第8章电气测量中的抗干扰技术 8.1电气测量干扰的三要素 任何干扰模型中都存在干扰源、干扰耦合途径和受扰对象三个方面，电气测量中的干 扰干扰问题也不例外。分析电气测量中的干扰问题，就可以从干扰源、干扰耦合途径和受 扰对象三个方面来展开。而抗干扰的总体原则是：首先从干扰源着手，应尽可能消除干扰 源或减小降低干扰源的干扰水平，其次是要提高测量和控制系统的抗干扰能力，还可以采 取经济可行的手段减小干扰源和测量系统的耦合程度。 8.1.1干扰源 电气测量中主要的干扰源可以概括为以下2大类类： ①电压型干扰源：高电压或功率斩波电压的 ②电流型干扰源：大电流和功率斩波电流 上面提到的“功率斩波”包含两层含义：首先是有一定的功率，其次是电压或电流的 变化率很大。例如，高频数字电路中电压脉冲是斩波电压信号，而非功率脉冲，其辐射范 围和强度很有限，干扰性较弱。再比如，电力电子电路中，功率回路中斩波开关元件IGBT 或MOSFET在执行开关操作时，就产生了功率斩波电压或功率斩波电流，它们分别会产生 很强的电场干扰和磁场辐射，是两种非常典型的电气干扰源。 8.1.2干扰耦合途径 不同的干扰源会通过不同的耦合途径干扰测量装置或电子电路。 电压型干扰源的耦合途径：干扰源节点导体通过空间电场或杂散电容与附近电路中的 导体发生电容耦合，干扰电流从干扰源节点穿透杂散电容耦合到附件导体上，这种电流如 耦合到独立的测量装置内部电子电路中，形成的则是共模干扰电流。 电流型干扰源的耦合途径：通过空间磁场或互感与周围的测量回路发生电磁交链，在 受扰回路中产生互感电动势，该互感电动势属于差模性质的干扰。 8.1.3受扰对象
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 8.1 电气测量干扰的三要素 任何干扰模型中都存在干扰源、干扰耦合途径和受扰对象三个方面，电气测量中的干 扰干扰问题也不例外。分析电气测量中的干扰问题，就可以从干扰源、干扰耦合途径和受 扰对象三个方面来展开。而抗干扰的总体原则是：首先从干扰源着手，应尽可能消除干扰 源或减小降低干扰源的干扰水平，其次是要提高测量和控制系统的抗干扰能力，还可以采 取经济可行的手段减小干扰源和测量系统的耦合程度。 8.1.1 干扰源 电气测量中主要的干扰源可以概括为以下 2 大类类： ① 电压型干扰源：高电压或功率斩波电压的 ② 电流型干扰源：大电流和功率斩波电流 上面提到的“功率斩波”包含两层含义：首先是有一定的功率，其次是电压或电流的 变化率很大。例如，高频数字电路中电压脉冲是斩波电压信号，而非功率脉冲，其辐射范 围和强度很有限，干扰性较弱。再比如，电力电子电路中，功率回路中斩波开关元件 IGBT 或 MOSFET 在执行开关操作时，就产生了功率斩波电压或功率斩波电流，它们分别会产生 很强的电场干扰和磁场辐射，是两种非常典型的电气干扰源。 8.1.2 干扰耦合途径 不同的干扰源会通过不同的耦合途径干扰测量装置或电子电路。 电压型干扰源的耦合途径：干扰源节点导体通过空间电场或杂散电容与附近电路中的 导体发生电容耦合，干扰电流从干扰源节点穿透杂散电容耦合到附件导体上，这种电流如 耦合到独立的测量装置内部电子电路中，形成的则是共模干扰电流。 电流型干扰源的耦合途径：通过空间磁场或互感与周围的测量回路发生电磁交链，在 受扰回路中产生互感电动势，该互感电动势属于差模性质的干扰。 8.1.3 受扰对象
·240· 电气及电子测量技术 显然，本课程中所讨论的一般受扰对象是电气测量装置。现代电气测量中广泛使用各 种数字化的测量装置，这类装置从电路上看，本质上都是由模拟调理电路和数字逻辑电路 构成的。其中数字逻辑电路的抗干扰能力比模拟调理电路强很多，模拟调理电路中最易受 干扰的则通常是小信号放大电路。该放大电路的输入回路是变化磁场耦合的对象，其输入 通道则是共模穿透电流的必经之路。 8.2电容耦合及其抗干扰对策 8.2.1电容耦合 图8-1中画出了一个由传感器、连接导线A和B、测量仪器构成的一个“独立”的测 量系统。