第2章耦合途徑和電纜的屏蔽

1、1干擾的耦合途徑干擾的耦合途徑和電纜的屏蔽和電纜的屏蔽Coupling way of disturbance and shield of cable徐義亨20122012年年5 5月月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，容易通過通過近場的耦合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對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；而且它還類似于一根拾取和拾取和輻射噪聲輻射噪聲的高效天線。的高效天線。 本章我們將討論與此有關(guān)的三種類型的本章我們將討論與此有關(guān)的三種類型的耦合耦合和電纜的三種和電纜的三種屏蔽屏蔽：1 1）電容性耦合電容性耦合和和靜電

2、屏蔽靜電屏蔽。它起源于線路間。它起源于線路間電場電場的相互作用。的相互作用。2 2）電感性耦合電感性耦合和和電磁屏蔽電磁屏蔽。它起源于線路間。它起源于線路間磁場磁場的相互作用。的相互作用。3 3）電磁場耦合電磁場耦合和和輻射屏蔽輻射屏蔽。它是。它是電場和磁場電場和磁場相結(jié)合的混合作用的耦相結(jié)合的混合作用的耦合。故也被稱為電磁耦合或輻射耦合。合。故也被稱為電磁耦合或輻射耦合。31 1 電容性耦合噪聲和其抑制方法電容性耦合噪聲和其抑制方法 電壓源電壓源負載負載簡化為簡化為41.1 1.1 耦合機理耦合機理 兩導線間的電容性耦合如圖所示。兩導線間的電容性耦合如圖所示。C Cs s為噪聲導體（如電源線

3、）為噪聲導體（如電源線）和受感應(yīng)導體（如信號線）間的和受感應(yīng)導體（如信號線）間的分布電容分布電容，C CL L為受感應(yīng)導體的對地為受感應(yīng)導體的對地電容，電容，R RL L為受感應(yīng)導體的總電阻值，為受感應(yīng)導體的總電阻值，Z Z為為C CL L和和R RL L的并聯(lián)阻抗。的并聯(lián)阻抗。U US S為噪為噪聲電壓，設(shè)聲電壓，設(shè)U Un n為為感應(yīng)的噪聲電壓感應(yīng)的噪聲電壓。噪聲噪聲導體導體C CS S噪聲噪聲電壓電壓U US S受感應(yīng)受感應(yīng)導體導體C CL LR RL LUn并聯(lián)阻抗并聯(lián)阻抗Z5電容性耦合的等效電路電容性耦合的等效電路可以作為可以作為噪聲導體噪聲導體的包括：交流低壓電源、視頻、高頻通信線

4、等。的包括：交流低壓電源、視頻、高頻通信線等。噪聲噪聲導體導體CS噪聲噪聲電壓電壓US受感應(yīng)受感應(yīng)導體導體CLR RL LUn并聯(lián)阻抗并聯(lián)阻抗ZUsCsC CL LR RLUn6 利用利用CsCs和和Z Z之間的分壓公式就可以求出在受感應(yīng)導體和地之間的分壓公式就可以求出在受感應(yīng)導體和地之間產(chǎn)生的之間產(chǎn)生的感應(yīng)噪聲電壓感應(yīng)噪聲電壓UnUn為：為： 當噪聲電壓的當噪聲電壓的頻率較低頻率較低時，阻抗時，阻抗RLRL遠小于遠小于CLCL和和CsCs的阻抗時，的阻抗時，則為則為: : 感應(yīng)的噪聲電壓感應(yīng)的噪聲電壓UnUn正比于正比于噪聲源的頻率噪聲源的頻率f f、受感應(yīng)導體的總電、受感應(yīng)導體的總電阻值阻

5、值R RL L、分布電容、分布電容C Cs s以及噪聲電壓以及噪聲電壓U US S。 7 當當噪聲電壓的頻率較高噪聲電壓的頻率較高時，時，R RL L阻抗遠大于阻抗遠大于C CL L和和C Cs s的阻抗時，則的阻抗時，則為為: : 因為因為C CL L遠大于遠大于C Cs s，所以上式又可簡化為，所以上式又可簡化為 8 當當RLRL阻抗遠大于阻抗遠大于C CL L和和C Cs s的阻抗時，感應(yīng)的噪聲電壓正比于的阻抗時，感應(yīng)的噪聲電壓正比于C CS S和和C CL L的比值，和噪聲電壓的頻率無關(guān)。的比值，和噪聲電壓的頻率無關(guān)。 感應(yīng)的噪聲電壓的感應(yīng)的噪聲電壓的頻率特性頻率特性如圖所示。如圖所示

