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电磁振动系统的抗干扰技术研究
本文章发表于《自动化信息》2007年 第3期
摘 要 文章讲述了电磁振动系统因电场、磁场、接地等问题对系统所造成的一些干扰现象，并分别对系统各部分的抗干扰处理方法作了详尽的阐述。方法能够有效的降低系统干扰，提高电磁振动系统运行的可靠性。
关键词 电磁振动系统 抗干扰 可靠性 屏蔽 接地
中图分类号：TB534.2 文献标识码：A
Research of anti-interference technology of
Electromagnetic Vibration System
Abstract This paper presents interference of electric field, magnetic field, and grounding in electromagnetic vibration system, and develops in detail anti-interference methods against each part of the system respectively. These methods can reduce system interference effectively, and increase the reliability for the operation of electromagnetic vibration system.
Keywords Electromagnetic Vibration System anti-interference reliability shield grounding
O 引言
在长期的设计应用中发现，电磁振动系统从信号的产生、功率放大、激振器振动到反馈信号的采集，各个环节都存在着一系列的干扰问题，从而导致系统在使用过程中故障率频繁，对其使用可靠性造成严重威胁。正确运用好合理的屏蔽和接地等技术，能够明显降低电场、磁场、接地等原因引起的对系统的干扰，对提高设备的稳定性大有帮助。
1 电磁振动系统简介
电磁振动系统主要是供各行业领域电工电子类产品作振动试验使用的力学环境试验设备。系统组成主要有振动控制仪、功率放大器、激振器等部分，如下图一所示为典型的电磁振动系统示意图。
图一 电磁振动系统框图
其工作原理为通有变化电流的导线在恒定磁场中将产生与变化电流相对应的运动，变化电流为不同行类型时，就会产生不同种类的振动。通过振动试验能够确定电工电子类产品从制成、运输、使用到工作过程中可能受到的振动或自身产生振动时，不被破坏并能保持其原有的性能，达到预期的寿命和可靠性。是目前我国航空、航天、船舶、电子等行业广泛应用的试验设备。
2 信号部分的抗干扰处理
图二 控制信号发生和测量信号采集部分接地示意图
在传感器和电荷放大器之间使用屏蔽线，电荷放大器和振动控制仪滤波器以及滤波器和功率放大器之间双绞屏蔽线连接。合理的连接和接地处理能够有效地改善控制仪的控制和测量信号，提高其抗干扰能力。
2.1 信号部分的接地
如图二所示，A/D和D/A转换以前为模拟输入输出信号部分，这里采用一点接地方式将各单元的地并联，接在模拟地GA上，并用一根具有绝缘层的低阻抗导线，将模拟地连接到独立接地体上。工控机数据处理的数字地也并联于一点GD，并用一根具有绝缘层的低阻抗导线连接到独立接地体上。外设地线也应并联与该接地体。对于系统而言，应当埋设专门的安全保护地线（国家标准规定计算机的安全保护地线接地电阻不大于4Ω）。
2.2 屏蔽线的使用
在加速度传感器和电荷放大器之间，系统所使用的连接线为屏蔽线。屏蔽线的使用如下图三所示的情况：
图三 屏蔽线的用法
图三(a)中，电流从芯线流过负载RL后流入屏蔽线再回信号源，因此电流i1和i2大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消，这是一个好的抑制电场干扰的措施，同时也是一个很好的抑制电磁耦合干扰的措施。图三(b)是两端接地，流过屏蔽层的电流i2＋iG比流过芯线的i1大，因此它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。而图三(c)只有屏蔽电场耦合干扰能力，却对磁场耦合干扰束手无策。
若信号源Es内阻Rs为100Ω,频率为50KHz，负载RL为1MΩ时，根据国外专家实验测定:假定将图三(C)的抑制磁场干扰衰减能力定为0dB,则图三(a)为80dB的衰减，而图三(b)却只有27dB的磁场干扰抑制能力。因此，图三(a)的屏蔽线单端接地方式抗干扰能力最好。
2.3 双绞屏蔽线的使用
电磁振动系统控制仪和电荷放大器之间的线号连线采用双绞屏蔽线连接。如下图四所示为双绞线的用法和抗磁场耦合干扰能力：
图四 双绞线的用法及抗磁场耦合干扰能力
双绞线的绞扭一致时，其磁场干扰可以相互抵消，但它的结构对电场耦合的抑制毫无能力，但双绞线加上屏蔽层后，它的抗磁场耦合能力就大大增强了。若每2.54cm纽6个均匀绞扭的话，也采用上节约定的参数时，根据国外专家测定，各种用法对磁场干扰的抑制如图四所示。其中图四(a)对磁场干扰有55dB的衰减能力，但不能抑制电场耦合。图四(b)是加了屏蔽的双绞线，有了抗电场干扰能力。图四(c)中屏蔽层单端接地，它的抗磁场耦合能力最强，而屏蔽层两端接地的双绞线图四(d)只有63dB的衰减能力。因此这里使用有屏蔽层且单端接地的双绞线连接效果最好。
3 功率放大器部分电场耦合的抑制技术
由于功率放大器是将小信号的调理和高电压、高频率、开关性的功率放大这样一个特性基于一体，电场耦合给系统造成了不少的麻烦。克服电场耦合最有效的方法就是屏蔽，因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外界电场的影响。因此需要将功率模块单元和逻辑电路的单元分别安装在不同的屏蔽盒体内。平行导线之间的分布电容产生的耦合也是造成电场耦合干扰的主要原因，因此在功率模块单元内部要尽可能的避免平行布线，并在主要导线上还需加屏蔽层。正确地处理好屏蔽盒、屏蔽层接地，也是必不可少的。
另外，滤波技术的应用，在功率放大器电场耦合的抑制方面也有着举足轻重的作用。
4 激振器部分磁场耦合的抑制技术
电磁振动系统的原理决定了激振器部分存在着强大的磁场，这对系统其它部分造成直接威胁，因此必须对其除有效磁场外的其它部分加以抑制处理。抑制激振器的漏磁场除了加消磁线圈抵消一部分磁场之外，还需要用到磁屏蔽技术。由于激振器的外壳几乎是一封闭体，而且一般使用的都是高磁导率的材料，因此利用壳体对激振器的漏磁场屏蔽来抑制其磁场耦合也是非常有效的。如下图五所示，磁屏蔽配合合理的接地能更好的抑制磁场耦合，这里也是电磁振动系统抗干扰能力增强的重要一点。
图五 激振器部分的接地
5 系统的抗干扰处理方案
结合上述各部分有针对性的处理方法，根据系统的特点，将电磁振动系统连接成如下图六所示的情况，并且将控制仪、功放、激振器三者拉开一定的距离放置，系统就能够更可靠、稳定的运行，而且其抗干扰处理能达到较为理想的效果。
图六 电磁振动系统连接简图
6 结束语
屏蔽是抑制干扰的重要方法，而良好的接地则是工业控制系统消除干扰、稳定运行的重要措施。屏蔽、接地以及滤波、拉远距离等技术的综合使用，使电磁振动系统的抗干扰能力显著增强，使系统的使用可靠性大大提高。
参考文献
1 王涌泉等. 力学环境试验技术.西安. 西北工业大学出版社. 2003年.
2 孟传良 工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术. 自动化信息. 2005年9月