图中的测量仪器采用了最常见的金属外壳保护接地而内部测量电路浮地的电气设 计，测量电路只画出了前置运算放大器，这也符合绝大多数测量设备的设计。 高电压或功率斩波电压 仪器外壳 ic=C*du/dt 图81电压型干扰源通过电容耦合测量系统示意图 当一根交流高压导体或功率脉冲电压导体位于该测量系统附近时，下面分别从电场和 电路两个角度来分析干扰源和测量系统是如何发生耦合的。 首先从空间电场的角度来分析干扰源和测量系统的耦合。通常，交流高压线在对地电 压为U,在高压线和大地间建立了电场E,定性分析时，认为E等于电压U和高压线距离 地面的高度h的比值，即E=U。处于该电场中的测量电路的某个导体的电位Ux正比于电 场强度E和其距地面高度的乘积。在该电压Ux的作用下，会产生对地的电流。 再从电路的角度来分析两个系统的电容耦合效应。干扰源导体、测量仪器导体以及它 们之间的空气介质就构成了分布式的杂散电容（图8-1中的CA,CB),并且干扰源导体与输 入信号线A、B平行布置时，由于这种布置相当于电容器极板有效面积为最大，所以杂散电 容也最大。当两个导体间的交流电压或脉冲发生变化时，从电路上理解，就有电容电流穿
·240· 电气及电子测量技术 显然，本课程中所讨论的一般受扰对象是电气测量装置。现代电气测量中广泛使用各 种数字化的测量装置，这类装置从电路上看，本质上都是由模拟调理电路和数字逻辑电路 构成的。其中数字逻辑电路的抗干扰能力比模拟调理电路强很多，模拟调理电路中最易受 干扰的则通常是小信号放大电路。该放大电路的输入回路是变化磁场耦合的对象，其输入 通道则是共模穿透电流的必经之路。 8.2 电容耦合及其抗干扰对策 8.2.1 电容耦合 图 8-1 中画出了一个由传感器、连接导线 A 和 B、测量仪器构成的一个“独立”的测 量系统。图中的测量仪器采用了最常见的金属外壳保护接地而内部测量电路浮地的电气设 计，测量电路只画出了前置运算放大器，这也符合绝大多数测量设备的设计。 传 感 器 CB CA A +Vcc • • • Ce 高电压或功率斩波电压 仪器外壳 iC=C*du/dt B 图 8-1 电压型干扰源通过电容耦合测量系统示意图 当一根交流高压导体或功率脉冲电压导体位于该测量系统附近时，下面分别从电场和 电路两个角度来分析干扰源和测量系统是如何发生耦合的。 首先从空间电场的角度来分析干扰源和测量系统的耦合。通常，交流高压线在对地电 压为 U，在高压线和大地间建立了电场 E，定性分析时，认为 E 等于电压 U 和高压线距离 地面的高度 h 的比值，即 E=U/h。处于该电场中的测量电路的某个导体的电位 Ux正比于电 场强度 E 和其距地面高度的乘积。在该电压 Ux的作用下，会产生对地的电流。 再从电路的角度来分析两个系统的电容耦合效应。干扰源导体、测量仪器导体以及它 们之间的空气介质就构成了分布式的杂散电容（图 8-1 中的 CA，CB），并且干扰源导体与输 入信号线 A、B 平行布置时，由于这种布置相当于电容器极板有效面积为最大，所以杂散电 容也最大。当两个导体间的交流电压或脉冲发生变化时，从电路上理解，就有电容电流穿
第8章电气测量中的抗千扰技术 ·241· 透空间分布电容流向测量电路，电压变化率越大，电容电流越大，耦合作用越强。 所以，电气测量系统虽然与干扰源没有显性的电气连接，但不同的电气系统间存在电 场或分布电容耦合，在强电环境下，这种耦合更不容忽视。 在图8-1中，由于空间分布电容的耦合，从干扰源导体出发的电流穿透耦合电容进入受 扰对象，在受扰对象的两个输入端，穿透电流双路并进且幅值基本一致，属于共模性质的 电流。由于电流具有沿闭合回路流通的属性，所以该电流还会寻找出一条阻抗最低的路径 (图中杂散电容Ce最大的路径)返回其源头。 电容耦合不仅在高压差的电气系统之间表现得很明显，在高速开关（包括半导体开关 元器件)动作导致的极高的电压变化率(d/r很大)更易通过杂散电容对附近的电路节点 产生干扰，这类干扰随着开关电源和变频电源广泛使用而越来越频繁地出现。这里以Boost 升压电路为例，如图8-2所示，MOSFET开关管的d极在驱动脉冲的作用下不断在近似地 电位和电位U。