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排除机械电子设备中电气干扰的主要措施

时间:2019-01-09分类:机械

  电子设备是指由集成电路、晶体管和电子管等电子元器件组成的,应用电子技术软件发挥作用的设备。在机械电子设备运行中会出现各种各样的干扰,在这些干扰中,电气干扰最为常见,其广泛存在于遥控器和传感器的使用过程中,这常使技术人员感到困惑。电气干扰一般包括电源干扰和电磁干扰,在此介绍几种常用的抗干扰措施。

特种设备安全技术

  《特种设备安全技术》杂志,原名《锅炉压力容器安全技术》;1979年创刊。它是行业领域内创刊时间最早、最专业的安全技术杂志。

  机械电子设备一般包括控制器,传感器,执行机构等部分组成。机械电子设备在当前有着广泛应用,实际运行时,很容易受到干扰,比如电气干扰,在现实中发生率极高且影响很大。电气干扰具有多发性、随机性的特点。电气干扰也是最让技术人员头疼的技术问题之一。若不及时处理,可能会导致机器异常,使用寿命缩短,甚至机器被毁,对周围人员的人身安全构成威胁。因此,必须加强此方面的研究,深入了解电气干扰的来源、传播方式、影响等,继而采取有效的应对之策。电气干扰一般包括电源干扰和电磁干扰,电源干扰是由于电压产生电流干扰机械设备的运行,因此其传播是需要通过导线进行的。电源干扰是一种很复杂的干扰,产生的原因是多样的,并包括了许多可变的因素,反映出干扰的形式也是多种多样。由于电源干扰发电压较小,因此电源干扰会随着导线的延长而逐渐减小。电磁干扰进入设备的方式可分为二大类、即传导和辐射。在此介绍几种常用的抗干扰措施。

  1滤波抗干扰

  该方法主要是通过滤波器对信号中特点波段频率予以滤除,从而达到抑制电气干扰传输的目的,多用于抑制低频和中频干扰。所以,滤波器是一种能够对波进行过滤的器件,包括电容、电感、电阻等几部分。按照信号频段可将其分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器,按照处理的信号可分为模拟滤波器和数字滤波器。不同的滤波器,所处理的范围也不相同,比如高通滤波器主要抑制低频干扰,而低通滤波器则主要抑制高频分量和干扰。这就要求,采用此方法时,必须要提前清楚干扰源的频谱和干扰波的幅值等信息,一般可以使用专业的干扰仪器进行检测,然后根据实际情况选择最为适宜的滤波器并合理运用。

  以馈通滤波器为例,在金属面板上应用较多,比如雷达、通讯设备等,能够有效地抑制高频谐波。随着现代科技的发展,机械电子设备的工作环境更加复杂,电磁干扰频率不断增高,必须做好高频滤波的准备。馈通滤波器的优势在于,高频滤波效果较好,可保护屏蔽体不被穿透。其电路结构有多种,如π形、C形、T形,其中C形就是常说的穿心电容器。使用馈通滤波器,最常见的方法就是将其直接安装在屏蔽体的面板上,另外还可以安装在电路之间的隔离板上,或者安装于线路板的地线层。市场上有螺纹安装、焊接式安装两大类产品,前者方便简单,容易操作,使用较多;后者虽能节省空间,整体性能的可靠性高,但焊接时产生的过高温度,可能会损坏滤波器。

  2屏蔽抗干扰

  屏蔽抗干扰是抗电磁干扰的重要方法,此方法理解起来较为容易,即利用屏蔽体减少或阻止电气干扰的传输,阻止外部干扰进入,同时限制内部的电磁能量越出某个区域。实际生活中,隔离和衰减辐射的场合应用较多,所谓屏蔽体,多为导电性能良好的金属材料制成的全封闭的壳体。

  屏蔽干扰又分为电屏蔽、磁屏蔽,电屏蔽指的是空腔金属导体处于静电平衡状态时,导体内部的场强和腔内的场强都为零,此时安置在腔内的物体不受外界电场干扰,又叫静电屏蔽。在静电屏蔽中,屏蔽体必须接地,常见的使用方法是,直接在电容耦合通道安插接地的金属屏蔽导体,导体接地,干扰电压为零,能够将原来形成干扰的耦合通道隔断。

  关于磁屏蔽,电气干扰的一个重要干扰源就是磁干扰,其运行时会产生磁场,该磁场一般是随时间不断变化的,对电路干扰非常严重。电磁屏蔽通常是指对于高频电磁场的屏蔽,电磁波在传输过程中遇到阻挡层便会被衰减或限制,从而起到电磁屏蔽的效果。与静电屏蔽不同,屏蔽体是否接地对电磁屏蔽影响不大,但屏蔽体的导电连续性对电磁屏蔽效果影响极大。所以,一旦屏蔽体的导电连续性被破坏,其屏蔽效果便会大幅降低,裂口、缝隙等都常常会破坏屏蔽体的导电连续性,比如电脑机箱上的通风口、显示窗等。为解决这些问题,在处理缝隙时多会选择使用电磁密封衬垫,如导电布、指形簧片、金属丝网衬垫等,选择时需综合產品的屏蔽效能、回弹力、压缩永久性变、最小密封压力、最大形变量等指标考虑。

