第7章 传器与检测系统的干扰抑制技术
测控系统原理第7章习题解答
测控系统原理第7章习题解答第7章习题解答1、电路输⼊阻抗⾼，是否容易接收⾼频噪声⼲扰?为什么?答：电路输⼊阻抗⾼，是容易接收⾼频噪声⼲扰。
因为电路所接收的⾼频噪声⼲扰的电压与噪声⼲扰的频率成正⽐，与电路的输⼊阻抗成正⽐。
2、接地⽅式有⼏种?各适⽤于什么情况?答：接地⽅式有单点接地（串联单点接地和并联单点接地）和多点接地两种⽅式。
单点接地主要⽤于低频系统，不能⽤于⾼频信号系统。
因为这种接地系统中地线⼀般都⽐较长，在⾼频情况下，地线的等效电感和各个地线之间杂散电容耦合的影响是不容忽视的。
当地线的长度等于信号波长(光速与信号频率之⽐)的奇数倍时，地线呈现极⾼阻抗，变成⼀个发射天线，将对邻近电路产⽣严重的辐射⼲扰。
多点接地⽅式多⽤于⾼频系统。
多点接地不能⽤在低频系统中，因为各个电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产⽣公共阻抗耦合噪声。
3、信号传输线屏蔽层接地点应怎样选择?答：当放⼤器接地⽽信号源浮地时，屏蔽层的接地点应选在放⼤器的低输⼊端，此时出现在放⼤器输⼊端之间的噪声电压⼏乎为零。
当信号源接地⽽放⼤器浮地时，信号传输线的屏蔽应接到信号源的低端，此时出现在放⼤器输⼊端之间的噪声电压⼏乎为零。
4、何谓“接地环路”?它有什么危害?应怎样避免?答：当信号源和系统地都接⼤地时，两者之间构成的环路称为接地环路，如下图所⽰, 通常信号源和系统之间的距离可达数⽶⾄数⼗⽶，由于⼤地电阻和地电流的影响，将使这两个接地点之间存在电位差——地电压G V 。
由等效电路下图（b ）可见，地电压G V 在系统的两输⼊端将形成⼲扰电压N V ，⽽且N V ⼤⼩⼏乎接近G V ，因此其影响不可忽略。
为了避免形成接地环路产⽣⼲扰，应改为⼀点接地，并保持信号源与地隔离，如上图（a ）所⽰。
图中Rsg 为信号源对地的漏电阻，由等效电路上图（b ）可见，由于Rsg ⾮常⼤，地电压G V 在系统的两输⼊端将形成⼲扰电压N V 将远远⼩于G V ，⽐信号源接地时的⼲扰电压⼤有改善。
测控原理第七章 干扰及干扰的抑制技术
噪声耦合方式 耦合是指干扰信号进入仪器仪表内部的途径。 静电耦合： 静电耦合又称电容性耦合，指两个电路之 间存在寄生电容,产生静电感应,使一个电路 的电荷变化影响到另一个电路。 可通过降低接受电路输入阻抗，合理布线，以 减小分布式电容的方法减小干扰。
电磁耦合
又称感性耦合指两个个电路之间存在互感,当 一个电路上的电流变化时,在另一个电路上引 起感应电压。 共阻抗耦合
电气设备噪声源
工频干扰： 市电电压的频率为50Hz，它会以电磁波的辐 射形式，对人们的日常生活造成干扰，我们 把这种干扰称之为工频干扰。 工频干扰会对电气设备和电子设备造成干扰， 导致设备运行异常。
射频干扰： 射频是一种高频交流电,也就是通常所说的电磁 波.射频干扰就是电磁波所带来的干扰.如两个频 率相差不多的电磁波会同时被接收机接收造成 干扰. 在离发射台近的地方会有谐波干扰.干扰 其他的接收设备.发射相同频率的电磁波可干扰 敌人的电台.