之间跳变，d极电位变化的速率可达10sV/S,如d极与s极的杂散电容Cs 为10OpF,则在MOSFET关断off时刻d极电位突然上升必然导致一个电容电流I.通过Cs 流过12的检流电阻，ie大小等于： dus=100pF×10=0.01A ie =Cos dt 通过检流电阻的电流由于。的存在会使得MOSFET关断时刻出现一个尖峰脉冲。如果 电路布局设计不合理，使得图8-2中两个虚线椭圆节点的导体间电容耦合较好（如节点覆盖 面积大，PCB板上两部分导线间距小且平行走线)，COs还会显著增大，由此产生的电容电 流i会更大，从示波器上观察流过检流电阻的电流在关断时刻出现的尖峰会更高。 图8-2Bo0st电路中斩波电压通过杂散电容产生干扰 8.2.2电容耦合的抗干扰措施 ①采用静电屏蔽层来隔离电场耦合的干扰 为了防止电压型干扰源通过杂散电容从信号输入连线耦合测量系统，可以采用导电性 能好的导体作为信号电缆的屏蔽层，如铜网或铝网，如图8-3所示。虽然信号线与接地屏蔽 层之间有分布电容，但整个屏蔽层通过固定接地成为一个等电位（零电位）体，电缆内部 就与外电场隔离了。 其次应注意图8-3中信号电缆的屏蔽层只在测量仪器一瑞接地，而传感器不接地，防止
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 ·241· 透空间分布电容流向测量电路，电压变化率越大，电容电流越大，耦合作用越强。 所以，电气测量系统虽然与干扰源没有显性的电气连接，但不同的电气系统间存在电 场或分布电容耦合，在强电环境下，这种耦合更不容忽视。 在图 8-1 中，由于空间分布电容的耦合，从干扰源导体出发的电流穿透耦合电容进入受 扰对象，在受扰对象的两个输入端，穿透电流双路并进且幅值基本一致，属于共模性质的 电流。由于电流具有沿闭合回路流通的属性，所以该电流还会寻找出一条阻抗最低的路径 （图中杂散电容 Ce 最大的路径）返回其源头。 电容耦合不仅在高压差的电气系统之间表现得很明显，在高速开关（包括半导体开关 元器件）动作导致的极高的电压变化率（du/dt 很大）更易通过杂散电容对附近的电路节点 产生干扰，这类干扰随着开关电源和变频电源广泛使用而越来越频繁地出现。这里以 Boost 升压电路为例，如图 8-2 所示，MOSFET 开关管的 d 极在驱动脉冲的作用下不断在近似地 电位和电位 Uo之间跳变，d 极电位变化的速率可达 108V/S，如 d 极与 s 极的杂散电容 Cos 为 100pF，则在 MOSFET 关断 off 时刻 d 极电位突然上升必然导致一个电容电流 Ic通过 Cos 流过 1的检流电阻，ic大小等于： ds 8 c OS du 100pF 10 0.01A d i C t 通过检流电阻的电流由于 ic 的存在会使得 MOSFET 关断时刻出现一个尖峰脉冲。如果 电路布局设计不合理，使得图 8-2 中两个虚线椭圆节点的导体间电容耦合较好（如节点覆盖 面积大，PCB 板上两部分导线间距小且平行走线），COS 还会显著增大，由此产生的电容电 流 ic会更大，从示波器上观察流过检流电阻的电流在关断时刻出现的尖峰会更高。 图 8-2 Boost 电路中斩波电压通过杂散电容产生干扰 8.2.2 电容耦合的抗干扰措施 ① 采用静电屏蔽层来隔离电场耦合的干扰 为了防止电压型干扰源通过杂散电容从信号输入连线耦合测量系统，可以采用导电性 能好的导体作为信号电缆的屏蔽层，如铜网或铝网，如图 8-3 所示。虽然信号线与接地屏蔽 层之间有分布电容，但整个屏蔽层通过固定接地成为一个等电位（零电位）体，电缆内部 就与外电场隔离了。 其次应注意图 8-3 中信号电缆的屏蔽层只在测量仪器一端接地，而传感器不接地，防止