6、。 fUn91.2 1.2 電容性耦合的抑制措施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：電容性耦合噪聲的大小，正比于下列因素：1 1）噪聲電壓；）噪聲電壓；2 2）噪聲頻率；）噪聲頻率；3 3）兩導體間的分布電容；）兩導體間的分布電容；4 4）受感應(yīng)體的對地阻抗。）受感應(yīng)體的對地阻抗。 上述的諸因素中，噪聲電壓、噪聲頻率、受感應(yīng)體的總電阻值上述的諸因素中，噪聲電壓、噪聲頻率、受感應(yīng)體的總電阻值往往是不可控的。所以往往是不可控的。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。導體間的分布電容。而減少兩導體間的分布電容的最簡單

7、的方法就而減少兩導體間的分布電容的最簡單的方法就是是加大與噪聲導體之間的距離加大與噪聲導體之間的距離。 101.3 1.3 電容性耦合和距離的關(guān)系電容性耦合和距離的關(guān)系 兩根直徑分別為兩根直徑分別為d d1 1和和d d2 2，間距為，間距為D D的平行導線間的平行導線間, ,當當D D遠大于遠大于d d1 1和和d d2 2時，其分布電容時，其分布電容CsCs為：為： Cs=2/ln(D/dCs=2/ln(D/d1 1d d2 2) (F/m) (F/m) 式中：式中：自由空間的介電常數(shù)，其值為自由空間的介電常數(shù)，其值為8.858.851010-12-12 F/m F/m。 由此可見：由此可

8、見： 1) 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之間的距離D D和減小線徑和減小線徑d d。 2)2)在選擇線徑在選擇線徑d d時，不宜過大時，不宜過大。11一個實例一個實例90m3k2mm(10mm)2mm2.1V(0.32V)AC100V50Hz12 所以，為什么在工業(yè)現(xiàn)場，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一定的距離。 但有時候但

9、有時候受條件限制受條件限制，無法用加大與噪聲導體之間的距離來減，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，此時采用少兩導體間的分布電容時，此時采用靜電屏蔽靜電屏蔽的方法是十分有效的。的方法是十分有效的。131.4 1.4 屏蔽對電容性耦合的影響屏蔽對電容性耦合的影響 噪聲噪聲導體導體受感應(yīng)受感應(yīng)導體導體分布分布電容電容C CS S噪聲噪聲電壓電壓U US S屏蔽層屏蔽層對地對地電容電容CLCes14屏蔽層不接地時屏蔽層不接地時UsCsCL屏蔽層屏蔽層芯線芯線Ces15 當受感應(yīng)導線的外層包了屏蔽層后，設(shè)屏蔽層的對地電容為當受感應(yīng)導線的外層包了屏蔽層后，設(shè)屏蔽層的對地電容為CL,

10、CL,如果如果屏蔽層不接地屏蔽層不接地，受感應(yīng)導線的對地阻抗，受感應(yīng)導線的對地阻抗無限大無限大，受感應(yīng)導體和，受感應(yīng)導體和屏蔽層之間的分布電容屏蔽層之間的分布電容CesCes上沒有電流，上沒有電流，作用在屏蔽層上的感應(yīng)噪聲作用在屏蔽層上的感應(yīng)噪聲電壓電壓UnUn為為 由于由于靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)。則受感應(yīng)導體上接受到的噪聲電壓就是屏蔽體。則受感應(yīng)導體上接受到的噪聲電壓就是屏蔽體上所感應(yīng)的噪聲電壓。上所感應(yīng)的噪聲電壓。sLssnUCCCU16電纜的靜電屏蔽電纜的靜電屏蔽 如果屏蔽體接地，因為屏蔽層上的電壓為零，所以受感應(yīng)導體如果屏蔽體接地，因為屏蔽層上的電壓為零，所以受感應(yīng)導體上的噪聲電壓也為零上的

11、噪聲電壓也為零。 由于受感應(yīng)導線不可能全部封閉在屏蔽體內(nèi)（包括導體兩端外由于受感應(yīng)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）露和編織屏蔽層的空隙）, ,所以實際情況要復(fù)雜一些。所以實際情況要復(fù)雜一些。 為了獲得良好的電場屏蔽，需要做到：為了獲得良好的電場屏蔽，需要做到： 1 1）最大限度的減小中心導線延伸到屏蔽之外部分的長度）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（豬尾巴效應(yīng)）巴效應(yīng)）； 2 2）為屏蔽層提供一個良好的接地。）為屏蔽層提供一個良好的接地。17主動屏蔽和被動屏蔽主動屏蔽和被動屏蔽 這里這里, ,我們討論的是我們討論的是受感應(yīng)導體受感應(yīng)導體屏蔽

