第2章耦合途徑和電纜的屏蔽

.,1,干擾的耦合途徑和電纜的屏蔽Couplingwayofdisturbanceandshieldofcable徐義亨2012年5月,.,2,電纜之所以重要是因為它不僅是控制系統(tǒng)中最長的部分，容易通過近場的耦合對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；而且它還類似于一根拾取和輻射噪聲的高效天線。本章我們將討論與此有關(guān)的三種類型的耦合和電纜的三種屏蔽：1）電容性耦合和靜電屏蔽。它起源于線路間電場的相互作用。2）電感性耦合和電磁屏蔽。它起源于線路間磁場的相互作用。3）電磁場耦合和輻射屏蔽。它是電場和磁場相結(jié)合的混合作用的耦合。故也被稱為電磁耦合或輻射耦合。,.,3,1電容性耦合噪聲和其抑制方法,電壓源,負載,簡化為,.,4,1.1耦合機理兩導線間的電容性耦合如圖所示。Cs為噪聲導體（如電源線）和受感應導體（如信號線）間的分布電容，CL為受感應導體的對地電容，RL為受感應導體的總電阻值，Z為CL和RL的并聯(lián)阻抗。US為噪聲電壓，設(shè)Un為感應的噪聲電壓。,.,5,電容性耦合的等效電路可以作為噪聲導體的包括：交流低壓電源、視頻、高頻通信線等。,Un,.,6,利用Cs和Z之間的分壓公式就可以求出在受感應導體和地之間產(chǎn)生的感應噪聲電壓Un為：當噪聲電壓的頻率較低時，阻抗RL遠小于CL和Cs的阻抗時，則為:感應的噪聲電壓Un正比于噪聲源的頻率f、受感應導體的總電阻值RL、分布電容Cs以及噪聲電壓US。,.,7,當噪聲電壓的頻率較高時，RL阻抗遠大于CL和Cs的阻抗時，則為:因為CL遠大于Cs，所以上式又可簡化為,.,8,當RL阻抗遠大于CL和Cs的阻抗時，感應的噪聲電壓正比于CS和CL的比值，和噪聲電壓的頻率無關(guān)。感應的噪聲電壓的頻率特性如圖所示。,.,9,1.2電容性耦合的抑制措施,電容性耦合噪聲的大小，正比于下列因素：1）噪聲電壓；2）噪聲頻率；3）兩導體間的分布電容；4）受感應體的對地阻抗。上述的諸因素中，噪聲電壓、噪聲頻率、受感應體的總電阻值往往是不可控的。所以抑制電容性耦合的最基本方法是減少與噪聲導體間的分布電容。而減少兩導體間的分布電容的最簡單的方法就是加大與噪聲導體之間的距離。,.,10,1.3電容性耦合和距離的關(guān)系,兩根直徑分別為d1和d2，間距為D的平行導線間,當D遠大于d1和d2時，其分布電容Cs為：Cs=2/ln(D/d1d2)(F/m)式中：自由空間的介電常數(shù)，其值為8.8510-12F/m。由此可見：1)減少兩導體間的分布電容的最簡單的方法是加大與噪聲導體之間的距離D和減小線徑d。2)在選擇線徑d時，不宜過大。,.,11,一個實例,AC100V50Hz,.,12,所以，為什么在工業(yè)現(xiàn)場，不允許將信號線和交流電源線設(shè)在同一根電纜里，而且還需要將信號線和電源線以及高頻信號線等保持一定的距離。但有時候受條件限制，無法用加大與噪聲導體之間的距離來減少兩導體間的分布電容時，此時采用靜電屏蔽的方法是十分有效的。,.,13,1.4屏蔽對電容性耦合的影響,.,14,屏蔽層不接地時,Us,Cs,CL,屏蔽層,芯線,Ces,.,15,當受感應導線的外層包了屏蔽層后，設(shè)屏蔽層的對地電容為CL,如果屏蔽層不接地，受感應導線的對地阻抗無限大，受感應導體和屏蔽層之間的分布電容Ces上沒有電流，作用在屏蔽層上的感應噪聲電壓Un為由于靜電感應。