传感器布线的传导问题分析

　　作者：Scott Orlosky, Lisa Eitel

         任何通过工业电缆传递的电气信号只要没有用就是噪声——即某种形式的电磁干扰 （EMI） 和无线电频率干扰 （RFI）。通过保护信号不受组件预期运行的电磁环境的影响来避免这种噪声，这是今天的自动化组件的常规设计方式。但是，防止信号衰减还需要仔细整合自动化机器，这通常涉及良好的设计实践与电气连接专业知识的结合。

　　专门用于防止 EMI 的子组件和子系统通常采取滤波电路或阻断（屏蔽）组件的形式，如这里所示的管状镀锡铜线屏蔽层。

　　在这篇文章中，我们将探讨关键的设计方法，以便：

• 　　减少内部和外部元件产生的 EMI
• 　　提高元件对 EMI 的抗扰度（抗性）

　　这里的首要设计目标是最大限度地减少设计中每个元器件的任何内部放射辐射，以及对外部传导辐射的敏感性。对于后者，对外部耦合辐射的固有抗干扰能力必须能防止通过直接传导、电感或电容耦合传输不需要的电子信号。

　　3M AB5000 系列 EMI 吸波粘性片材含有金属鳞片，可抑制移动设备和军事设备的辐射 EMI。AB6000 系列片材包括绝缘层、吸收层、屏蔽层和非导电层，适用于需要进行 EMI 屏蔽和吸收的设计——包括手机、调谐器和医疗设备。AB7000 系列片材在需要控制电磁干扰和改善 50-MHz 至 10-GHz 信号完整性的电子设备中及其周围表现出色。这些片材可以减少辐射性 IC 噪声以及移动电子设备以及带状和柔性电缆上的 EMI 和串扰。（图片来源：3M）

　　对信号质量的具体威胁

　　大多数与设计工业自动化设备有关的工作都集中在执行器和传感器等元器件的规格上。但考虑到后者：如果说传感器是自动化系统的耳朵和眼睛，那么布线就是神经系统，将信号传递给大脑（或机器控制器，类比为大脑）。这种电缆暴露在各种潜在的干扰源中，可能会损害系统控制功能。

      传感器和执行器等电气元件都要进行常规的电磁兼容性 （EMC） 和易感性测试，不过布线及其连接器在维护和支持电磁兼容性或 EMC 方面的作用往往被忽视。有些电缆连接器采用机器固定方式，并带有磁屏蔽电缆末端，可充当 EMI 滤波器。采用平面电容器技术时，有些能够通过 C、CL、LC、L 和各种 pi 拓扑结构滤除 VHF、UHF、MF1、HF 和其他 EMI 范围。（图片来源：Amphenol Industrial Operations）

　　如果一个传感器、执行器或其他元器件依靠电感、电容或电磁原理进行检测和产生信号，那么该系统中包含的任何 PCB 都可能需要屏蔽以及广泛的接地平面。后者在 Digi-Key 文章《射频屏蔽：消除干扰的艺术与科学》中进行了详细介绍。此外，潜在环境辐射的强度和频率应该是众所周知的，或者至少在最初的设计阶段使用工业标准进行编纂。常见和预期干扰的一些实例包括：

　　50 或 60 Hz——公用电网的线路频率

　　4 至 16 kHz——如电动机的 VFD 中 IGBT 引起的脉宽调制 （PWM） 频率

　　2.4 GHz——用于无线通信的工业、科学和医学 （ISM） 频段。

　　请阅读 Digi-Key 文章《如何保护工业环境中的 RS-485 总线》，了解更多关于电机、继电器、螺线管和执行器产生的电磁场以及保护 RS-485 串行总线免受这些 EMI 源影响的具体情况。其他干扰现象包括浪涌、快速瞬变和静电放电（如在干燥环境或缺乏防静电地板的工厂人员身上的“静电”）以及工厂附近极端天气引起的雷击。

　　考虑电弧焊的电噪声应用。焊接因产生高带宽电气噪声而恶名远扬，这是因为：

• 　　焊接过程产生高能量（电流）
• 　　焊接过程中的阻抗变化

　　因此，在设施中靠近任何电源线附近操作工业焊接设备（甚至与其他设备共享接地）都可能成为一个重要的 EMI 源，并与其他设备进行电气耦合——甚至发生在数百英尺之外。在这种装置中必须包括专门的设备和附件（特别是电缆），以防止与 EMI 有关的操作问题。