12、的情況（屏蔽的情況（被動屏蔽被動屏蔽）。）。 如果我們將如果我們將噪聲導體噪聲導體進行屏蔽并接地（進行屏蔽并接地（主動屏蔽主動屏蔽）, ,同樣可以起同樣可以起到抑制電場耦合的作用。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，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(yīng)采都應(yīng)采用屏蔽型電纜。用屏蔽型電纜。 主動屏蔽比被動屏蔽還重要。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采用屏蔽的效果要比拉開間距顯著20mm20mm20mm20mm2 2個繼電器個繼電器電感電感50H50H內(nèi)阻內(nèi)阻700700歐歐ACAC110V110V1M歐歐500500

13、歐歐Sd90m90m示波器示波器19 上圖是一個上圖是一個比較屏蔽和拉開間距的效果比較屏蔽和拉開間距的效果的試驗例子。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)干擾源是采用兩個并聯(lián)的繼電器，當用開關(guān)S S將通電的繼電器線將通電的繼電器線圈突然斷開時，線圈所產(chǎn)生的圈突然斷開時，線圈所產(chǎn)生的反沖電壓反沖電壓可達可達1000V1000V以上。這種反沖電以上。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高頻率成分的噪聲源。

14、此。此外，接點間的火花放電也產(chǎn)生頻譜很寬的噪聲。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(yīng)出的噪聲很小。若用增加兩線間的距離應(yīng)出的噪聲很小。若用增加兩線間的距離d d，還是能感應(yīng)出幾十伏的，還是能感應(yīng)出幾十伏的噪聲電壓。所以，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。開間距減小分布電容的效果來得顯著。20線間距離線間距離d(mm)d(mm)感應(yīng)的噪聲電壓感應(yīng)的噪聲電壓沒有屏蔽層的導線沒有屏蔽層

15、的導線編織網(wǎng)屏蔽導線編織網(wǎng)屏蔽導線0 040V40V90V90V0.25V0.25V0.7V0.7V17017012V12V30V30V0.15V0.15V0.6V0.6V5105107V7V20V20V0.05V0.05V0.3V0.3V212 2 電感性耦合噪聲和其抑制方法電感性耦合噪聲和其抑制方法2.1 2.1 耦合機理耦合機理 從物理學可知，線圈切割磁力線會感應(yīng)出電動勢。反之，線圈從物理學可知，線圈切割磁力線會感應(yīng)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(yīng)出電動勢。不動，周圍的磁力線發(fā)生變化，也同樣會在線圈兩端感應(yīng)出電動勢。 一根導線，一根導線，當流過它的電

16、流大小發(fā)生變化當流過它的電流大小發(fā)生變化時，在其周圍就會時，在其周圍就會產(chǎn)產(chǎn)生出變化的磁場生出變化的磁場。若在這個交變的磁場中有另一個電路回路，就會。若在這個交變的磁場中有另一個電路回路，就會在回路中在回路中感應(yīng)出電動勢和感應(yīng)電流感應(yīng)出電動勢和感應(yīng)電流。 這兩部分這兩部分通過磁力線形成的耦合，其程度可用互感通過磁力線形成的耦合，其程度可用互感 M M 來表示。來表示。 2223 噪聲源電壓為噪聲源電壓為U Ui i，U Ui i在導體在導體Z Z1 1回路上產(chǎn)生的電流為回路上產(chǎn)生的電流為I I，則在，則在Z Z2 2回回路上產(chǎn)生的路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓為：為： U UN N=j=jMI M

17、I 或或 U UN N=Mdi/dt=Mdi/dt由式可見，電感性耦合的噪聲大小正比于由式可見，電感性耦合的噪聲大小正比于 A.A.噪聲源回路的噪聲源回路的電流電流I I變化率變化率di/dtdi/dt； B.B.互感互感M M。 一般而言，噪聲源回路的一般而言，噪聲源回路的電流電流I I變化率是不可控的變化率是不可控的，有效的方法，有效的方法是如何減小互感是如何減小互感M M。減小互感減小互感M M的方法有的方法有： A.A.拉開回路之間的拉開回路之間的耦合距離耦合距離，包括回路之間的相對位置；，包括回路之間的相對位置； B.B.盡可能減小盡可能減小噪聲回路噪聲回路和和感應(yīng)回路感應(yīng)回路的的環(huán)

18、路面積環(huán)路面積； 此外，采用此外，采用電磁屏蔽電磁屏蔽，包括雙絞電纜和同軸電纜的使用。，包括雙絞電纜和同軸電纜的使用。24一個實例一個實例例：例：某信號線與電壓為某信號線與電壓為220VAC220VAC、負荷為、負荷為10kVA10kVA輸電線的輸電線的距離為距離為1 1米米，并并平行走線平行走線1010米米，兩線之間的互感為，兩線之間的互感為4.2H4.2H，則信號線上感應(yīng)的干擾，則信號線上感應(yīng)的干擾電壓為電壓為 U UN N = = MI=23.14500.000004210000/220 =59.98 mV MI=23.14500.000004210000/220 =59.98 mV 當

