

（1）認(rèn)真閱讀產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)，對(duì)照裝箱單清點(diǎn)設(shè)備附件是否齊全。

（2）檢查儀器外觀是否損傷，尤其注意防止碰傷翻斗軸的軸尖及翻斗兩端的引水尖，并且不要用手指觸摸翻斗的內(nèi)壁污損翻斗。

3.2     制作安裝水泥臺(tái)   

室外地面或屋頂安裝時(shí)，應(yīng)先制作水泥臺(tái)。水泥臺(tái)露出地平面高度為22cm，尺寸為：長(zhǎng)40cm×寬40cm，其上平面為水平面。地面安裝時(shí)，承雨口高度距地平面的距離應(yīng)為70cm。

3.3  安裝固定儀器、調(diào)整承雨口水平

先在水泥臺(tái)上打3個(gè)直徑φ12mm深8～10cm的安裝孔，安裝孔位于Φ240mm的圓周上呈120^o均分，將膨脹螺栓置于安裝孔內(nèi)，將儀器底座安裝在3個(gè)膨脹螺栓上，用水平尺檢查承雨口水平后，用鎖緊螺母鎖緊三個(gè)支腳，然后取下儀器外筒備用。

3.4  安裝傳輸信號(hào)線

將信號(hào)傳輸電纜從機(jī)房引出穿過(guò)防護(hù)管引至水泥臺(tái)，再穿過(guò)底座過(guò)線孔與輸出端子相連接。

3.5  安裝翻斗

   （1）拆下一個(gè)翻斗軸尖支承備用    對(duì)照附圖辨認(rèn)翻斗軸尖支承，用手輕提一個(gè)軸尖支承的手柄旋轉(zhuǎn)90度從支架安裝孔中將軸尖支承輕輕拉出備用。

（2）安裝翻斗    用一只手拿翻斗，使翻斗置于支架的中心部位，翻斗上2個(gè)磁鋼面對(duì)干簧管，將翻斗軸尖輕輕地插入寶石軸承孔內(nèi)，用另一只手將已取下的軸尖支承裝入支架安裝孔內(nèi)，直至軸尖進(jìn)入到寶石軸承孔中，再將軸尖支承的手柄向下旋轉(zhuǎn)90度翻斗即告安裝完畢。安裝好的翻斗應(yīng)能靈活自如地轉(zhuǎn)動(dòng)。

注意：進(jìn)行本項(xiàng)操作時(shí)一定要使翻斗軸始終保持在水平狀態(tài)，以免折彎軸尖！

3.6  安裝排水漏斗

對(duì)照附圖辨認(rèn)排水漏斗，將兩個(gè)排水漏斗安裝在底座的安裝孔中，并稍用力向下壓緊。

3.7  調(diào)整支架水平、安裝外筒

    在3個(gè)穹頂螺母N1、N2、N3均保持在未鎖緊狀態(tài)下，分別調(diào)整調(diào)高螺母M1、M2、M3的高度，使水平泡中的氣泡居于中心位置，然后鎖緊穹頂螺母N1、N2、N3，再次觀測(cè)水平泡居中即可。然后安裝儀器不銹鋼外筒、并鎖緊外筒鎖緊螺釘，儀器即可投入使用。

3         故障現(xiàn)象及排除

本表列出了儀器可能發(fā)生的一般故障現(xiàn)象、原因及故障排除方法。、

中心站表現(xiàn)形式	雨量傳感器故障	解決方法
降雨時(shí)收不到數(shù)	說(shuō)明雨量傳感器無(wú)信號(hào)輸出或傳輸線故障 1、干簧管失效 2、磁鋼與干簧管距離過(guò)遠(yuǎn) 3、焊線脫落或信號(hào)線斷 4、翻斗卡住 5、儀器堵塞	下測(cè)站檢查 1、更換干簧管 2、調(diào)整干簧管距離 3、修復(fù) 4、排除 5、清除堵塞
降雨時(shí)收到雨量數(shù)據(jù)與比測(cè)雨量計(jì)相差較大	1、雨量傳感器翻斗翻轉(zhuǎn)傾角失調(diào)，但這種誤差一般不超過(guò)±10% 2、磁鋼與干簧管位置不佳，造成時(shí)好時(shí)壞，以致部分信號(hào)遺漏 3、數(shù)據(jù)采集器防抖動(dòng)功能失效 4、比測(cè)雨量計(jì)與系統(tǒng)雨量傳感器相隔較遠(yuǎn)或有強(qiáng)風(fēng)	1、重新滴定調(diào)整傾角   2、調(diào)整距離   3、調(diào)整防抖動(dòng)電路參數(shù) 4、客觀原因，非儀器故障
不斷來(lái)雨量數(shù)，而實(shí)際情況沒(méi)下雨	檢查插座是否浸水，這種現(xiàn)象往往在下大雨后易發(fā)生	處理進(jìn)水，重新安裝