微机控制材料试验机的干扰源分析及抗干扰措施精密刀具

微机控制材料试验机的干扰源分析及抗干扰措施

摘要:分析和探讨了微机控制材料试验机所受干扰的来源和通道,并采用屏蔽和隔离等一系列措施抑制各种干扰,以达到提高微机控制试验机系统试验结果的可靠性和精确度。

因微机控制设备具有数据采集量大、精确度高、方便快捷等优点,并能实现比模拟控制复杂得多的试验要求,所以材料试验机系统实现微机化自动控制已是势在必行。但是,自动控制设备所用元器件和电子线路具有工作信号电平低、速度快等特点,在工业现场必然会受到各种干扰。由于微机控制系统的控制精度更高,干扰对其影响更加严重,工业现场的干扰不仅会影响到微机控制试验机系统的控制精度甚至会影响其正常运行,以至于影响到试验数据的准确性和可靠性。可见,微机控制试验机系统的干扰是个急待解决的重要问题。

为了采取切实有效的抗干扰措施,首先应查清干扰的来源和途径。干扰是个复杂多变的综合性问题,应采取多方措施。本研究对该问题进行了分析,并对其解决方法进行初步探索。

1、微机控制材料试验机在运行过程中出现的干扰现象

试验机在运行过程中会出现如下现象:当附近的试验机开高温炉或是附近的大功率设备开机时,试验机会出现作动筒瞬间峰值的情况。除了上述因附近电气设施开关引起的干扰外,还有一些其他原因引起的试验机不稳定、载荷无输出的情况。

2、微机控制试验机干扰源的分析

2.1　来自电网的干扰

微机控制材料试验机的电源是220V电压,相电压因电网功率不平衡会出现不稳定。产生负载电流的快速变化和尖峰干扰使电压波形产生畸变并由电网窜入微机控制试验机系统干扰其正常工作。

2.2　来自信号通道的干扰

微机控制试验机系统需要采集大量的现场数据以控制试验机的动作,试验机的反馈信号会将外界干扰由输入、输出通道引入试验机系统。

2.3　地线干扰

试验机系统接地不良或接地方法不正确,干扰会很容易地通过地线窜到试验机系统内部;同时,因实际地电阻为零,地线各点存在电位差,也会干扰试验系统的正常工作。

2.4　空间电磁干扰

试验机的各种外接连线很多,所有的动力线、电源线相当于一个个辐射天线,试验机系统的任一线路、导线、壳体会在空间产生辐射、接收和调制。

2.5　反电动势产生的干扰

带线圈的器件(如继电器、变压器、电动机)作为控制系统的执行部件在接通或断开的瞬间,负载电感产生反电动势,若不加以抑制,会经输出回路反馈到微机控制试验机系统,并冲击正常运行的微机控制系统,使运行程序混乱,甚至于损坏电子元器件。

3、微机试验机系统可采用的抗干扰措施

3.1　对硬件电路部分采用的抗干扰措施

3.1.1　对交流电压的干扰抑制

(1)采用性能好的开关电源为试验机系统供电因开关电源与一般的直流电源相比在抗干扰能力上占绝对优势。但在使用中要注意使用性能好的开关电源为微机控制试验机系统供电,否则不仅不能抑制干扰还会产生干扰。

(2)使用隔离变压器

由于普通变压器对干扰无任何抑制作用,而隔离变压器的安装次级间均用屏蔽层隔离,可减少其分布电容,从而提高了试验机系统共模干扰的能力。

(3)配置去耦电容

在电源输入端跨接10～100μF的电解电容,原则上每个集成电路芯片的电源线和地线间接一个0.01μF的陶瓷电容作为去耦电容。

(4)在交流电源次级接瞬态电压的抑制器高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变成低阻抗,吸收数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,从而有效地保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。在交流电源次级并接一个TVS管,可起到保护电源次级后面电路免受脉冲干扰的冲击。