19、信號電壓為（當信號電壓為（1 15 5）V V的信號，這個干擾電壓的大小即相當于的信號，這個干擾電壓的大小即相當于增加了增加了1.5%1.5%的誤差的誤差。252.2 2.2 回路之間的相對位置與耦合程度的關(guān)系回路之間的相對位置與耦合程度的關(guān)系 I I5A5A10A10A15A15AUabUab40mV40mV85mV85mV130mV130mV噪聲回路噪聲回路感應(yīng)回路感應(yīng)回路26I I5A5A10A10A15A15AUabUab100mV100mV190mV190mV280mV280mV27 一般而言：一般而言：n兩個回路的平面兩個回路的平面相互垂直比平行其耦合要小相互垂直比平行其耦合要小。

20、n兩個回路的兩個回路的環(huán)形面積愈小愈好。環(huán)形面積愈小愈好。282.3 2.3 對作為對作為噪聲源噪聲源的的同軸電纜同軸電纜施行的電磁屏蔽施行的電磁屏蔽 圖所示的導線圖所示的導線ABAB流過電流時，便成為流過電流時，便成為向外界發(fā)出磁通的噪聲源向外界發(fā)出磁通的噪聲源。 AB噪聲源噪聲源I負載負載29 如果對導線如果對導線ABAB增加屏蔽體，并按圖連接。電流在流經(jīng)負載后，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流也產(chǎn)生磁通，且與導體

21、產(chǎn)生的磁通大小相等而方向相反，這樣在，這樣在屏蔽體的外面屏蔽體的外面，不存在磁通不存在磁通，即導線，即導線ABAB被電磁屏蔽了。被電磁屏蔽了。AB噪聲源噪聲源負載負載30 如果將干擾源和負載都接地如果將干擾源和負載都接地, ,當信號源和負載都接地時，由于流當信號源和負載都接地時，由于流過屏蔽體的電流過屏蔽體的電流I I2 2小于導線小于導線ABAB內(nèi)的電流內(nèi)的電流I I，所以，所以I I2 2所產(chǎn)生的抵消磁通所產(chǎn)生的抵消磁通也比原來的小。也比原來的小。 然而，屏蔽體有一個重要的特性參數(shù)，即然而，屏蔽體有一個重要的特性參數(shù)，即截止頻率截止頻率c=Rs/Lsc=Rs/Ls，其中其中RsRs和和Ls

22、Ls分別為分別為屏蔽體的電阻和電感屏蔽體的電阻和電感。31 如果沿屏蔽體和接地環(huán)路如果沿屏蔽體和接地環(huán)路A-B-C-D-AA-B-C-D-A，可列出方程式：，可列出方程式：式中式中M M為屏蔽體與中心導體間的互感為屏蔽體與中心導體間的互感，其值為，其值為M=M=/I/I2 2。 而屏蔽體的而屏蔽體的自感自感Ls=Ls= /I/I2 2, ,包圍屏蔽體和中心導體的磁通是相包圍屏蔽體和中心導體的磁通是相同的，所以同的，所以 M=LsM=Ls代入上式整理得：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由式可知，當導體中流經(jīng)的電流其頻率遠大于截止頻率截止頻率c=Rs/Lsc=Rs/

23、Ls時，絕時，絕大部分電流流過屏蔽體，屏蔽效果很好。大部分電流流過屏蔽體，屏蔽效果很好。當頻率低于當頻率低于5c5c時，大部分電流從時，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。截止頻率在數(shù)千赫到數(shù)十千赫之間。33 問題：問題：為什么要把屏蔽體做成為什么要把屏蔽體做成園筒狀？園筒狀？ 說明：說明：同軸電纜同軸電纜之所以要將屏蔽層制作成之所以要將屏蔽層制作成園筒狀園筒狀是為了降低是為了降低RsRs，增加增加LsLs，從而，從而降低降低截止頻率截止頻率c=Rs/Lsc=

24、Rs/Ls，增加可使用的頻帶寬度。，增加可使用的頻帶寬度。342.4 2.4 同軸電纜同軸電纜作為信號線路施行的電磁屏蔽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即外部已有一個交變的干擾磁場) ) a)b)c)d)信號源信號源負載負載信號源信號源負載負載信號源信號源感應(yīng)的干擾電流感應(yīng)的干擾電流35 幾種情況的幾種情況的對比對比: : 圖圖a)a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影響。是不加屏蔽，易受外界磁通的影響。 圖圖b)b)是加不接地的屏蔽，由于是加不接地的屏蔽，由于不能減小回路的包圍面積不能減小回路的包圍面積，無電，無電磁屏蔽的效果。磁屏蔽的效果。 圖圖c)c)是加一端接地的