避免低频干扰
到一点接地
多极放大电路的一点接地方法
避免低频干扰
从串联接地
到一点并联接地
（2）传感器接口电路的接地方式
避免共模干扰
两点接地
一点接地
（3）检测系统与计算机系统的接地方式 低电平地线、功率地线和机壳屏蔽地线应分开设 置，但最后要汇集起来，通过专用地线与大地连接构 成“一点接地”的地线系统。
（3）电缆屏蔽层的接地：当一个不接地的信号源连接 一个接地的放大器，电缆屏蔽层接到放大器公共端。反之 应接到信号源公共端。 （4）屏蔽接地方式随屏蔽目的而不同。 3.常见电路及用电设备的接地方式 （1）印刷电路板内的接地方式: 低频电路一点接地 高频电路多点接地
单极放大电路的一点接地方法
从任意点接地
检测系统的抗干扰技术
• 引言 • 检测系统干扰来源 • 抗干扰技术分类 • 抗干扰技术在检测系统中的应用 • 抗干扰技术的发展趋势和未来展望
01
引言
背景介绍
检测系统在工业生产、医疗诊断、环 境监测等领域广泛应用，但在复杂的 环境中，检测系统容易受到各种干扰 的性能要 求越来越高，抗干扰技术成为保障检 测系统稳定运行的关键因素。
抗干扰技术的重要性
在复杂的环境中，抗干扰技术能 够提高检测系统的稳定性和可靠 性，保证测量结果的准确性和可
靠性。
抗干扰技术能够提高检测系统的 适应性和应用范围，使其在各种
恶劣环境下仍能正常工作。
抗干扰技术能够提高检测系统的 安全性和可靠性，避免因干扰引 起的误操作或故障对生产和生活
造成影响。
02
常见的抗干扰措施包括：电磁屏蔽、 滤波技术、接地技术、软件抗干扰等。
智能家居系统的抗干扰策略
智能家居系统的抗干扰策略主要是为了 保证家居设备的正常运行和数据传输的
稳定性。
常见的抗干扰策略包括：信号线屏蔽、 滤波技术、软件抗干扰等。
这些技术的应用能够有效地抑制外界电 磁噪声和电气噪声对智能家居系统的影 响，提高系统的稳定性和可靠性，提供
常见的抗干扰设计方法包括：信号线屏蔽、接地技术、滤波技术、隔离技术等。
这些技术的应用能够有效地抑制电磁干扰、电气噪声等对检测系统的影响，提高检 测系统的可靠性和稳定性。
医疗设备的抗干扰措施
医疗设备的抗干扰措施主要是为了保 证设备的正常运行和检测结果的准确 性。
这些技术的应用能够有效地抑制外界 电磁噪声和电气噪声对医疗设备的影 响，提高设备的稳定性和可靠性，保 障患者的安全。
扰。
通过增加系统的冗余量， 提高系统的容错能力， 降低因干扰导致的错误。
无线传感器中的电磁干扰抑制技术
无线传感器中的电磁干扰抑制技术在当今科技飞速发展的时代，无线传感器已经成为了众多领域中不可或缺的一部分。
从智能家居到工业自动化，从环境监测到医疗保健，无线传感器凭借其便捷性和灵活性，为我们的生活和生产带来了巨大的改变。
然而，在其广泛应用的同时，电磁干扰问题也逐渐凸显出来。
电磁干扰可能会导致传感器数据的不准确、传输的中断甚至整个系统的故障，严重影响了无线传感器的性能和可靠性。
因此，研究和应用有效的电磁干扰抑制技术显得尤为重要。
首先，我们需要了解一下什么是电磁干扰。
电磁干扰是指任何可能影响电子设备正常运行的电磁现象。
它可以来自外部源，如其他电子设备、电力线、无线电发射台等，也可以由设备内部的电路产生。
对于无线传感器来说，由于其工作环境的复杂性和无线传输的特性，更容易受到电磁干扰的影响。
那么，电磁干扰是如何影响无线传感器的呢？一方面，它可能会在传感器的接收端引入噪声，使得接收到的信号变得模糊不清，从而导致数据的错误解读。
另一方面，强烈的电磁干扰可能会直接阻塞传感器的无线传输通道，导致数据无法正常发送和接收。
此外，电磁干扰还可能会影响传感器的电源供应，造成供电不稳定，进而影响传感器的工作性能。
为了有效地抑制电磁干扰，我们可以从多个方面入手。
首先是硬件方面的措施。
在传感器的设计和制造过程中，选用具有良好电磁兼容性的电子元件和材料是至关重要的。
例如，使用屏蔽性能良好的导线和电缆，可以有效地减少外部电磁场对信号传输的影响。
此外，合理的电路板布局和布线也能够降低电磁干扰的产生和传播。
通过将敏感电路与干扰源分开，并尽量缩短信号线路的长度，可以减少信号的衰减和干扰。
滤波器的应用也是一种常见的电磁干扰抑制手段。
