CO传感器抗干扰技术研究

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

摘 要：鉴于CO传感器应用中需要面临供电系统尖峰脉冲干扰、外部接口干扰、硬件干扰和信号传输干扰等问题，致使CO传感器的监测效果受到严重影响，不利于安全作业。因此，下文围绕CO传感器的干扰源进行分析，并提出有效的抗干扰技术，以期为煤矿开采作业的安全管理工作保驾护航。

关键词：CO传感器；抗干扰技术；干扰源；输入电压

CO气体具有易燃易爆的特性，且属于一种有毒气体，被人体吸入后会严重威胁肺部健康，过量吸入还可能导致窒息风险。在开采作业中，爆破过程以及自燃等现象可能会产生大量CO，如CO过量产生，且并未进行合理处理，则很可能危及井下作业人员的人身安全。一般情况下，井下监测作业中会将CO浓度监测作为主要监测对象，并通过对CO浓度的测定判断是否存在煤层自燃问题。常规性的监测方法为利用CO传感器进行CO其他浓度监测，而实际应用中发现，CO传感器应用中存在干扰现象，致使测试结果出错，这极易带来安全隐患。因此，针对CO传感器的抗干扰技术展开研究具有极为现实的意义。

1  CO传感器的干扰源分析

传感器应用的过程中需要面临不同外部干扰的影响，这也是影响传感器测量精度的关键因素之一。尤其是井下作业环境的复杂性，导致CO传感器的干扰因素较多，要想实现对CO气体浓度的准确测量，则需首先了解传感器的干扰源，在此基础上选择合理的抗干扰技术提升CO传感器应用的可靠性。

1.1 按性质划分的干扰源类型

根据已有的研究资料，可以从性质上将传感器的干扰源分为三大类：一类是静电感应干扰。具体是指当两条支电路之间或者两个元件之间出现寄生电容，导致其中一个电路的电荷由电容转移到另一个电路的现象，此种干扰现象又被称之为是电容性耦合干扰；一类是电磁感应干扰。在两个电路存在互感现象时，当其中的一路电流发生变化时，另一个电路则会由于磁场耦合感知这种变化。如变压器的线圈漏磁现象；一类是漏电流感应干扰。这种干扰现象集中发生在电子线路各构件出现绝缘不良的情况下，在井下作业环境中，空气湿度较大，很容易影响绝缘体的绝缘电阻性能，因此漏电流干扰问题十分常见，也是威胁传感器正常运行的关键性因素之一。

1.2 按种类划分的干扰类型

根据种类划分可以将干扰类型分为，常规干扰、长时干扰、共模干扰和意外瞬间干扰几大类。其中的常规干扰指的是，受到周边强交变磁场的影响，致使仪器周围的交变磁场发生变化，产生的交流电势干扰现象，通常情况下的常规干扰表现为干扰信号在两条线上往返侵入，这种干扰一旦形成很难被消除；长时干扰指的是，一种长期存在的干扰现象，其主要特点是干扰电压变化幅度不大且长期存在，采用检测仪器就可以直接测出，常见表现为电源线的电磁干扰现象；共模干扰指的是，将地作为公共回路，并且干扰信号在两条往返线路流过的现象。共模干扰的表现形式为对地漏电和线路对地干扰等现象，当线路中的干扰信号出现不均衡现象时，很容易转换成难以消除的常规干扰；意外瞬间干扰指的是在操作电气设备分闸或者合闸的情况下出现的干扰现象，也有极少部分是由于雷电所导致的瞬间干扰问题。

1.3 其他干扰类型

根据干扰问题的作用位置可将干扰现象细分为局部干扰、子系统干扰和外部干扰等。另外，井下作业中应用的电气设备，如电焊机和电机等也可能引发传感器干扰问题。CO传感器的自身作用原理决定了其自身的抗电磁干扰能力较弱，尤其是当环境温湿度较大时，很可能加速传感器内部元件的老化进程，致使其抗干扰能力持续减弱，严重影响传感器的监测结果。

2  CO传感器主要的抗干扰技术

总结以往的CO传感器应用经验，其在实际应用中主要面临的干扰问题包括供电系统尖峰脉冲干扰、外部接口干扰、硬件干扰和信号传输干扰等。现具体对其对应的抗干扰技术展开研究，以期能够提升CO传感器监测数据的可靠性。主要的抗干扰技术如下：

2.1 抗供电系统尖峰脉冲干扰技术

该技术又被称之为抗供电电源干扰技术，从前期的应用状况来看，该类干扰问题对传感器运行的影响十分深远。具体表现为由于CO传感器的运行环境较为复杂，作业环境中的温湿度变化幅度较大，且存在电磁干扰、振动和冲击等潜在风险，致使传感器电源回流条件发生变化，尤其是电源荷载的数量增多时，会引发更为严重的供电系统尖峰脉冲干扰问题。针对此类干扰问题，可以通过在电源输入端口安装干扰控制器的方式实现对尖峰电压的有效分配，这可在一定程度上减弱供电系统尖峰脉冲的干扰影响。除此之外，也可在仪器电源的输入端串联一个压敏电阻，通过控制电阻阻值的方式降低在尖峰脉冲时的电压值，使尖峰脉冲的干扰影响被削弱。