25、屏蔽，是加一端接地的屏蔽，也不能減小回路的包圍面積也不能減小回路的包圍面積。 圖圖d)d)是加屏蔽體是加屏蔽體兩端接地兩端接地，可以減小回路的包圍面積可以減小回路的包圍面積，有電磁，有電磁屏蔽作用。屏蔽作用。 當然這是有前提的，當然這是有前提的，感應(yīng)的干擾感應(yīng)的干擾電流電流I I（不是信號電流不是信號電流）的頻率）的頻率遠大于導線的截止頻率，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?；兀膊荒軠p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，其實這我們常用屏蔽導線來防止外界磁通對導線的影響，其

26、實這不是不是利用屏蔽體的磁屏蔽特性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，并讓它成為體周圍，并讓它成為流經(jīng)導線返回電流的一個通路流經(jīng)導線返回電流的一個通路，起到使電流的，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回路所包圍的面積最小，使接收外界磁通影響為最小 。372.5 2.5 雙絞線的電磁屏蔽原理及其應(yīng)用雙絞線的電磁屏蔽原理及其應(yīng)用1 1）對作為）對作為噪聲源噪聲源的導線實施電磁屏蔽的導線實施電磁屏蔽環(huán)內(nèi)有磁通產(chǎn)生環(huán)內(nèi)有磁通產(chǎn)生環(huán)外磁通基環(huán)外磁通基本被抵消本被抵消382 2）對信號線實施電磁屏蔽）對信號線實施電磁

27、屏蔽 外磁通外磁通外磁通在導線上外磁通在導線上的感應(yīng)相互抵消的感應(yīng)相互抵消39 雙絞線的屏蔽效果隨每雙絞線的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數(shù)單位長度的絞合數(shù)的增加而提高（見的增加而提高（見表）。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，大，從后面的表看，絞距為絞距為50mm50mm左右就可以了。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，所由于雙絞線使用十分方便，價格較低，屏

28、蔽效果也較好，所以，在工程中常用到它。如果以，在工程中常用到它。如果雙絞線再加金屬編織網(wǎng)雙絞線再加金屬編織網(wǎng)就可以克服雙就可以克服雙絞線易受靜電感應(yīng)的缺點，使其屏蔽效果更好。雙絞線和屏蔽雙絞絞線易受靜電感應(yīng)的缺點，使其屏蔽效果更好。雙絞線和屏蔽雙絞線線常用于頻率低于常用于頻率低于100kHz100kHz的屏蔽的屏蔽。40幾種不同雙絞線的效果比較幾種不同雙絞線的效果比較 試驗條件試驗條件噪聲衰減度噪聲衰減度比例比例dBdB平行導線平行導線1 10 0雙絞線（雙絞線（1 1絞絞/101.6mm)/101.6mm)1414：1 12323雙絞線（雙絞線（1 1絞絞/76.2mm)/76.2mm)71

29、71：1 13737雙絞線（雙絞線（1 1絞絞/ /50.8mm50.8mm) )112112：1 14141雙絞線（雙絞線（1 1絞絞/25.4mm)/25.4mm)141141：1 14343金屬導管內(nèi)平行線金屬導管內(nèi)平行線2222：1 12727412.6 2.6 同軸電纜和屏蔽雙絞線的應(yīng)用同軸電纜和屏蔽雙絞線的應(yīng)用 1 1）使用的頻率范圍）使用的頻率范圍 雙絞線和屏蔽雙絞線因為雙絞線和屏蔽雙絞線因為有較大的電容有較大的電容，不適用于高頻或高阻不適用于高頻或高阻抗抗回路。非常回路。非常適用頻率低于適用頻率低于100kHz100kHz的屏蔽。的屏蔽。 同軸電纜是一種特制的用金屬編織網(wǎng)作屏蔽

30、的電纜，在很大的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)，范圍內(nèi)，具有均勻不變的低損耗的特性阻抗具有均勻不變的低損耗的特性阻抗，可用于從直流到甚高可用于從直流到甚高頻乃之超高頻的頻段頻乃之超高頻的頻段。422 2）低頻時屏蔽雙絞線和同軸電纜的接地方法）低頻時屏蔽雙絞線和同軸電纜的接地方法均采用均采用單端接地單端接地，以，以避免因地電位差造成的環(huán)流避免因地電位差造成的環(huán)流，影響屏蔽的效果。，影響屏蔽的效果。43 只有在高頻（大于只有在高頻（大于1MHz)1MHz)時才將屏蔽體兩端接地時才將屏蔽體兩端接地。 或者，一端接地，另一端通過小電容再接地?；蛘撸欢私拥?，另一端通過小電