滤波器可以允许特定频率的信号通过，而将其他频率的干扰信号滤除。
在无线传感器中，通常会在电源输入端和信号传输线上安装滤波器，以去除电源中的杂波和信号中的干扰成分。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等，根据具体的干扰情况选择合适的滤波器类型可以有效地提高系统的抗干扰能力。
检测信号的干扰及其抑制技术
检测信号的干扰及其抑制技术一、检测信号的干扰电子测量系统在工作过程中，可能会出现某些不正常现象，例如输出不稳定、零点漂移、严重失真或超差等。
产生这些现象的原因，可能是电子测量系统本身电路结构、器件质量、制造工艺等存在问题，也可能是电子测量系统受外部的工作环境，如电源电压波动、环境温度变化或其他电气设备的影响等。
这些来自内部和外部、影响电子测量装置正常工作的各种因素，统称为“干扰”。
二、抗干扰的措施——防护为了消除或减弱各种干扰对电子测量系统正常工作的影响，必须采取必要的技术措施。
各种抗干扰的技术措施总称为“防护”。
防护的任务是消除或减弱各种干扰对电子测量系统正常工作的影响，防护的手段是设法割断或减弱电子测量系统与外界有害的联系，而同时又不同损害那些为了进行测量所需要的联系。
三、检测信号的抑制技术1.机械的干扰及抑制机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使电子测量系统中的电气或电子元件发生振动、变形，从而改变了系统的电气参数，造成了可逆或不可逆的影响。
对于机械的干扰主要采取减振措施来解决，例如使用减振弹簧或减振皮垫等。
2. 热的干扰及抑制电子测量系统在工作时产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化等，都会导致电路与元器件参数发生变化(温度漂移)，或产生附加的热电势等，从而影响系统的正常工作，这就是热的干扰。
对于热的干扰，工程上通常采取热屏蔽、恒温设备、对称平衡结构、温度补偿元件等措施来进行抑制。
3. 光的干扰及抑制在电子测量系统中广泛使用着各种半导体元器件，这些半导体材料在光线的作用下，会激发出电子-空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响电子测量系统的正常工作，这就是光的干扰。
因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内。
对于具有光敏作用的元件，尤其应该注意光的屏蔽问题。
4. 湿度变化的干扰及抑制湿度增加会使绝缘体的绝缘电阻下降、漏电流增加，会使高值电阻的阻值下降，会使电介质的介电常数增加，等等。
第7章 传感器与检测系统的干扰抑制技术
第7章传感器与检测系统的干扰抑制技术教学要求1．了解噪声干扰的来源及噪声的耦合方式。
2．掌握噪声的干扰模式。
3．掌握硬件和软件抗干扰技术。
教学课时8学时教学内容:7.1 噪声干扰的形成一、干扰与噪声噪声：任何不希望有的信号，即在有用频带内的任何不希望出现的干扰。
干扰的来源：系统内部干扰；系统外部的干扰形成干扰的三个条件：干扰源、干扰的耦合通道（耦合方式）、干扰的接收电路。
干扰的耦合方式包括电容性耦合（电路的寄生电容）、互感性耦合、公共地线的耦合、漏电耦合、辐射电磁场耦合等。
PN之比，通常用S/N表示，即在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。
7.1.1噪声源1．机械干扰机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。
2．湿度及化学干扰当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。
3．固有噪声干扰在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。
最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。