2.2 外部接口的抗干扰技术

传感器的外部接口在未经处理的情况下会为干扰噪声的传播创造良好的条件，可以将其称之为干扰传播的主要通道。为了达成控制外部接口输入干扰的目标，可以选用光电耦合器，利用光电耦合器对于系统中的输入通道、输入通道做切断处理，避免外部尖峰脉冲干扰带来的不利影响。同时也能起到控制噪声干扰的作用。因其可对传感器端口进行有效隔离，发挥了良好的抗干扰作用，是目前来讲，在外部接口干扰问题中较为有效的一类抗干扰技术。

2.3 硬件干扰技术

为能充分保障传感器硬件设备的可靠运行，提高其抗干扰能力，首先要认清电磁干扰的原理，其干扰模型如图1所示：

图1 电磁干扰模型

（1）电磁干扰源。由于高速半导体构件的应用导致其边缘跳变速率增快，研究显示此种电路下最高可形成300MHZ的谐波干扰，且噪声干扰现象会覆盖整个频谱。

（2）耦合路径。指的是一种噪声传递途径，当两条电路之间存在导体时，其中的一个电路出现噪声，且被导线所感知，便可能通过导线将噪声传输至另一个电路。常见表现为，当噪声通过电源线入侵系统后，系统内部的所有电路均会接收到电源线耦合的噪声，与此同时，其共享阻抗电路也容易出现耦合现象。

（3）接收器。指的是电磁干扰需要通过传送被电路所接受，部分情况下通过射频也可接受电磁干扰，但这仅为极少数情况，绝大部分均是瞬时传递的作用下被接受。特别是在数字电路中存在的电磁干扰现象极易对临界信号造成影响，受影响的临界信号主要有复位信号、控制信号和中断信号等[2]。

2.4 针对印制电路板的抗干扰技术

在对印制电路板进行设计时，首先需要考虑的问题便是电磁兼容性的问题，这主要是由于提高印制电路板的电磁兼容性可在一定程度上增强其抗电磁干扰能力。目前来看，还未形成规范的印制电路板布线规则，在实际布线中会受到铜板大小和层数的直接影响。实践证明对于印制电路板的布线设计仅能提高其抗电磁干扰能力，并不能完全消除电磁干扰影响。较为典型的电路布局电流通路方法如图2所示：

图2 电路布局电流通路示意图

（1）针对电源线的抗干扰措施。电流峰值是导致电磁干扰的主要成因之一，尤其是在操作电流输出时，每次均会产生一个电流脉冲。在集成电力中的输出开关重复率加大时，电磁干扰现象也会更为严重。因此，在集成电路设计中，可以在其供电电源线上装设一个陶瓷电容，可有效降低电磁干扰现象，尤其是在数字系统中该种抗电磁干扰技术的应用效果更为明显。

（2）针对信号线的抗干扰措施。图3所示为信号线返回线路布置的示意图，其主要目的是对信号电流的流向加以控制，确保信号电流所流向之处具有较好的抗干扰能力。该电路系统中的阻抗主要包括集成电路的输入电容和输入电阻，在信号传输的过程中，其中的电流会由驱动器流向漏极，之后再由漏极流回信号源。其主要运行原理为，当在连接线上的电容以及在接收器中的输入电容均可通过驱动器输出电阻，而当传输信号处于上升状态时的情况则恰恰相反，此时的电容需要通过供电电源和驱动器输出电阻。此时也可保障信号电流处于电源线上，这充分说明此种抗干扰措施十分有效，能够达成提高信号线抗干扰能力的目标。

图3 信号线返回线布置的示意图

2.5 信号传输抗干扰技术

井下作业中应用了部分变频设备，其在运行过程中会释放出大量的电磁干扰，致使井下其他电源运行环境受到极大危害，一旦电磁干扰的信号由电源线入侵分站系统，则会造成信号传输失真的问题，部分情况下还可能导致分站通信失效以及CPU死机等问题。在装设CO传感器时，受到井下作业空间的限制影响，很难保障传感器电源线与动力电缆的分别铺设，部分情况下为了避免电源线受损，还会将其悬挂于同一位置，此种情况下，当一些大型的电气设备做启停操作时所释放的电磁脉冲便会严重干扰CO传感器的运行，对其监测效果带来极为不利的影响。目前较为常用的信号传输手段为使用有线频率进行传输，且监测分站的接受制式为200Hz-1000Hz，此种信号传输手段的抗电磁干扰能力较差，当脉冲值较大时往往能够瞬间淹没传感器信号，导致监测分站难以及时有效的接收信号。基于此类问题，可以采取数字通讯的手段，如图4所示： 

图4 CO传感器数字通讯系统连接图

通过数字通讯的信号传播方式，可以在一定程度上控制电源线之间的干扰影响，且借助信号转换器能够使传感器的监测数据更为直观，有效增强了CO传感器的抗干扰能力，同时也提升了其监测效率。

3 结语

CO传感器的干扰现象是影响传感器监测效果的直接因素，常规情况下，CO传感器的监测效率较高，能够及时反馈气体浓度监测信息，而当受到外部因素影响的情况下，很容易出现监测数据失真的问题，会对井下作业安全带来极大的威胁。因此，上文中围绕CO传感器的抗干扰技术进行分别阐述，希望能够提高CO传感器的气体浓度监测效果，为井下作业的安全管理工作提供可靠的数据支持，促进煤矿事业的健康发展。

参考文献：

[1] 陈晓芳,刘崇伟,王崇,李蓓,赵俊杰,侯昱丞,杨挺.TMR电流传感器复杂电磁环境抗干扰技术研究[J].仪表技术与传感器,2020(01):13-16.

[2] 张萍,李莉.传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究[J].民营科技,2017(09):44.