  3接地抗干扰

  有效的接地是保证机械电子设备工作稳定性和设备安全的重要因素,电力系统和电气装置中的中性点、电气设备的外露导电部分和装置外导电部分经由导体与大地相连,被称为接地,有保护接地、防雷接地、工作接地几种。该技术的关键在于,避开地环电流干扰,比如一点接地;另外还要降低公共地线阻抗的耦合干扰,常见的方式为一点接地加并联接地。

  不同领域的接地有区别,工业控制系统中所说的接地,未必是与大地连接,悬浮同样可以,比如直流接地,悬浮状态只要与大地绝缘,同样能起到一样的抗干扰效果。直流地悬浮能够有效地将交流网的干扰隔离开,且操作方便,在工业系统中应用较多,不足之处在于机器设备易带静电,如果静电的电位高出了一定值,极有可能会损坏器件,甚至引发安全事故。若直流地悬浮和大地之间的绝缘电阻减小,可能会有更多的干扰形成。

  实际上,现代工业控制系统中各通道的信号频率大都较低,所以这里的分析以低频范围为主。如图1(a)所示,为串联接地方式,其中有3个电路,分别有其对应的电流流向接地点。而地线有电阻,这就导致最终流向的接地点的电位并不是零,继而引起各电路间的相互干扰,且其信号强度如果不同,强信号电路必然会对弱信号电路造成严重的干扰。解决方法是降低公共地线的阻抗,使其满足抗干扰容限的要求,并调整串联次序,只有如此才能把干扰降至最低,但这种方案并不适用于工业控制。而图1(b)为并联接地方式,在工业控制系统中应用较多,同样也有3个电路,但因为是并联接地,每个电路的电位与其自身的地线阻抗有关,彼此之间不会干扰。另外,选择地线时尽量选粗一些,可在一定程度上降低3个电路间的地电位差,之后在传输信号时,地线环流的干扰就不会太大。

  4电气隔离

  导线是电源和电磁干扰的主要传播途径,电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰。例如,某个实际电路工作的环境较差,容易造成接地等故障。如果不采用电气隔离,直接与供电电源连接,一旦该电路出现接地现象,整个电网就可能受其影响而不能正常工作。采用电气隔离后,该电路接地时就不会影响整个电网的工作,同时还可通过绝缘监测装置检测该电路对地的绝缘状况,一旦该电路发生接地,可以及时发出警报,提醒管理人员及时维修或处理,避免保护装置跳闸停电的现象发生。

  以信号隔离为例,其目的是把引进的干扰通道切断,使测控装置与现场仅保持信号联系,不直接发生电的联系。工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。比如光电隔离,是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源,输出端配置受光器,因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器后,由于光电耦合器的隔离作用,使夹杂在输人开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。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耦合,具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

  5其他方法

  机械电子设备种类繁多,应用范围甚广,虽然质量不断提升,但电气干扰难以彻底避免。除了以上的几种方法,在安装电子设备时还应注意科学布局,选择合适的地方,远离磁场较强或者静电较强的区域,确保周围环境安全,没有太多的干扰。正如前面所说,干扰源主要为电源干扰、电磁干扰,若远离干扰源,受到辐射的影响必然会减少,而且导线越短,收到的輻射越小。因此还要适当缩短设备之间的连线,达到降低辐射的目的。

  此外,选择合适的信号传递方式也是提高设备抗干扰能力、排除机械电子设备电气干扰的重要手段。针对机械电子设备所在的系统,设计阶段就要把抗干扰考虑进去,采取抗干扰性较强的信号传递技术,就目前而言,数字型和电流型信号应用非常广,与模拟信号相比,数字信号的抗干扰能力明显更强,适合传递信号。电气干扰中的电磁干扰主要是影响信号电缆,产生共模电压,为解决这一问题,可选择电流型信号传递方式,它在传输过程中不会出现在同一回路中各点电流不一致的问题。

  光纤的优势不言而喻,用以传递信号,不但容量大、传播速度快,而且有着良好的抗干扰性。如今,数字信号、电平信号的传输更多,使用光纤传输,信号以光速传播,其抗干扰能力比电缆传输信号更强更经济。再有就是使用绞线,利用其绞扭节距,可以把信号线分成若干小回路,若双绞线的绞扭一致,小回路的方向相反,所受到的电气干扰便会抵消。若绞线加一层屏蔽,抗干扰能力也会提升。

  6结束语

  电气干扰主要通过电和磁造成干扰,在机械电子设备中较为常见,一旦设备受到干扰,轻则影响正常运行,重则设备损坏,甚至会造成人员伤亡事故,必须予以重视,尽可能地把所有干扰都排除掉。但至于如何降低或限制干扰,对技术要求很高,需根据具体的情况分析干扰源、传输途径,并选择相应的方法。

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