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硬件抗干扰技术Hardwareanti-interferencetechnology*******（合肥工业大学,安徽合肥230069）(HefeiTechnologyUniversity,Hefei230069,China)摘要：干扰问题是机电一体化系统设计和使用过程中必须考虑的问题。在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网波动、高压设备开关的电磁辐射等，当它们产生干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者降低了系统的精度；重者会造成设备损坏或人身伤亡。为了提高抗干扰能力，通常使用抑制干扰源和对产品抑制外来干扰的方法。本文则鉴于上述问题，简单地介绍了几种硬件抗干扰技术，主要有屏蔽技术、滤波技术、隔离技术和接地技术等。关键词：硬件抗干扰；屏蔽；滤波；隔离；接地中图分类号：TP360文献标识码：AAbstract:Theinterferenceprobleminmechatronicssystemdesignandtheuseoftheprocessmustbeconsidered.Inmechatronicssystemsworkenvironment,therearealotofelectromagneticsignals,suchaspowerfluctuations,highvoltageswitchingdeviceelectromagneticradiation,etc.Whentheyinterferewithshock,theytendtodisruptthenormaloperationofthesystem,reducingthesystem'slightaccuracy;severecasescancauseequipmentdamageorpersonalinjury.Inordertoimproveanti-jammingcapability,theproductisusuallythesourceofinterferenceandexternalinterferencesuppressionmethodusingsuppressed.Thispaper,simplyintroducesseveralhardwareanti-jammingtechnology,mainlyshieldingtechnology,filteringtechniques,isolationandgroundingtechnology.Keywords:hardwareanti-interference;shielding;filtering;grounding;isolation.0引言抗干扰技术在维护系统环境稳定，保障工作人员人身安全方面起着重要作用。虽然抗干扰技术中的软件抗干扰技术不需要增加硬件投资，使用灵活，修改方便[1]，但它的抗干扰能力与硬件比还有少许不足。硬件抗干扰由于工作稳定，使用寿命长，抗干扰能力强等优点，从而被各大企业工厂广泛使用。下文将对典型的硬件技术一一进行介绍。1屏蔽技术屏蔽技术是抑制电、磁场干扰的重要措施，正确的屏蔽可抑制干扰源（如变压器等干扰源），或阻止干扰进入仪表内部。屏蔽可以分为以下几类：一、静电屏蔽，即电场屏蔽，可防止电场耦合干扰。二、电磁屏蔽，即利用导电性能良好的金属在磁场中产生的涡电流效应来防止高频磁场的干扰。三、磁屏蔽，即采用高导磁材料，防止低频磁场干扰。1.1静电屏蔽静电屏蔽是指在静电场的作用下，导体内部各点的电位是相等的，即在导体内无电力线。它的具体原理是：如果将导体放在电场强度为E的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这就是静电感应现象。由于导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场，电场强度为E内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于E外和E内的叠加，等大反向的电场叠加而互相抵消，使得导体内部总电场强度为零。当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再定向移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。由此可推知，处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时，内部也将没有电场。这样，导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为静电屏蔽。因此根据静电屏蔽的原理可知：若将金属屏蔽盒接地，则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部。1.2电磁屏蔽电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰。它是采用导电性良好的低电阻金属材料，利用高频电磁场能在屏蔽导体内产生涡电流，再利用涡电流产生的反磁场来抵消高频干扰磁场，从而达到磁屏蔽的效果。电磁屏蔽的机理是：a、当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上电磁屏蔽材料应用阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续；b、未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收；c、在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。总之，电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。因此根据电磁屏蔽的机理，将屏蔽罩接地，其目的便是为了兼顾静电屏蔽。电磁屏蔽罩的材料必须选择导电性良好的低电阻金属，如铜、铝或镀银铜板等。1.3磁屏蔽由于电磁屏蔽对低频磁场干扰的屏蔽效果不好，因此，对低频磁场的屏蔽，要用高磁导率材料做屏蔽罩，使干扰磁力线在屏蔽罩内构成回路，屏蔽罩外的漏磁通很少，从而抑制低频磁场的干扰作用。磁屏蔽罩要选择高磁导率的铁磁材料，如坡莫合金等，并且要有一定厚度，以减小磁阻。2滤波技术滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。常用滤波器根据其频率特性又可分为低通、高通、带通、带阻等滤波器。低通滤波器只让低频成分通过，而高于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。高通滤波器只通过高频成分，而低于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。带通滤波器只让某一频带范围内的频率成分通过，而低于下截止和高于上截止频率的成分均受抑制，不让通过。带阻滤波器只抑制某一频率范围内的频率成分，不让其通过，而低于下截止和高于上截止频率的频率成分则可通过。在机电一体化系统中，常用低通滤波器抑制由交流电网侵入的高频干扰。计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V工频电源通过截止频率为50Hz的滤波器，，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器。由无源元件电阻、电容电感组成的滤波器为无源滤波器；由电阻、电容电感和有源元件（例如晶体管、线性运算放大器）组成的[2.3.4.]为有源滤波器。图(一)便是几种常见使用的滤波电路。图（一）2.1无源滤波器(1)电容滤波器。电容Ｃ的电抗与频率有关。滤波器的电容要具有耐压高、绝缘好、温度系数小和自谐振频率高等特性。(2)电感滤波器。电感Ｌ的电抗与频率有关。滤波器中的电感器件应在负载电流情况下具有不饱和、温度系数小和直流电阻低等性质。为了避免负载电流使电感发生饱和，可选用共模扼流圈或不易饱和的磁心线圈。电感线圈有两种，即常模扼流圈和共模扼流圈。2.2有源滤波器“有源”顾名思义便是该装置需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！其中应用最多的是由电阻、电容和运算放大器组成了ＲＣ有源滤波器。ＲＣ有源滤波器可做成混合型集成电路，体积小。该滤波器的谐振频率由ＲＣ网络参数任意设定，网络的损耗由运算放大器补偿。同时可做成高品质因数，当Ｑ值一定时，谐振频率可调。因此，ＲＣ有源滤波器是当前应用较多的一种滤波器。3隔离技术信号隔离的目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的[5]。3.1光电隔离光耦合器是70年代发展起来产新型器件，光电隔离是由光电耦合器件来完成的。现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行间接耦合，信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高，故光耦隔离具有较高的电气隔离和抗干扰能力[6.7.8.]。图（二）是一种非常典型的光耦隔离电路。图（二）3.2继电器隔离继电器线圈和触点仅有机械上形成联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接受电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。实际使用中，继电器隔离指适合于开关量信号的传输。系统控制中，常用弱电开关信号控制继电器线圈，使继电器触电闭合和断开。而对应于线圈的触点，则用于传递强电回路的某些信号。隔离用的继电器，主要是一般小型电磁继电器或干簧继电器。3.3变压器隔离变压器隔离的作用：使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。用隔离变压器使二次对地悬浮，只能用在供电范围较小、线路较短的场合。此时，系统的对地电容电流小得不足以对人身造成伤害。还有一个很重要的作用就是保护人身安全，隔离危险电压。随着电力系统的不断发展，变压器作为电力系统中的关键设备起着日益重要的作用，它的安全运行直接关系到整个电力系统运行的可靠性.变压器线圈变形是指线圈在受力后，发生的轴向、幅向尺寸变化、器身位移、线圈扭曲等情况。造成变压器线圈变形的主要原因有二个：一是变压器运行中难以避免地要受到外部短路故障冲击：二是变压器在运输吊装过程中发生意外碰撞。4接地技术抗干扰接地处理的主要内容：（1）避开地环电流的干扰；（2）降低公共地线阻抗的耦合干扰。“一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于４Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地