噪声电压噪声频率.ppt

线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽 徐义亨 本章阐述用屏蔽来抑制静电感应和电磁感应的基本原理和方法。 电缆之所以重要是因为它不仅是控制系统中最长的部分，容易 通过近场的耦合对控制系统产生干扰；而且它还类似于一根拾取和 辐射噪声的高效天线。 本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合： 1）电容性耦合。它起源于线路间电场的相互作用。 2）电感性耦合。它起源于线路间磁场的相互作用。 3）电磁场耦合。它是电场和磁场相结合的混合作用的耦合。故也被 称为电磁耦合或辐射耦合。 1 电容性耦合噪声和其抑制方法 1.1 耦合机理 两导线间的电容性耦合如图所示。Cs为噪声导体（如电源线） 和受感应导体（如信号线）间的分布电容，CL为受感应导体的对地 电容，RL为受感应导体的总电阻值，Z为CL和RL的并联阻抗。US为噪 声电压，设Un为感应的噪声电压。 利用Cs和Z之间的分压公式就可以求出在受感应导体和地 之间产生的噪声电压Un为： 当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时， 则为: 感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电 阻值RL、受感应导体的对地电容CL以及噪声电压US。 当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则 为: 因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为 当RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，感应的噪声电压正比于CS和 CL的比值，和噪声电压的频率无关。 感应的噪声电压的频率特性如图所示。 1.2 电容性耦合的抑制措施 电容性耦合噪声的大小，正比于下列因素： 1）噪声电压； 2）噪声频率； 3）两导体间的分布电容； 4）受感应体的对地阻抗。 上述的诸因素中，噪声电压、噪声频率、受感应体的总电阻值 往往是不可控的。所以抑制电容性耦合的最基本方法是减少与噪声 导体间的分布电容。而减少两导体间的分布电容的最简单的方法就 是加大与噪声导体之间的距离。 但有时候受条件限制，无法用加大与噪声导体之间的距离来减 少两导体间的分布电容时，此时采用静电屏蔽的方法是十分有效的。 1.3 电容性耦合和距离的关系 两根直径为d，间距为D的平行导线间的分布电容Cs为： Cs=πε/cosh-1(D/d) (F/m) 当D/d大于3时，Cs减小为 Cs=πε/ln(2D/d) (F/m) 式中：ε——自由空间的介电常数，其值为8.85×10-12 F/m。 1.4屏蔽对电容性耦合的影响 当受感应导线的外层包了屏蔽层后(见图)，前面所述的感应的 噪声电压Un便作用在屏蔽层上。 如果屏蔽层不接地，受感应导体和屏蔽层之间的分布电容Ces上 没有电流，则受感应导体上接受到的噪声电压就是屏蔽体上所感应 的噪声电压。 如果屏蔽体接地，因为屏蔽层上的电压为零，所以受感应导体 上的噪声电压也为零。 由于受感应导线不可能全部封闭在屏蔽体内（包括导体两端外 露和编织屏蔽层的空隙）,所以实际情况要复杂一些。 为了获得良好的电场屏蔽，需要做到： 1）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度； 2）为屏蔽层提供一个良好的接地。 这里,我们讨论的是受感应导体屏蔽的情况。如果我们将噪声导 体进行屏蔽并接地,同样可以起到抑制电场耦合的作用。所以在工业 现场，无论是电源电缆，或者是信号电缆，都应采用屏蔽型电缆。 采用屏蔽的效果要比拉开间距显著 上图是一个比较屏蔽和拉开间距的效果的试验例子。 干扰源是采用两个并联的继电器，当用开关S将通电的继电器线 圈突然断开时，线圈所产生的反冲电压可达1000V以上。这种反冲电 压波形的前沿具有很大的变化速率，由此在导线上所产生的电力线 改变的速率也非常高。这是一个含有相当高频率成分的噪声源。此 外，接点间的火花放电也产生频谱很宽的噪声。 由实验可知（实验数据见后表），用编织网进行屏蔽的话，感 应出的噪声很小。若用增加两线间的距离d，还是能感应出几十伏的 噪声电压。所以，静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比拉 开间距减小分布电容的效果来得显著。 2 电感性耦合噪声和其抑制方法 2.1 耦合机理 从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈 不动，周围的磁力线发生变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。 所以一根导线，当流过它的电流大小发生变化时，在其周围就会产 生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会 在回路中感应出电动势。这两部分通