固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。
4．电、磁噪声干扰电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。
（1）自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。
后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。
（2）人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。
7.1.2噪声的耦合方式噪声要引起干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。
常见的干扰耦合方式主要有静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合和漏电流耦合。
传感器与检测技术：检测系统的抗干扰技术
为干扰电压。
U1
图10-3 漏电流耦合示意图
4．共阻抗耦合
➢ 共阻抗耦合是指两个或两个以上电路有公共阻抗时， 一个电路中的电流变化在公共阻抗上产生的电压。
➢ （1）电源内阻抗的耦合干扰
电
R
电
路 源
R 1
…
电 路 n
图10-4 电源内阻抗耦合示意图
（2）公共地线耦合干扰
U
A1
A2
A3
I3
R1
R2
R3
才
c
(d) 接电容后的等效电容器
图10-25 电源变压器静电屏蔽的等效电路
（2）变压器的漏磁及抑制措施
一次屏蔽
铁芯 二次屏蔽 二次绕组
铁芯
一
二
次
次
绕
绕
组
组
一次绕组
（a）带屏蔽层的 C 型铁芯变压器
（b）平衡绕法的 C 型铁芯变压器
图10-26 C型铁心变压器
铜皮
图10-27 屏蔽电源变压器
➢ 2. 电源滤波器
箔面作为屏蔽板。 ➢ 隔离仓是将整机金属箱体用金属板分隔成多个
独立的隔仓，从而将各部分电路分别置于各个 隔仓之内，用以避免各个电路部分之间的电磁 干扰与噪声影响。 ➢ 导电涂料是在非金属的箱体内、外表上喷一层 金属涂层。
➢ • 静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏 蔽体和良好的接地。
➢ • 电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求 屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导 电性要求要比静电屏蔽高得多。
（2）共地和浮地
➢ 如果系统地与大地绝缘，则该系统称为浮地系 统。浮地系统的系统地不一定是零电位。
➢ 如果把系统地与大地相连同。
70抗干扰技术PPT教学课件
2. 屏蔽技术 屏蔽技术是抑制电场、磁场耦合干扰的重要措施。根据干扰源的不 同可采用不同的屏蔽措施。
a) 静电屏蔽 为防止静电耦合干 扰，可用一层金属网将信号 导线包围起来, 这层金属网即 屏蔽层, 见图7-7。
b) 高频磁屏蔽 高频磁屏蔽是利 用导电性良好的金属箔将被 屏蔽的电路包围起来，其作 用是抑制高频电磁场的干扰。
1. 信号导线扭绞
由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路所包围的面 积大为减少，而且使两根信号导线到干扰源的距离大致相 等。分布电容也能大致相同， 所以能使由磁场和静电耦合进 入信号回路的串模干扰大为减小。 若把双绞信号导线屏蔽起来并将 屏蔽层接地, 将起到更好的抑制 串模干扰的效果， 见图7-6。
图7-6 信号线绞接、屏蔽和接地
第3页/共28页
7.1.2 干扰的耦合方式
• 各种干扰源所产生的干扰，必然要经过各种耦合通道进入测量电路而影响测量结果。换句话说，就是形成 干扰影响必须具备三个要素：干扰源、干扰的耦合通道、被干扰对象。因此研究和分析干扰的传输途径， 对于抑制和消除干扰的重要的，而切断干扰传输的途径是抑制、削弱干扰的重要手段之一。
不是瞬时值进行A/D转换的，只要采样时间T1是工频周期的整数倍，从理论上
来说对工频干扰具有无穷的抑制能力。
5.