則受感應導體上接受到的噪聲電壓就是屏蔽體上所感應的噪聲電壓。,.,16,電纜的靜電屏蔽,如果屏蔽體接地，因為屏蔽層上的電壓為零，所以受感應導體上的噪聲電壓也為零。由于受感應導線不可能全部封閉在屏蔽體內(nèi)（包括導體兩端外露和編織屏蔽層的空隙）,所以實際情況要復雜一些。為了獲得良好的電場屏蔽，需要做到：1）最大限度的減小中心導線延伸到屏蔽之外部分的長度（豬尾巴效應）；2）為屏蔽層提供一個良好的接地。,.,17,主動屏蔽和被動屏蔽,這里,我們討論的是受感應導體屏蔽的情況（被動屏蔽）。如果我們將噪聲導體進行屏蔽并接地（主動屏蔽）,同樣可以起到抑制電場耦合的作用。所以在工業(yè)現(xiàn)場，無論是電源電纜，或者是信號電纜，都應采用屏蔽型電纜。主動屏蔽比被動屏蔽還重要。,.,18,采用屏蔽的效果要比拉開間距顯著,90m,示波器,.,19,上圖是一個比較屏蔽和拉開間距的效果的試驗例子。干擾源是采用兩個并聯(lián)的繼電器，當用開關(guān)S將通電的繼電器線圈突然斷開時，線圈所產(chǎn)生的反沖電壓可達1000V以上。這種反沖電壓波形的前沿具有很大的變化速率，由此在導線上所產(chǎn)生的電力線改變的速率也非常高。這是一個含有相當高頻率成分的噪聲源。此外，接點間的火花放電也產(chǎn)生頻譜很寬的噪聲。由實驗可知（實驗數(shù)據(jù)見后表），用編織網(wǎng)進行屏蔽的話，感應出的噪聲很小。若用增加兩線間的距離d，還是能感應出幾十伏的噪聲電壓。所以，靜電屏蔽抑制電容性耦合噪聲的效果一般要比拉開間距減小分布電容的效果來得顯著。,.,20,.,21,2電感性耦合噪聲和其抑制方法,2.1耦合機理從物理學可知，線圈切割磁力線會感應出電動勢。反之，線圈不動，周圍的磁力線發(fā)生變化，也同樣會在線圈兩端感應出電動勢。一根導線，當流過它的電流大小發(fā)生變化時，在其周圍就會產(chǎn)生出變化的磁場。若在這個交變的磁場中有另一個電路回路，就會在回路中感應出電動勢和感應電流。這兩部分通過磁力線形成的耦合，其程度可用互感M來表示。,.,22,.,23,噪聲源電壓為Ui，Ui在導體Z1回路上產(chǎn)生的電流為I，則在Z2回路上產(chǎn)生的感應電壓為：UN=jMI或UN=Mdi/dt由式可見，電感性耦合的噪聲大小正比于A.噪聲源回路的電流I變化率di/dt；B.互感M。一般而言，噪聲源回路的電流I變化率是不可控的，有效的方法是如何減小互感M。減小互感M的方法有：A.拉開回路之間的耦合距離，包括回路之間的相對位置；B.盡可能減小噪聲回路和感應回路的環(huán)路面積；此外，采用電磁屏蔽，包括雙絞電纜和同軸電纜的使用。,.,24,一個實例,例：某信號線與電壓為220VAC、負荷為10kVA輸電線的距離為1米，并平行走線10米，兩線之間的互感為4.2H，則信號線上感應的干擾電壓為UN=MI=23.14500.000004210000/220=59.98mV當信號電壓為（15）V的信號，這個干擾電壓的大小即相當于增加了1.5%的誤差。,.,25,2.2回路之間的相對位置與耦合程度的關(guān)系,噪聲回路,感應回路,.,26,.,27,一般而言：兩個回路的平面相互垂直比平行其耦合要小。兩個回路的環(huán)形面積愈小愈好。,.,28,2.3對作為噪聲源的同軸電纜施行的電磁屏蔽,圖所示的導線AB流過電流時，便成為向外界發(fā)出磁通的噪聲源。