·242· 电气及电子测量技术 由于两点接地引入额外的接地电位差耦合到测量仪器。这一问题将会在后面详细阐述。 仪器外壳 +Vcc B 图8-3信号电缆屏蔽层接地防电场（电容）耦合 ②优化布局设计，减小耦合电容 耦合电容虽然是空间分布电容，但定性分析时，可以用集中参数电容来分析。根据平 板电容模型的计算公式，很容易推理出在测量系统设计布局时如何减小耦合电容的方法。 i.加大电容极板的间距 干扰源导体与附近受扰电路导体的距离就是分布电容的极板间距。 ⅱ.减小电容极板的有效面积 干扰源和受扰导体均可视为各自电路中的一个节点。测量系统布局设计时，在满足电 路功能的前提下，要尽可能减小这两个节点所覆盖的面积。 ③设计针对共模穿透电流的滤波器 图8-1中虚线所示的电流从干扰源所在电气系统穿透杂散电容进入测量系统，对测量系 统是一种“双路齐头并进”的共模性质的干扰电流。这种电流对测量系统中敏感环节会造 成不利的影响，尤其以小信号的前置放大电路、网络和通信部分最易受影响
·242· 电气及电子测量技术 由于两点接地引入额外的接地电位差耦合到测量仪器。这一问题将会在后面详细阐述。 传 感 器 CH +Vcc • • • • • Ce I U 仪器外壳 • CB CA A B • 图 8-3 信号电缆屏蔽层接地防电场（电容）耦合 ② 优化布局设计，减小耦合电容 耦合电容虽然是空间分布电容，但定性分析时，可以用集中参数电容来分析。根据平 板电容模型的计算公式，很容易推理出在测量系统设计布局时如何减小耦合电容的方法。 i. 加大电容极板的间距 干扰源导体与附近受扰电路导体的距离就是分布电容的极板间距。 ii．减小电容极板的有效面积 干扰源和受扰导体均可视为各自电路中的一个节点。测量系统布局设计时，在满足电 路功能的前提下，要尽可能减小这两个节点所覆盖的面积。 ③ 设计针对共模穿透电流的滤波器 图 8-1 中虚线所示的电流从干扰源所在电气系统穿透杂散电容进入测量系统，对测量系 统是一种“双路齐头并进”的共模性质的干扰电流。这种电流对测量系统中敏感环节会造 成不利的影响，尤其以小信号的前置放大电路、网络和通信部分最易受影响
第8章电气测量中的抗千扰技术 ·243· 高电压或功率斩波电压 仪器外壳 C 共模电感 +Vcc 阻 路 人人人 B CYA 径 (a)共模电流的滤波 (b)功率级的共模电感 图8-4共模穿透电流的滤波 上图中两个Y电容Cy通常在10310pF,比杂散电容C.大2-3个数量级，它们一起为 共模穿透电流提供了更低阻的回流路劲，而在测量系统信号输入级之前设置了高阻的共模 电感。图8-4(b)用一种结构清晰的功率级共模电感实物来清楚地显示共模电感的基本结 构：两股漆包线双线并绕，匝数一致，同时绕向要让差模电流在磁环中产生的磁场互相抵 消，而共模电流产生的磁场相互加强，所以只有当共模电流流过时才有电感，而对差模电 流（负载电流都是差模电流）则没有电感量。当然，图()中的共模电感为信号级，体积 小，一般绕指在专门制作的骨架上，内部结构(b)不像图那样容易看清楚。 图8-4(a)这种Y电容+共模电感”的滤波方法与人类常用的对付洪水的疏堵结合”的 方法非常类似，共模电感“筑坝阻拦”共模电流，而Y电容则“引流入江
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 ·243· 传 感 器 CB CA +Vcc • Ce 仪器外壳 高电压或功率斩波电压 CYB CYA A B 低 阻 路 径 高 阻 路 径 共模电感 （a）共模电流的滤波 (b)功率级的共模电感 图 8-4 共模穿透电流的滤波 上图中两个 Y 电容 CY 通常在 103104pF，比杂散电容 Ce大 2-3 个数量级，它们一起为 共模穿透电流提供了更低阻的回流路劲，而在测量系统信号输入级之前设置了高阻的共模 电感。图 8-4（b）用一种结构清晰的功率级共模电感实物来清楚地显示共模电感的基本结 构：两股漆包线双线并绕，匝数一致，同时绕向要让差模电流在磁环中产生的磁场互相抵 消，而共模电流产生的磁场相互加强，所以只有当共模电流流过时才有电感，而对差模电 流（负载电流都是差模电流）则没有电感量。当然，图（a）中的共模电感为信号级，体积 小，一般绕指在专门制作的骨架上，内部结构（b）不像图那样容易看清楚。 图 8-4（a）这种”Y 电容+共模电感”的滤波方法与人类常用的对付洪水的”疏堵结合”的 方法非常类似，共模电感“筑坝阻拦”共模电流，而 Y 电容则“引流入江