3.1.2　信号通道的干扰抑制

(1)材料试验机输入通道采用光电耦合隔离措施光电耦合器的输入阻抗很小,而干扰源的内阻则很大,因此能分压到光电耦合器输入端的干扰就被大大削弱了。但一般的光电耦合器线性很差,只能用来隔离数字量的输入、输出通道。

(2)材料试验机输入通道并接TVS管以保护输入后面线路的精密元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。

(3)材料试验机输入通道采用隔离放大器用隔离放大器隔离模拟输入输出通道,不仅能抑制干扰,而用具有很好的线性。

(4)材料试验机对反电动势的抑制有两种抑制办法:一是在带线圈器件(如继电器、电动机)的交流线圈两端并接RC电路;二是在直流线圈两端并接一个电阻、二极管串联电路,也可同时在RC或RD电路两端并接一个压敏电阻或TVS管。

3.1.3　试验机系统接地的抗干扰措施

(1)试验机输入信号回路虚地技术

前置被大电路的性能好坏直接决定着模拟前端及至整个系统性能优劣,而前放部分引入的干扰信号则很难进行彻底消除。为了尽可能地减少类似干扰,采用了信号回路虚地技术,即信号参考端与模拟电路的地回路之间以零电流相连结,由此保证信号回路与模拟回路达到准隔离(如图1所示)。

(2)微机控制试验机系统采用多级浮地技术

多级浮地技术主要用于解决接地回路电流对系统正常工作带来的影响。在微机控制系统中,由于各种不同的工作地均有可能引入相应的干扰信号,并将此干扰信号叠回到信号回路中,由此影响到最终的采集数据。为了确保试验数据的有效性和系统工作的稳定性,采用多级浮地的抗干扰技术,以最大限度地切断地电流的各种耦合通路,以充分实现将所有干扰信号屏蔽、隔离在信号回路之外这一抗干扰目标。比如,微机机壳地与交流地通过DC-DC变换进行隔离;将模拟地和数字地通过光电耦合器进行隔离,将模拟地和信号地通过信号回路虚地技术进行隔离等等。通过这样一级级的隔离措施使得信号回路多级浮置于系统地(机壳地)之上,从而达到保护信号回路,保护和净化输入信号的目的。

(3)试验机主机和外部设备的金属屏蔽直接与大地相连。

(4)采用接地扼流线圈可防止电流和高频电流的干扰。

3.1.4　空间辐射干扰的抑制

空间辐射干扰主要是空间电磁波的干扰。材料试验机多采用数字仪表,因数字仪表精度高,与指针式仪表相比受干扰的影响更大。抑制空间电磁波辐射干扰的办法是电屏蔽和磁屏蔽。采用电屏蔽的办法可将微机控制试验机柜置于密闭的金属机壳内,机壳直接接大地。磁屏蔽的办法是采用两层或三层磁屏蔽;用初始磁导率但不饱和硅钢片做外层屏蔽,采用初始磁导率高但易饱和的坡莫合金做内层屏蔽,可充分发挥材料的性能并得到较理想的屏蔽效果。

3.2　软件的抗干扰措施

3.2.1　数字滤波

对输入通道中硬件没有完全消除的干扰,在信号数据被使用前采用数字滤波技术能取得较好效果。

3.2.2　选取合适的采样时间

对于具有积分模数转换电路来说,采样时间应取工频周期的整数倍,这将有助于抑制工频干扰。

4、结论

在实际应用中应针对不同的材料试验机在不同的试验环境下的具体情况分析其干扰的来源和通道,并采取相应的抗干扰措施以达到抑制干扰提高微机控制试验机系统性能的目的。通过对微机控制试验机系统干扰源的分析(包括来自电网、信号通道、地线、空间电磁干扰和反电动势产生的干扰),采用软硬件相结合的办法来抑制干扰、其中硬件抗干扰措施包括采用开关电源、加隔离变压器、配置去耦电容、加瞬态抑制管、采用光电隔离措施等,软件措施包括数字滤波、选择工频周期整数倍的采样时间,上述大部分软硬件抗干扰措施在实际应用中取得较好效果,提高了材料试验数据的可靠性和精确度。

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