,.,29,如果對導線AB增加屏蔽體，并按圖連接。電流在流經(jīng)負載后，全部通過導體的屏蔽體返回到干擾源的地。由于流過屏蔽體上的電流也產(chǎn)生磁通，且與導體產(chǎn)生的磁通大小相等而方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通，即導線AB被電磁屏蔽了。,.,30,如果將干擾源和負載都接地,當信號源和負載都接地時，由于流過屏蔽體的電流I2小于導線AB內(nèi)的電流I，所以I2所產(chǎn)生的抵消磁通也比原來的小。然而，屏蔽體有一個重要的特性參數(shù)，即截止頻率c=Rs/Ls，其中Rs和Ls分別為屏蔽體的電阻和電感。,.,31,如果沿屏蔽體和接地環(huán)路A-B-C-D-A，可列出方程式：式中M為屏蔽體與中心導體間的互感，其值為M=/I2。而屏蔽體的自感Ls=/I2,包圍屏蔽體和中心導體的磁通是相同的，所以M=Ls代入上式整理得：,.,32,由式可知，當導體中流經(jīng)的電流其頻率遠大于截止頻率c=Rs/Ls時，絕大部分電流流過屏蔽體，屏蔽效果很好。當頻率低于5c時，大部分電流從地面返回，屏蔽作用較?。ㄋ缘皖l時，不宜兩端接地）。大多數(shù)電纜的截止頻率在數(shù)千赫到數(shù)十千赫之間。,.,33,問題：為什么要把屏蔽體做成園筒狀？說明：同軸電纜之所以要將屏蔽層制作成園筒狀是為了降低Rs，增加Ls，從而降低截止頻率c=Rs/Ls，增加可使用的頻帶寬度。,.,34,2.4同軸電纜作為信號線路施行的電磁屏蔽(即外部已有一個交變的干擾磁場),感應的干擾電流,.,35,幾種情況的對比:圖a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影響。圖b)是加不接地的屏蔽，由于不能減小回路的包圍面積，無電磁屏蔽的效果。圖c)是加一端接地的屏蔽，也不能減小回路的包圍面積。圖d)是加屏蔽體兩端接地，可以減小回路的包圍面積，有電磁屏蔽作用。當然這是有前提的，感應的干擾電流I（不是信號電流）的頻率遠大于導線的截止頻率，否則，大部分返回電流也將從地面回路返回，也不能減小回路的包圍面積。,.,36,我們常用屏蔽導線來防止外界磁通對導線的影響，其實這不是利用屏蔽體的磁屏蔽特性實現(xiàn)屏蔽的，而是將非磁性屏蔽體包在導體周圍，并讓它成為流經(jīng)導線返回電流的一個通路，起到使電流的回路所包圍的面積最小，使接收外界磁通影響為最小。,.,37,2.5雙絞線的電磁屏蔽原理及其應用1）對作為噪聲源的導線實施電磁屏蔽,.,38,2）對信號線實施電磁屏蔽,.,39,雙絞線的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數(shù)的增加而提高（見表）。表中的噪聲衰減度系指平行導線時的干擾磁場值和采用雙絞線后的干擾磁場值之比。但是，每單位長度的絞合數(shù)愈大，耗資也大，從后面的表看，絞距為50mm左右就可以了。由于雙絞線使用十分方便，價格較低，屏蔽效果也較好，所以，在工程中常用到它。如果雙絞線再加金屬編織網(wǎng)就可以克服雙絞線易受靜電感應的缺點，使其屏蔽效果更好。雙絞線和屏蔽雙絞線常用于頻率低于100kHz的屏蔽。,.,40,幾種不同雙絞線的效果比較,.,41,2.6同軸電纜和屏蔽雙絞線的應用,1）使用的頻率范圍雙絞線和屏蔽雙絞線因為有較大的電容，不適用于高頻或高阻抗回路。