·244· 电气及电子测量技术 8.3 磁场耦合及其抗干扰对策 8.3.1磁场耦合或互感耦合 电气测量系统附近的交流大电流或功率斩波电流还会通过磁场或互感耦合到测量系 统。 图8-5中测量仪表的输入回路由传感器，连接导线A、B和放大电路的输入阻抗构成一 个面积为S的闭合回路，附近的干扰电流产生的时变磁场穿过该闭合回路而发生交链，根 据法拉第电磁感应定律，回路中将有感应电动势产生。 千扰电流I 仪器外壳 H +Vcc B 图8-5交流电流与测量系统的磁场（互感）耦合示意图
·244· 电气及电子测量技术 8.3 磁场耦合及其抗干扰对策 8.3.1 磁场耦合或互感耦合 电气测量系统附近的交流大电流或功率斩波电流还会通过磁场或互感耦合到测量系 统。 图 8-5 中测量仪表的输入回路由传感器，连接导线 A、B 和放大电路的输入阻抗构成一 个面积为 S 的闭合回路，附近的干扰电流产生的时变磁场穿过该闭合回路而发生交链，根 据法拉第电磁感应定律，回路中将有感应电动势 e 产生。 传 感 器 A +Vcc • Ce 仪器外壳 H us e 干扰电流I B 图 8-5 交流电流与测量系统的磁场（互感）耦合示意图
第8章电气测量中的抗干扰技术 ·245· 对于测量系统而言，感应电动势是与传感器输出串联的电压源，它是一种差模性质 的千扰电压。感应电动势e为 e=-d0=-sdB (8-6) dt d 而长直导线在距导线中心r处的磁感应强度B)=“0,代入上式中，得到： 2nr e=-uS di =-M dr (8-7) 2nr dt dt 式中，M为互感应系数。 对于交流干扰电流，可设it)=Im sinot,代入上式中， e=-USola cosot (8-8) 2 所以，感应电动势e的大小与交流电流幅值Im、角频率o、耦合介质的导磁率、感应 回路的面积S成正比，与耦合距离r成反比，且是与交流电流同频率变化的正弦信号。式(8-7) 和式(8-8)中的负号反映了楞次定律对电磁感应作用方向的描述。 8.3.2防磁场（互感)耦合的措施 根据式(8-8)，可以设计对抗磁场耦合的对策。 ①尽可能减小感应回路的面积S。 这是最容易实现的办法。具体措施有：信号源尽可能靠近测量仪表，导线A、B尽可能 短并且尽可能靠近，如双绞线输入，使用双绞线输入另外的好处是可以使相反交链的磁通 量相互抵消。 ②增加耦合距离r。 ①测量仪器放置在磁场较弱的区域。 如图8-6所示，电流进线和回线所围成的区域之外，由于相反方向电流产生的磁场有部 分相互抵消，而电流进线和回线所围成的区域内部的磁场同向叠加而被加强。比较图8-6() 和图8-6(b)不难发现，图8-6(b)中的大电流回路采用“对折线”形式，所围成的面积 被最大程度缩小，这样可以有效减小强磁场存在的空间，对外的EM辐射大大减小：受扰 对象即图中的测量电路应位于大电流回路之外，同时，测量电路的输入回路的面积一定要 尽可能小。这些原则也是在PCB布局和布线设计时要时刻注意的，对减小EMI有非常显著 的作用。 首首￥首1爷谷首 首首爷第首8首 (a)回路面积大，回路内磁场加强 (b)回路面积小，回路外磁场部分抵消
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 ·245· 对于测量系统而言，感应电动势 e 是与传感器输出串联的电压源，它是一种差模性质 的干扰电压。感应电动势 e 为 d d d d B e S t t （8-6） 而长直导线在距导线中心 r 处的磁感应强度 ( ) ( ) 2π B r i t r ，代入上式中，得到： d d 2π d d S i i e M r t t （8-7） 式中，M 为互感应系数。 对于交流干扰电流，可设 m i t I t ( ) sin ，代入上式中， m cos 2π S I e t r （8-8） 所以，感应电动势 e 的大小与交流电流幅值 Im、角频率、耦合介质的导磁率、感应 回路的面积 S 成正比，与耦合距离 r 成反比，且是与交流电流同频率变化的正弦信号。式（8-7） 和式（8-8）中的负号反映了楞次定律对电磁感应作用方向的描述。 