注
意
信
号
导
线
远
U
离
动x
力
线
特别不允许信号导线与动力线平行敷设，从根源上
消除磁场耦合干扰。
第14页/共28页
7.2.2 共模干扰及其抑制技术
7.2.2.1 共模干扰 • 共模干扰又称为同相干扰或纵向干扰。 • 共模干扰是相对于公共的电位基准地（接地
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第7章传感器与检测系统的干扰抑制技术
➢教学要求
1．了解噪声干扰的来源及噪声的耦合方式。
2．掌握噪声的干扰模式。
3．掌握硬件和软件抗干扰技术。
➢教学课时8学时
➢教学内容:
7.1 噪声干扰的形成
一、干扰与噪声
噪声：任何不希望有的信号，即在有用频带内的任何不希望出现的干扰。
干扰的来源：系统内部干扰；系统外部的干扰
形成干扰的三个条件：干扰源、干扰的耦合通道（耦合方式）、干扰的接收电路。
干扰的耦合方式包括电容性耦合（电路的寄生电容）、互感性耦合、公共地线的耦合、漏电耦合、辐射电磁场耦合等。
PN之比，通常用S/N表示，即
在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。
7.1.1噪声源
1．机械干扰
机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。
2．湿度及化学干扰
当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。
3．固有噪声干扰
在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。
最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。
固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。
4．电、磁噪声干扰
电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。
（1）自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。
后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。
（2）人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。
7.1.2噪声的耦合方式
噪声要引起干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。
常见的干扰耦合方式主要有静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合和漏电流耦合。
1．静电耦合
2．电磁耦合
3．阻抗耦合
4．漏电流耦合
7.1.3噪声的干扰模式
1．差模干扰：当系统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串模干扰
2．共模干扰：如果干扰源对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同, 就属于共模干扰。
7.2 硬件抗干扰技术
7.2.1接地技术
接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。
这种地线也称为“保安地线”。
它的接地电阻值必须小于规定的数值。
对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。
它可以接大地，也可以与大地隔绝。
检测系统中地线的种类：
（1）信号地：指传感器本身的零电位基准线。
传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较为微弱，通常传感器安装在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的公共参考端就是信号源地线，它必须与测量装置进行正确的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。
（2）模拟地：模拟信号的参考点。
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。
（3）数字地：数字信号的参考点。
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往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜，否则会严重干扰模拟信号的测量结果。
（4）负载地：指大功率负载或感生负载的地线。
负载的电流一般都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。
例如，若误将喇叭的负极（接地线）与扩音机话筒的屏蔽线碰在一起，就相当于负载地线与信号地线合并，可能引起啸叫。
又如当负载是继电器时，继电器触点闭合和断开的瞬间经常产生电火花，容易反馈到前级，造成干扰，因此应正确连接。
（5）系统地：整个系统的统一参考电位，该点称为系统地。
以上5种类型的地线，接地方式有两种：
单点接地：有串联接地和并联接地两种，主要用于低频系统。
多点接地：高频系统中，通常采用多点接地方式，各个电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流排上。
7.2.2屏蔽技术
利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。
屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽和电磁屏蔽等几种。
根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。
1．静电屏蔽：能防止静电场的影响，可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。
2．电磁屏蔽：采用导电性能良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。
3．低频磁屏蔽：电磁屏蔽对低频磁场干扰的屏蔽效果很差，对低频磁场的屏蔽，要用导磁材料做屏蔽层，将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰。
4．驱动屏蔽：就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等，能有效抑制通过寄生
电容的耦合干扰。
7.2.3滤波技术
滤波器是一种允许某一频带信号通过，而阻止另一些频带通过的电子电路。
滤波就是保持需要的频率成分的振幅不变，尽量减小不必要的频率成分振幅的一种信号处理方法。
滤波器分为低通滤波器和高通滤波器。
1．低通滤波器
2．高通滤波器
7.3 软件抗干扰技术
7.3.1 数字滤波
数字滤波由软件算法实现，不需要增加硬件设备，只要在程序进入控制算法之前，附加一段数字滤波程序。
1．中位值法
2．平均值法
3．限幅滤波
7.3.2 软件冗余技术
进行软件设计时要考虑到万一程序“跑飞”，应让其自动恢复到正常状态下运行，冗余技术是常用的方法。
常用的冗余技术主要有指令冗余技术、数据和程序冗余技术。
7.3.3 软件陷阱技术
当乱飞程序进入非程序区或表格区时，采用冗余指令使程序入轨条件便不满足，此时可设定软件陷阱。
软件陷阱，就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。
7.3.4 “看门狗”技术
计算机受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。
当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，使失控的程序摆脱“死循环”。
“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合实现。