31、容再接地。這樣，在低頻這樣，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。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屏蔽雙絞線和同軸電纜一端屏接地和兩端接地的一端屏接地和兩端接地的噪聲衰減度噪聲衰減度比較比較 如果在實際應(yīng)用中如需要兩端都接地時，應(yīng)在線路中使用隔離如果在實際應(yīng)用中如需要兩端都接地時，應(yīng)在線路中使用隔離變

32、壓器或光電隔離器，以變壓器或光電隔離器，以切斷對地回路切斷對地回路。 一端接地一端接地兩端接地兩端接地80dB80dB27dB27dB70dB70dB13dB13dB452.7 2.7 電容性耦合與電感性耦合噪聲的比較電容性耦合與電感性耦合噪聲的比較判斷方法判斷方法 噪聲變化情況噪聲變化情況電感性耦合電感性耦合 電容性耦合電容性耦合如電纜屏蔽層單端接地，如電纜屏蔽層單端接地，將接地端斷開將接地端斷開不變不變變化變化46 另外，另外，n高電壓高電壓回路，容易成為回路，容易成為電容性耦合電容性耦合的噪聲源；的噪聲源；n大電流大電流回路，容易成為回路，容易成為電感性耦合電感性耦合的噪聲源。的噪聲源。

33、n電容性電容性耦合噪聲對受影響的電路是屬于耦合噪聲對受影響的電路是屬于共模噪聲共模噪聲；n電感性電感性耦合噪聲對受影響的電路是屬于耦合噪聲對受影響的電路是屬于串模噪聲串模噪聲。472.8 2.8 用于防雷的電纜的雙層屏蔽用于防雷的電纜的雙層屏蔽 當控制系統(tǒng)遭雷擊時當控制系統(tǒng)遭雷擊時，由于靜電感應(yīng)和雷電電磁脈沖的磁場，由于靜電感應(yīng)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(yīng)采用生成。此時，應(yīng)采用電纜的雙層屏蔽電纜的雙層屏蔽: :n內(nèi)層內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合；單端接地，抑制電容性耦合；n

34、外層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；層上流動；n兩個屏蔽層的兩個屏蔽層的層與層之間是絕層與層之間是絕緣的。緣的。（這部分內(nèi)容留在第（這部分內(nèi)容留在第4 4章章 控制系統(tǒng)的雷電保護控制系統(tǒng)的雷電保護 中再作詳細討論。）中再作詳細討論。）48外屏蔽層兩端接地的屏蔽原理外屏蔽層兩端接地的屏蔽原理Ic外屏蔽層外屏蔽層493 3 電磁場耦合噪聲和輻射屏蔽電磁場耦合噪聲和輻射屏蔽 輻射耦合輻射耦合包括：包括：n電纜電纜電纜；電纜；n電纜電纜機殼；機殼；n機殼機殼機殼。機殼。503.1 3.1 近場和遠場（感應(yīng)場和輻射場）

35、近場和遠場（感應(yīng)場和輻射場） 輻射源附近稱近場，距離大于輻射源附近稱近場，距離大于/2/2（為電磁波的為電磁波的波長波長）的）的地方稱遠場，這是一種地方稱遠場，這是一種約定約定。 波長和傳播速度以及頻率的關(guān)系如下式所示。波長和傳播速度以及頻率的關(guān)系如下式所示。 =c/f =c/f 式中：式中：c-c-傳播速度（傳播速度（3 310108 8m/sm/s）；）； f-f-頻率（頻率（HzHz）。）。 51 例如例如，10MHz10MHz的電磁干擾的遠場界區(qū)約為的電磁干擾的遠場界區(qū)約為5m5m左右，左右，30MHz30MHz的電磁的電磁干擾的遠場界區(qū)約為干擾的遠場界區(qū)約為3m3m左右，左右，100

36、MHz100MHz的電磁干擾的遠場界區(qū)約為的電磁干擾的遠場界區(qū)約為0.5m0.5m左右。如果左右。如果30kHz,30kHz,近場范圍可達近場范圍可達1.61.6公里。公里。 在在近場近場中，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。方式傳播到控制系統(tǒng)中去的。 在在遠場遠場中，對控制系統(tǒng)的干擾是通過中，對控制系統(tǒng)的干擾是通過能量向四方的輻射能量向四方的輻射方式進方式進行的行的。523.2 3.2 波阻抗波阻抗 由上述可知，在近場，干擾的耦合主要是通過由上述可知，在近場，干擾的耦合主要是通過電場電場，或者通過，或者通過磁

37、場磁場。而在遠場，輻射的電磁場在空間的傳播是由于。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電場和磁場的相互作用。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）。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。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(yīng)發(fā)生變化，這當電流發(fā)生變化，導線周圍的磁場和電場也相應(yīng)發(fā)生變化，這種變化在空間中的傳播就是種變化在空間中的傳播就是電磁波電磁波，它的，它的傳播速