8.3.2 防磁场（互感）耦合的措施 根据式（8-8），可以设计对抗磁场耦合的对策。 ① 尽可能减小感应回路的面积 S。 这是最容易实现的办法。具体措施有：信号源尽可能靠近测量仪表，导线 A、B 尽可能 短并且尽可能靠近，如双绞线输入，使用双绞线输入另外的好处是可以使相反交链的磁通 量相互抵消。 ② 增加耦合距离 r。 ① 测量仪器放置在磁场较弱的区域。 如图 8-6 所示，电流进线和回线所围成的区域之外，由于相反方向电流产生的磁场有部 分相互抵消，而电流进线和回线所围成的区域内部的磁场同向叠加而被加强。比较图 8-6（a） 和图 8-6（b）不难发现，图 8-6（b）中的大电流回路采用 “对折线”形式，所围成的面积 被最大程度缩小，这样可以有效减小强磁场存在的空间，对外的 EMI 辐射大大减小；受扰 对象即图中的测量电路应位于大电流回路之外，同时，测量电路的输入回路的面积一定要 尽可能小。这些原则也是在 PCB 布局和布线设计时要时刻注意的，对减小 EMI 有非常显著 的作用。 （a）回路面积大，回路内磁场加强 （b）回路面积小，回路外磁场部分抵消
·246· 电气及电子测量技术 图8-6大电流回路的不同布置所产生的空间磁场分布
·246· 电气及电子测量技术 图 8-6 大电流回路的不同布置所产生的空间磁场分布
第8章电气测量中的抗干扰技术 ·247· ④采用磁屏蔽切断磁耦合路径。 屏蔽磁场的基本原理是利用导磁率高的磁性材料制成封闭的屏蔽罩，屏蔽罩为外部磁 场（或磁力线）提供低阻通道，使外部磁场基本被屏蔽罩收集而不通过屏蔽罩的内部空间。 但大多数常用的导磁材料（如硅钢片、铁氧体、铁粉芯）都难以加工，而且影响磁性材料 的导磁特性的因数很多，实际设计须考虑环境温度、被屏蔽磁场频率及饱和磁感应强度等 诸多因素。 首先，磁性材料的导磁率都是与温度有关的。温度升高，磁性材料导磁率下降，当温 度达到一定值时，磁性材料的磁化特性消失，该温度称为居里温度。如硅钢片的居里温度 为740℃，而坡莫合金则在400℃左右，铁基非晶合金在300~400℃。 其次，磁性材料的导磁率也会受外加磁场的频率的影响。当频率磁场频率超出一定范 围时，磁性材料的比损耗（单位体积或重量的损耗）显著上升，导致温度上升，导磁率下 降。所以磁屏蔽材料根据导磁率的频率特性被分为低频和高频两大类。常用的铁及铁基合 金、硅钢片属于低频范围的磁性材料，最高频率一般不超过1kHz,坡莫合金、非晶合金磁 性材料则可以到几百kHz,而铁氧体类可以到10Hz1MHz。 磁性材料都具有饱和特性，用于屏蔽的磁性材料的饱和磁感应强度应比被屏蔽磁场高， 避免屏蔽磁性材料出现饱和。 对于频率不太高的磁场耦合干扰，坡莫合金材料的初始导磁率可达10，饱和磁感应强 度在0.7T左右，而且相对硅钢片，这种合金材料相对容易加工，厚度可以做到0.01~0.1mm, 这就使在大面积屏蔽项目中容易安装。如果需要屏蔽的磁场强度足以使一般高磁导率屏蔽 体饱和时，就需要采用双屏蔽层，可以选择超低碳钢(ULC$)作为外屏蔽，高导磁率材料 为内屏蔽层：与许多高导磁材料相比，ULCS磁导率一般，但饱和磁感应强度很高，可达 2T。ULCS作为强磁场外屏蔽，可以屏蔽部分磁场，穿透外屏蔽的剩余磁场再由内层高磁导 率材料屏蔽。 对于高频交变磁场，目前还没有导磁率很高的材料用于屏蔽。在低频状态下磁导率很 高的材料，到了高频状态，磁导率就变得很低了。例如高频铁氧体，其初始磁导率也很难 超过100，与低频下硅钢片或者纯铁的磁导率相比小很多，不能有效地聚集磁场。同时，高 频铁氧体都是一次性成形材料，烧制完成以后不能二次加工，无法满足屏蔽罩的不同设计 需要。 铜和铝等导电性能良好的金属对高频交变磁场是理想的磁屏蔽材料。铜、铝屏蔽罩屏 蔽高频交变磁场的原理是基于涡流效应。由于高频交变磁场能在铜罩上引起很强的涡流， 涡流产生的磁场对外磁场起去磁作用，使引起涡流的外磁场大大减弱，以致罩内的高频交 变磁场不能穿出罩外。同样道理，罩外的高频交变磁场也不能穿入罩内，从而达到磁屏蔽 的目的。由于铜、铝的电阻率小，引起的涡流大，用它们做成的屏蔽罩屏蔽效果较好。铁 等磁性材料的电阻率一般都较大，引起的涡流小，去磁作用非常有限。 8.4共阻抗耦合及抗干扰对策 8.4.1冲击负载电流通过电源内阻抗影响测量仪器的供电质量 交流供电电源（如配电变压器）可以用图8-6所示的戴维南等效电路来表示，Uc为交
