详谈传感器抗干扰设计

随着电子技术和集成电路的迅速发展，机电一体化类传感器产品的应用越来越广泛，使用密度越来越高，相互干扰愈加严 重，对传感器类产品可靠性要求越来越高，抗干扰设计技术尤为关键。

传感器的工作环境严重的影响着传感器的正常运行，包括宽温区的工作环境温度变化、强烈的机械振动、盐雾及电磁场的干扰等，来自于各类工作环境因素对传感器产生各种干扰，有的是有规律的干扰，有的具有随机性。其中，电磁场环境因素变化带来的干扰，对传感器的稳定性和可靠性有着较大的影响。

在传感器的各类工况中，存在大量的电磁干扰因素，各种高压电器设备、高压开关等都会产生强的磁场变化影响，使传感器周围磁场的发生改变，带来的电磁干扰严重影响着传感器的稳定性和可靠性。因此传感器的抗干扰设计中电磁抗干扰设计尤为重要。

干扰的形成三要素为干扰源、传播途径和接受载体。电磁干扰按干扰三要素方式分以下三种:  

第一种是传导干扰，是通过电源、电缆，布线系统、接地系统等引起的串扰。

第二种是辐射干扰，在兆赫以上的高频辐射就比较明显，当导线长度超过四分之一波长时，辐射功率则相应增大。

第三种是感应及耦合引起的干扰。 

针对以上传导、辐射和感应及耦合等不同的干扰方式，可以采取不同的抗干扰技术，切断或屏蔽干扰源，具体方法如下:

1.1.1 抗电磁干扰方法

抗电磁干扰方法主要有三种:消除和抑制干扰源、切断干扰耦合通道、消除接受载体的敏感性。 

机电一体化类传感器一般由敏感元件和电路处理部分组成，包括结构设计和电路设计，结构抗干扰设计，主要是针对辐射干扰采取措施。电路抗干扰设计，主要是针对传导干扰和感应及耦合干扰采取措施。

1.1.2 结构抗干扰设计技术

从传感器结构上，一般情况下，针对辐射干扰，一般采用屏蔽抗干扰技术:

屏蔽抗干扰技术是利用屏蔽体切断或抑制干扰耦合通道的一种结构措施，针对干扰源不同种类可分为电场类、磁场类和电磁场类三种。电磁类屏蔽按屏蔽的方式包括静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。

静电屏蔽：目的是抑制寄生电容带来的耦合，使电路由于分布电容泄露出来的电磁能量经屏蔽接地而不至于串入其他电路，从而使干扰得到抑制。一般情况下，屏蔽体采用低阻率材料制作。

磁屏蔽：针对一些低阻抗源如变压器、线圈及示波器、显示器，必须选用合适的电导率和高磁导率材料进行屏蔽。基本方法是用高导磁材料，如铁镍合金、镍铅合金、纯铁和铜等做屏蔽材料。

电磁屏蔽：对高频电磁辐射的屏蔽，采用铁磁性材料或非铁磁性材料的金属材料，对电磁场的反射和吸收损耗;也可以使用导电橡胶、金属薄膜加柔性材料;也可对辐射或敏感部分加局部屏蔽，对电源线缆、控制线缆的加屏蔽。

1.1.3 电路抗干扰设计技术

1.1.4 软件抗干扰设计

如果有软件时，可在软件中加入自恢复抗干扰设计技术。包括软件滤波技术、软件“陷阱”技术和软件“看门狗”技术。

由于使用环境复杂，许多机电一体化类传感器在工作现场受干扰严重，出现稳定性差、偏差大等现象，多是由于安装不当引起，使传感器容易受到信号干扰，因此现场安装尤为重要，应注意以下几个方面:

现场安装中，地线的处理非常重要。首先要将直流地和交流地分离，避免相互间的干扰;其次，逻辑地悬空;再次是传感器壳体良好的接地，必要时，将数字地和模拟地分离。

由各种电源的频繁开关、瞬间通断等带来的电磁干扰非常严重，瞬间干扰的量值多高达几百伏，有的甚至可达到千伏以上，而且干扰的频率带很宽。传感器的供电电源的选择也尤为重要，通常根据具体的工况电源内部采取不同的抗干扰措施。通常针对不同频段采用不同的抗干扰方式:例如，在20千赫到100兆赫频段的干扰用压敏电阻来抑制干扰，20千赫以下频段采用隔离变压器减少干扰;采用交流稳压措施来减弱交流电网变化对传感器带来的干扰;增大电源的功率裕量来削弱直流电源波动带来的干扰，一般裕量选取0.5~1倍。还可在电源外部设置屏蔽罩等措施来减少由电源给传感器带来的扰动，提高传感器的工作稳定性。

传感器所在的整个系统应合理分布，能使相互间抗干扰减弱，甚至可以消除干扰。首先是使易受干扰的传感器远离干扰源，其次是使不同电平的电缆分别排布，减少相互间的干扰。

传感器的安装位置也应慎重选择，比如精密传感器应远离有强冲击的场所，弱电传感器放置应避开强电磁干扰，减少传导距离，比如测量温度类传感器应安装到能快速感受温度的位置，避免长距离的传导干扰带来的测量误差等。并且注意布线的接触电阻及牢固性，使各引线接口接触良好，保证安装质量，提高传感器所在系统的可靠性及电磁兼容性，使传感器的测量准确度和稳定性得到保障。

结论:机电一体化类传感器的抗干扰能力，是确保其可以长期、稳定、可靠工作的一个重要环节，因此在实际应用中，针对各种现场环境，要充分考虑到各种因素的影响，并在设计中采取一定的抗干扰技术措施，使传感器的电磁兼容性满足其要求，并达到一个较理想的工作状态。