38、度等于光速。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。整流器等高頻設(shè)備，在工作時會輻射功率很大的電磁波。 我們把電場強度我們把電場強度E E和磁場強度和磁場強度H H的比值定義為的比值定義為波阻抗波阻抗Z Z，即，即 Z=E/HZ=E/H（歐）（歐）式中式中 EE電場強度（伏電場強度（伏/ /米）；米）； HH磁場強度（安磁場強度（安/ /米）。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)在遠場中，電磁波十分規(guī)整，電場和磁

39、場在強度上有固定的比例關(guān)系。系。54 在在遠場時，波阻抗遠場時，波阻抗Z=E/HZ=E/H是一個常數(shù)為是一個常數(shù)為120120，即，即377377歐。歐。所以用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。波阻抗抗Z Z和離干擾源距離和離干擾源距離r r的關(guān)系如圖所示。的關(guān)系如圖所示。377377歐歐遠場遠場Log rLog rLog ZLog Z電場性高電場性高阻抗發(fā)生源阻抗發(fā)生源磁場性低磁場性低阻抗發(fā)生源阻抗發(fā)生源近場近場55 對對近場近場而言，波阻抗取決于而言，波阻抗取決于干擾源的特性干擾源的特性以及以及離干擾源的距

40、離離干擾源的距離。 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，波阻抗呈呈低阻抗特性低阻抗特性，以，以電感性耦合電感性耦合的噪聲為主。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，波阻抗呈呈高阻抗特性高阻抗特性，以，以電容性耦合電容性耦合的噪聲為主的噪聲為主 。56 令離干擾源的距離和波長之比為令離干擾源的距離和波長之比為式中式中r-r-干擾源和觀察點之間的距離干擾源和觀察點之間的距離； - - 電磁波的波長。電磁波的波長。 在近場時，干擾源主要為在近場時，干擾源主要

41、為電場時波阻抗電場時波阻抗為：為： 干擾源主要為干擾源主要為磁場時波阻抗磁場時波阻抗為：為： RRXXZ/112021/1202XXRRZ573.3 3.3 電磁場耦合的感應(yīng)噪聲電磁場耦合的感應(yīng)噪聲 一根金屬導線一根金屬導線在輻射的電磁場里在輻射的電磁場里，就象一根天線，在導體上會產(chǎn)，就象一根天線，在導體上會產(chǎn)生正比于電場強度的感應(yīng)電動勢生正比于電場強度的感應(yīng)電動勢U U 式中式中 -比例常數(shù)比例常數(shù)，也稱，也稱天線的有效高度天線的有效高度。 導線，特別是長的導線，特別是長的I/OI/O信號電纜、通信電纜和電源電纜等在電磁信號電纜、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(yīng)出噪聲電壓。

42、場中都能接收電磁波而感應(yīng)出噪聲電壓。例如例如當垂直極化波的電場當垂直極化波的電場強度為強度為100mV/m100mV/m時，長度為時，長度為10cm10cm的垂直導體，可以產(chǎn)生的垂直導體，可以產(chǎn)生5mV5mV的的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢。583.4 3.4 抑制電磁波傳播的主要方法抑制電磁波傳播的主要方法輻射屏蔽輻射屏蔽 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：面： 1 1）用金屬屏蔽體把電磁場包容起來，不讓它向外擴散）用金屬屏蔽體把電磁場包容起來，不讓它向外擴散（主動屏蔽主動屏蔽）； 2 2）對受干擾對象如系統(tǒng)

43、、元件、電纜進行屏蔽，使之不受外界電磁場）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的影響（被動屏蔽被動屏蔽）。）。 屏蔽效果屏蔽效果取決于取決于 1 1）頻率；）頻率； 2 2）屏蔽體的幾何形狀；）屏蔽體的幾何形狀； 3 3）材料性質(zhì)。）材料性質(zhì)。59金屬屏蔽體對入射電磁波的衰減過程金屬屏蔽體對入射電磁波的衰減過程60 金屬屏蔽體的金屬屏蔽體的屏蔽效果屏蔽效果是透過金屬屏蔽體后的電磁波是透過金屬屏蔽體后的電磁波EtEt和入射和入射波波EiEi的強度之比。的強度之比。 S=20 lg (Ei/Et)=A+R+B (dB)S=20 lg (Ei/Et)=A+R+B (dB)