非常適用頻率低于100kHz的屏蔽。同軸電纜是一種特制的用金屬編織網(wǎng)作屏蔽的電纜，在很大的范圍內(nèi)，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于從直流到甚高頻乃之超高頻的頻段。,.,42,2）低頻時屏蔽雙絞線和同軸電纜的接地方法,均采用單端接地，以避免因地電位差造成的環(huán)流，影響屏蔽的效果。,.,43,只有在高頻（大于1MHz)時才將屏蔽體兩端接地?；蛘?，一端接地，另一端通過小電容再接地。這樣，在低頻時，電容有較大的阻抗，可認為是一端接地；高頻時，電容阻抗變小，則成為兩端接地。高頻時，由于地電位差在電路中引起的噪聲電壓，其頻率成分主要是工頻信號及其諧波，容易被濾去。,.,44,屏蔽雙絞線和同軸電纜一端屏接地和兩端接地的噪聲衰減度比較,如果在實際應用中如需要兩端都接地時，應在線路中使用隔離變壓器或光電隔離器，以切斷對地回路。,.,45,2.7電容性耦合與電感性耦合噪聲的比較,.,46,另外，高電壓回路，容易成為電容性耦合的噪聲源；大電流回路，容易成為電感性耦合的噪聲源。電容性耦合噪聲對受影響的電路是屬于共模噪聲；電感性耦合噪聲對受影響的電路是屬于串模噪聲。,.,47,2.8用于防雷的電纜的雙層屏蔽,當控制系統(tǒng)遭雷擊時，由于靜電感應和雷電電磁脈沖的磁場強度非常強大，本章討論的電纜的屏蔽方法還不足以抑制雷電波的生成。此時，應采用電纜的雙層屏蔽:內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合；外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合，噪聲電流只能在外屏蔽層上流動；兩個屏蔽層的層與層之間是絕緣的。（這部分內(nèi)容留在第4章控制系統(tǒng)的雷電保護中再作詳細討論。）,.,48,外屏蔽層兩端接地的屏蔽原理,Ic,外屏蔽層,.,49,3電磁場耦合噪聲和輻射屏蔽,輻射耦合包括：電纜電纜；電纜機殼；機殼機殼。,.,50,3.1近場和遠場（感應場和輻射場）輻射源附近稱近場，距離大于/2（為電磁波的波長）的地方稱遠場，這是一種約定。波長和傳播速度以及頻率的關(guān)系如下式所示。=c/f式中：c-傳播速度（3108m/s）；f-頻率（Hz）。,.,51,例如，10MHz的電磁干擾的遠場界區(qū)約為5m左右，30MHz的電磁干擾的遠場界區(qū)約為3m左右，100MHz的電磁干擾的遠場界區(qū)約為0.5m左右。如果30kHz,近場范圍可達1.6公里。在近場中，噪聲一般是通過前述的電容性耦合和電感性耦合的方式傳播到控制系統(tǒng)中去的。在遠場中，對控制系統(tǒng)的干擾是通過能量向四方的輻射方式進行的。,.,52,3.2波阻抗,由上述可知，在近場，干擾的耦合主要是通過電場，或者通過磁場。而在遠場，輻射的電磁場在空間的傳播是由于電場和磁場的相互作用。例如，在一根導線上流過直流電流，則在導線周圍會產(chǎn)生磁力線，而沿導線產(chǎn)生電力線（即電場的方向和磁場的方向是垂直的）。這樣就產(chǎn)生了磁場和電場。當電流發(fā)生變化，導線周圍的磁場和電場也相應發(fā)生變化，這種變化在空間中的傳播就是電磁波，它的傳播速度等于光速。,.,53,最常見的輻射源如無線電廣播、通信設(shè)備、對講機、電焊機、晶閘管整流器等高頻設(shè)備，在工作時會輻射功率很大的電磁波。