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 ·247· ④ 采用磁屏蔽切断磁耦合路径。 屏蔽磁场的基本原理是利用导磁率高的磁性材料制成封闭的屏蔽罩，屏蔽罩为外部磁 场（或磁力线）提供低阻通道，使外部磁场基本被屏蔽罩收集而不通过屏蔽罩的内部空间。 但大多数常用的导磁材料（如硅钢片、铁氧体、铁粉芯）都难以加工，而且影响磁性材料 的导磁特性的因数很多，实际设计须考虑环境温度、被屏蔽磁场频率及饱和磁感应强度等 诸多因素。 首先，磁性材料的导磁率都是与温度有关的。温度升高，磁性材料导磁率下降，当温 度达到一定值时，磁性材料的磁化特性消失，该温度称为居里温度。如硅钢片的居里温度 为 740℃，而坡莫合金则在 400℃左右，铁基非晶合金在 300～400℃。 其次，磁性材料的导磁率也会受外加磁场的频率的影响。当频率磁场频率超出一定范 围时，磁性材料的比损耗（单位体积或重量的损耗）显著上升，导致温度上升，导磁率下 降。所以磁屏蔽材料根据导磁率的频率特性被分为低频和高频两大类。常用的铁及铁基合 金、硅钢片属于低频范围的磁性材料，最高频率一般不超过 1kHz，坡莫合金、非晶合金磁 性材料则可以到几百 kHz，而铁氧体类可以到 10kHz～1MHz。 磁性材料都具有饱和特性，用于屏蔽的磁性材料的饱和磁感应强度应比被屏蔽磁场高， 避免屏蔽磁性材料出现饱和。 对于频率不太高的磁场耦合干扰，坡莫合金材料的初始导磁率可达 105，饱和磁感应强 度在 0.7T 左右，而且相对硅钢片，这种合金材料相对容易加工，厚度可以做到 0.01～0.1mm， 这就使在大面积屏蔽项目中容易安装。如果需要屏蔽的磁场强度足以使一般高磁导率屏蔽 体饱和时，就需要采用双屏蔽层，可以选择超低碳钢（ULCS）作为外屏蔽，高导磁率材料 为内屏蔽层；与许多高导磁材料相比，ULCS 磁导率一般，但饱和磁感应强度很高，可达 2T。ULCS 作为强磁场外屏蔽，可以屏蔽部分磁场，穿透外屏蔽的剩余磁场再由内层高磁导 率材料屏蔽。 对于高频交变磁场，目前还没有导磁率很高的材料用于屏蔽。在低频状态下磁导率很 高的材料，到了高频状态，磁导率就变得很低了。例如高频铁氧体，其初始磁导率也很难 超过 100，与低频下硅钢片或者纯铁的磁导率相比小很多，不能有效地聚集磁场。同时，高 频铁氧体都是一次性成形材料，烧制完成以后不能二次加工，无法满足屏蔽罩的不同设计 需要。 铜和铝等导电性能良好的金属对高频交变磁场是理想的磁屏蔽材料。铜、铝屏蔽罩屏 蔽高频交变磁场的原理是基于涡流效应。由于高频交变磁场能在铜罩上引起很强的涡流， 涡流产生的磁场对外磁场起去磁作用，使引起涡流的外磁场大大减弱，以致罩内的高频交 变磁场不能穿出罩外。同样道理，罩外的高频交变磁场也不能穿入罩内，从而达到磁屏蔽 的目的。由于铜、铝的电阻率小，引起的涡流大，用它们做成的屏蔽罩屏蔽效果较好。铁 等磁性材料的电阻率一般都较大，引起的涡流小，去磁作用非常有限。 8.4 共阻抗耦合及抗干扰对策 8.4.1 冲击负载电流通过电源内阻抗影响测量仪器的供电质量 交流供电电源（如配电变压器）可以用图 8-6 所示的戴维南等效电路来表示，UAC 为交
·248· 电气及电子测量技术 流电压源，Z丞代表交流电压源的内阻抗，包括交流配电变压器的短路阻抗和线路阻抗，假 设其标值Z:=5%。图8-6中除去采用交流供电的测量仪器外，只有一台电动机M,当电动 机M的额定容量达到供电变压器容量的20%以上时，在电动机启动的瞬间，假设其启动电 流达到正常工作电流的10倍，此时电动机可以近视看成一个冲击性负载，电动机启动时刻 的冲击电流将使得电源内阻抗上的压降增大10×20%×Z=10%,输出电压U。将下降约10%。 