44、式中：式中：Ei-Ei-入射波強度；入射波強度； Et-Et-穿透過屏蔽體后的波強度；穿透過屏蔽體后的波強度； A -A -電磁波在屏蔽體內(nèi)傳播中由于電磁波在屏蔽體內(nèi)傳播中由于感應(yīng)渦流感應(yīng)渦流產(chǎn)生的衰減，稱產(chǎn)生的衰減，稱吸收損耗吸收損耗； R -R -由于反射作用造成的入射波的損耗，稱由于反射作用造成的入射波的損耗，稱反射損耗反射損耗； B -B -因入射波因入射波在金屬屏蔽體內(nèi)多次反射造成的損耗在金屬屏蔽體內(nèi)多次反射造成的損耗（一般可（一般可忽略）忽略）。61其中其中吸收損耗吸收損耗為為 （dB)dB)式中：式中：t-t-屏蔽體厚度屏蔽體厚度mmmm； f-f-頻率頻率MHzMHz； -相對

45、導磁率；相對導磁率； G-G-相對于銅的導電率。相對于銅的導電率。 在金屬材料的導體情況下，在金屬材料的導體情況下，反射損耗反射損耗為為 可見，可見，反射損耗和屏蔽體厚度無關(guān)反射損耗和屏蔽體厚度無關(guān)。 （dB)dB) 62三種材料的反射損耗曲線三種材料的反射損耗曲線63遠場內(nèi)厚度為遠場內(nèi)厚度為0.508mm0.508mm的銅屏蔽的效果的銅屏蔽的效果總屏蔽總屏蔽效果效果dBdB頻率頻率kHzkHz總屏蔽總屏蔽1501010反射反射吸收吸收64 1 1）在頻率不太高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的情況下，金屬材料的屏蔽效果幾乎是由其反射損耗射損耗R R所決定的。所決定的。 2

46、 2）反射損耗）反射損耗R R隨頻率增加而降低；而吸收損耗隨頻率增加而降低；而吸收損耗A A隨頻率增加而增隨頻率增加而增加，即加，即低頻時的大量衰減是由于反射損耗低頻時的大量衰減是由于反射損耗，而，而高頻時大量損耗是由高頻時大量損耗是由于吸收損耗。于吸收損耗。 3 3）最小最小的屏蔽效果（的屏蔽效果（R R和和A A之和）在之和）在中頻段中頻段。 65請思考一個請思考一個問題：問題： 抑制電磁輻射用的抑制電磁輻射用的屏蔽層需要接地否？屏蔽層需要接地否？請注意：請注意： 1）抑制三種不同耦合途徑的屏蔽：）抑制三種不同耦合途徑的屏蔽：n靜電靜電屏蔽；屏蔽；n電磁電磁屏蔽；屏蔽；n輻射輻射屏蔽。屏蔽

47、。其其屏蔽機理、接地方式屏蔽機理、接地方式是不同的。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靜電屏蔽層和電磁屏蔽層均具有輻射屏蔽的功能。664 4 外部信號線纜的選擇和敷設(shè)外部信號線纜的選擇和敷設(shè) 信號線纜的選擇信號線纜的選擇應(yīng)從實用、經(jīng)濟和抗干擾應(yīng)從實用、經(jīng)濟和抗干擾這三個方面考慮，其這三個方面考慮，其中應(yīng)以抗干擾能力放在首位。中應(yīng)以抗干擾能力放在首位。 目前，在工程界，無論是模擬信號或數(shù)字信號，也無論是目前，在工程界，無論是模擬信號或數(shù)字信號，也無論是(0-(0-5)V5)V、（、（4-204-20）mAmA的大信號或的大信號或mVmV級的熱電偶小信號，乃至電源電纜級的熱

48、電偶小信號，乃至電源電纜均均采用帶屏蔽的雙絞電纜以抑制電容性耦合噪聲和電感性耦合噪聲。采用帶屏蔽的雙絞電纜以抑制電容性耦合噪聲和電感性耦合噪聲。 67不同的屏蔽結(jié)構(gòu)材料的性能不同的屏蔽結(jié)構(gòu)材料的性能屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽結(jié)構(gòu)干擾衰減比干擾衰減比屏蔽效果屏蔽效果特點特點銅網(wǎng)（密度銅網(wǎng)（密度85%85%）103103：1 140.3dB40.3dB電纜的可撓性好電纜的可撓性好銅帶迭卷銅帶迭卷（密度（密度100%100%）376376：1 151.5dB51.5dB帶有焊藥，便于接帶有焊藥，便于接地地鋁聚酯樹脂帶迭卷鋁聚酯樹脂帶迭卷66106610：1 176.4dB76.4dB抗干擾效果好抗干擾效果好684.2 4.2 信號電纜和電力電纜平行敷設(shè)的最小距離信號電纜和電力電纜平行敷設(shè)的最小距離電力電纜的電壓電力電纜的電壓與與 工作電流工作電流 信號電纜和電力電纜平行敷