　　要避免的设备规格和安装错误

　　一旦设备与更大的自动化系统联网，它所通信的信号或表现的行为就会具有以下特征：

• 　　只表现得与 EMI 有关
• 　　实际上与 EMI 有关

　　EMC 问题的症状可以表现为信号掉线、低信噪比、信号干扰和不稳定的控制回路。

　　产生模拟信号的传感器最容易受到噪声的影响，因此，同等数字设备通常是首选。这些传感器版本产生数字 PWM、频率或串行输出信号，更抗 EMI 干扰。这里需要注意的是，某些数字信号的高开关频率会导致瞬时振荡（电压或电流输出振荡），并在过渡期出现指数级衰减。这种瞬时振荡通常可以通过在传感器系统的接收端使用一个小的去耦电容或一个衰减电阻来补救。

　　在 Digi-Key Cable Matters 学习模块中可以了解到更多关于模拟和数字设备信号的区别。

　　在有条件的情况下，可输出差分输出的传感器是首选。以差分模式工作的传感器（信号 A 伴随着其反转信号 A/）有效地避免了所有共模噪声。双绞线信号线进一步提高了这种抗电磁干扰的能力。正确安装时，可记录在两根线上相同的诱导噪声，从而实现最大的有效噪声抑制。

　　在传感器电缆的信号侧，低电容对于最大限度地降低 EMI 敏感性至关重要。另一个优点是，携带基于频率的数据的低电容信号可以在信号频率变化时最好地保持输出驱动信号的稳定性。相反，电容过大会导致信号衰减，有时会使整体输出降低到检测阈值以下。这种间歇性的影响往往相当微妙，但用示波器很容易诊断出来。

　　在理想情形下，布线将清洁的电源信号和参考值传输给电源传感器和执行器。然后，它向系统控制器返回完全干净的传感器和执行器状态信号。尽管这看起来很简单，但连接到传感器或执行器的电缆是电路最重要、也是最脆弱的部分——也是增加 EMI 敏感性的主要区域。这是因为它们在某些情况下可以表现为长天线。

　　设计提示：要考虑采用超长电缆（超过 500 英尺）时所造成的功率损失，特别是在电源导体规格在 22 或以下且每个设备的电流在 500 毫瓦或以上时。

　　正确连接传感器的另一个提示：了解并仔细连接电缆电源侧的导体。这种连接通常被视为理所当然。对于很多传感器和执行器来说，这个电源连接提供了一个 5 到 28V 的基准，以驱动最终返回到控制器的信号。电缆电源侧的两个导体通常被称为电源和接地。这并不严格正确——而且（如果这些标签告知了安装方法）会导致干扰问题。更正确的说法是，传感器的电源侧接地应称为信号公共线。这是因为电源的回流终止于电源的内部基准，而不是系统接地。在这里，真正的接地经常连接至：

• 　　壁柜外壳或
• 　　可追溯到物理接地的电线导管

　　这种接地的电位往往与信号公共线不同。这意味着如果信号回流直接连接到接地，电流就会流经信号公共线并形成一个接地回路，从而引起不需要的噪声。

　　当然，全屏蔽电缆可以进一步提高设计的电源端完整性。这种屏蔽方式通常放置在浮动位置（未连接），作为法拉第笼，并限制电源线中的可感应功率。但有时电磁干扰足够大，需要的不仅仅是屏蔽。这里的一个解决方案是，在机柜或导管处将屏蔽层接地，充当一个泄漏路径，将任何多余的能量导向接地。不太建议在两端都连接这样的屏蔽层，因为电缆的设备端往往与电源端处于不同的电位，这意味着在两端连接的屏蔽层实际上会出现过多的电流流动。这在雷暴期间最有问题，因为当有雷电击中工厂附近的地面时，地面电位会有很大变化。在内部现场制作电缆组件时，应注意确保屏蔽层一直穿过电缆并连接到连接器主体——确保法拉第屏蔽特性的端到端完整性。

　　关于保持自动化反馈信号质量的最后一点说明：随着时间的推移，自动化系统经常要改造和升级。通常情况下，这涉及到设备增添，以实现更为复杂和精密的能力。风险是，将过多的设备连接到一个现有电源上时，会导致电压下降和错过信号。这表现为一个间歇性的问题，看起来像是由于破坏性干扰造成的信号中断。电源负担过重的情况相当普遍，因此在任何升级过程中，一定要确认现有的电源在所有设备都处于活动状态时能够处理负荷。

　　结语

　　彻底和周到的设计方法可以确保设备稳健可靠地工作，适应工业自动化环境。需要注意的是，连接方案对传感器和执行器的正确安装特别重要，并能防止电磁干扰造成信号质量下降。用高质量的电缆和连接器进行最终连接，可以确保在自动化机器一开始就能顺利运转，并在寿命期内保持稳定工作。