对于其他负载（包括测量仪器）而言，它们的供电电压将出现10%的短时电压降落，如果 这种情况频繁出现，对其他用电设备将造成供电质量的下降，如果测量仪器内部的直流稳 压电源的抗电压波动设计不够完善，就会对测量结果造成误差。 图87中所描述的用电设备之间的耦合是通过电源的内阻抗发生的，这个内阻抗可以看 成是该供电电源范围内所有用电设备的公共阻抗，所以这类耦合也称共阻抗耦合。 等效电压源 测量仪器 图8-7冲击负载通过电源内阻抗耦合测量系统 针对交流配电系统由于冲击性电流通过变压器短路阻抗而产生的共阻抗耦合，可以从 下面几个方面采取措施，减小耦合造成的干扰。 ①使用设计完善的稳压电源，减小交流电源电压波动对测量仪器造成的干扰。 ②对大功率的电动机，加装软启动装置，减小启动电流对配电系统的冲击。 8.4.2测量仪器内部不同电路环节间通过直流稳压电源内阻抗的耦合 共阻抗耦合也发生在直流供电的设备内部。图8-8代表了由直流稳压电源供电的数字测 量仪器的一般构成，用一个运算放大器代表测量仪器的模拟电路部分，MCU代表测量仪器 的数字部分，4-bt的AD作为模拟和数字电路的中间环节。这三部分电路由一个直流稳压 电源供电，电源的内阻为R。模拟电路和数字电路集成电路中，最基本的元器件是晶体管 或MOS管。模拟电路中晶体管工作在线性放大区域，而数字电路中的晶体管工作在饱和导 通或截止状态。由于MCU中的数字时序逻辑电路总在一定的高频时钟同步下输出不断翻 转，其工作电流也就会出现与时钟频率同步的高频纹波。这个高频纹波电流流过系统的公 共阻抗R,电源的输出U。就会含有高频纹波成分，数字逻辑电路对这种小的纹波电压并不 敏感，但模拟电路却不同。放大电路的直流电源电压出现高频的波动，会直接在输出中有 所反映，从而造成测量误差
·248· 电气及电子测量技术 流电压源，ZK 代表交流电压源的内阻抗，包括交流配电变压器的短路阻抗和线路阻抗，假 设其标值 * ZK =5%。图 8-6 中除去采用交流供电的测量仪器外，只有一台电动机 M，当电动 机 M 的额定容量达到供电变压器容量的 20%以上时，在电动机启动的瞬间，假设其启动电 流达到正常工作电流的 10 倍，此时电动机可以近视看成一个冲击性负载，电动机启动时刻 的冲击电流将使得电源内阻抗上的压降增大 1020% * ZK =10%，输出电压 Uo将下降约 10%。 对于其他负载（包括测量仪器）而言，它们的供电电压将出现 10%的短时电压降落，如果 这种情况频繁出现，对其他用电设备将造成供电质量的下降，如果测量仪器内部的直流稳 压电源的抗电压波动设计不够完善，就会对测量结果造成误差。 图 8-7 中所描述的用电设备之间的耦合是通过电源的内阻抗发生的，这个内阻抗可以看 成是该供电电源范围内所有用电设备的公共阻抗，所以这类耦合也称共阻抗耦合。 图 8-7 冲击负载通过电源内阻抗耦合测量系统 针对交流配电系统由于冲击性电流通过变压器短路阻抗而产生的共阻抗耦合，可以从 下面几个方面采取措施，减小耦合造成的干扰。 ① 使用设计完善的稳压电源，减小交流电源电压波动对测量仪器造成的干扰。 ② 对大功率的电动机，加装软启动装置，减小启动电流对配电系统的冲击。 8.4.2 测量仪器内部不同电路环节间通过直流稳压电源内阻抗的耦合 共阻抗耦合也发生在直流供电的设备内部。图 8-8 代表了由直流稳压电源供电的数字测 量仪器的一般构成，用一个运算放大器代表测量仪器的模拟电路部分，MCU 代表测量仪器 的数字部分，4-bit 的 A/D 作为模拟和数字电路的中间环节。这三部分电路由一个直流稳压 电源供电，电源的内阻为 Rs。模拟电路和数字电路集成电路中，最基本的元器件是晶体管 或 MOS 管。模拟电路中晶体管工作在线性放大区域，而数字电路中的晶体管工作在饱和导 通或截止状态。由于 MCU 中的数字时序逻辑电路总在一定的高频时钟同步下输出不断翻 转，其工作电流也就会出现与时钟频率同步的高频纹波。这个高频纹波电流流过系统的公 共阻抗 Rs，电源的输出 Uo就会含有高频纹波成分，数字逻辑电路对这种小的纹波电压并不 敏感，但模拟电路却不同。放大电路的直流电源电压出现高频的波动，会直接在输出中有 所反映，从而造成测量误差