我們把電場強度E和磁場強度H的比值定義為波阻抗Z，即Z=E/H（歐）式中E電場強度（伏/米）；H磁場強度（安/米）。在遠場中，電磁波十分規(guī)整，電場和磁場在強度上有固定的比例關(guān)系。,.,54,在遠場時，波阻抗Z=E/H是一個常數(shù)為120，即377歐。所以用場強儀只要測出一個場的強度，另一個場強就可以計算出來。波阻抗Z和離干擾源距離r的關(guān)系如圖所示。,近場,.,55,對近場而言，波阻抗取決于干擾源的特性以及離干擾源的距離。如干擾源為大電流低電壓的情況，則近場主要為磁場，波阻抗呈低阻抗特性，以電感性耦合的噪聲為主。如干擾源為高電壓小電流的情況，則近場主要為電場，波阻抗呈高阻抗特性，以電容性耦合的噪聲為主。,.,56,令離干擾源的距離和波長之比為式中r-干擾源和觀察點之間的距離；-電磁波的波長。在近場時，干擾源主要為電場時波阻抗為：干擾源主要為磁場時波阻抗為：,.,57,3.3電磁場耦合的感應噪聲,一根金屬導線在輻射的電磁場里，就象一根天線，在導體上會產(chǎn)生正比于電場強度的感應電動勢U式中-比例常數(shù)，也稱天線的有效高度。導線，特別是長的I/O信號電纜、通信電纜和電源電纜等在電磁場中都能接收電磁波而感應出噪聲電壓。例如當垂直極化波的電場強度為100mV/m時，長度為10cm的垂直導體，可以產(chǎn)生5mV的感應電動勢。,.,58,3.4抑制電磁波傳播的主要方法輻射屏蔽,抑制電磁波傳播的主要方法就是屏蔽，遠場中的屏蔽包括如下兩個方面：1）用金屬屏蔽體把電磁場包容起來，不讓它向外擴散（主動屏蔽）；2）對受干擾對象如系統(tǒng)、元件、電纜進行屏蔽，使之不受外界電磁場的影響（被動屏蔽）。屏蔽效果取決于1）頻率；2）屏蔽體的幾何形狀；3）材料性質(zhì)。,.,59,金屬屏蔽體對入射電磁波的衰減過程,.,60,金屬屏蔽體的屏蔽效果是透過金屬屏蔽體后的電磁波Et和入射波Ei的強度之比。S=20lg(Ei/Et)=A+R+B(dB)式中：Ei-入射波強度；Et-穿透過屏蔽體后的波強度；A-電磁波在屏蔽體內(nèi)傳播中由于感應渦流產(chǎn)生的衰減，稱吸收損耗；R-由于反射作用造成的入射波的損耗，稱反射損耗；B-因入射波在金屬屏蔽體內(nèi)多次反射造成的損耗（一般可忽略）。,.,61,其中吸收損耗為（dB)式中：t-屏蔽體厚度mm；f-頻率MHz；-相對導磁率；G-相對于銅的導電率。在金屬材料的導體情況下，反射損耗為可見，反射損耗和屏蔽體厚度無關(guān)。（dB),.,62,三種材料的反射損耗曲線,.,63,遠場內(nèi)厚度為0.508mm的銅屏蔽的效果,反射,吸收,.,64,1）在頻率不太高的情況下，金屬材料的屏蔽效果幾乎是由其反射損耗R所決定的。2）反射損耗R隨頻率增加而降低；而吸收損耗A隨頻率增加而增加，即低頻時的大量衰減是由于反射損耗，而高頻時大量損耗是由于吸收損耗。3）最小的屏蔽效果（R和A之和）在中頻段。,.,65,請思考一個問題：抑制電磁輻射用的屏蔽層需要接地否？請注意：1）抑制三種不同耦合途徑的屏蔽：靜電屏蔽；電磁屏蔽；輻射屏蔽。其屏蔽機理、接地方式是不同的。2）靜電屏蔽層和電磁屏蔽層均具有輻射屏蔽的功能。,.,66,4外部信號線纜的選擇和敷設(shè),信號線纜的選擇應從實用、經(jīng)濟和抗干擾這三個方面考慮，其中應以抗干擾能力放在首