摘要:在使用基于微控制器的静电探针自动测量仪对射频耦合等离子体进行诊断时,为了获得良好的测量效果,分析了射频耦合等离子体测量环境中主要干扰源的形成原因及其耦合路径,特别是射频和电源干扰;结合测量仪本身的特点,针对性地提出了屏蔽、接地、隔离、滤波等多种抗干扰措施。通过实验对比验证了所采取措施的有效性,这为获取更为准确的等离子体参数提供了保证。
0 引言
静电探针又称Langmuir探针,因其测量方法简单、实用而广泛应用于等离子体诊断领域。等离子体中的电子温度、电子密度、离子密度等参数,在等离子体技术研究和应用中起着至关重要的作用,而静电探针是对等离子体进行诊断,进而获取这些参数的重要工具。随着新型等离子体源的不断出现,在探针的工作环境中,经常存在电场、磁场、射频、群脉冲等多种干扰因素,为了准确获取等离子体参数,解决探针在各种工况下的干扰问题已成了首要的前提。本文根据静电探针测量仪用于射频耦合等离子体参数测量的环境,详细分析了干扰产生的原因、耦合的途径,针对性地进行了抗干扰措施的设计与实现。
1 实验系统介绍
射频耦合等离子体的发生装置由电感线圈、真空反应室、机械泵、流量计、射频电源、匹配器组成,由本实验室自主研发的静电探针测量仪(下文简称测量仪)就接在双探针处,如图1所示。
测量仪设计采用整体对地悬浮的双探针法进行测量,通过在双探针间加锯齿波扫描电压并采集相应扫描电压下流过探针的电流,然后将采集的数据通过RS-232接口发送到PC机软件进行处理,最后描绘出双探针的I-V特性曲线。双探针法可以有效避免等离子体空间电位的变化对等离子体电子温度测量的影响,提高等离子体电子温度测量的准确度。
2 干扰源及其耦合路径分析
用双探针进行等离子体诊断时,在实际的测量环境中往往存在着大量干扰源,而流过探针的电流极其微弱,其饱和电流仅为μA量级。如图1所示的实验设备系统中,射频电源、电感线圈、机械泵、交流电源等都是干扰源,通过信号传输线、电磁感应和辐射、电源线等耦合通道对测量仪进行干扰,这些干扰产生的噪声很容易将微弱的探针电流信号淹没。
2.1 射频干扰
在射频感应耦合等离子体中,等离子体由于射频电源的作用处于一个剧烈变化的电磁环境中,使得采用探针进行等离子体诊断变得非常困难。图2为双探针测量射频等离子体的等效电路,由于双探针的对称性,只画出一路探针的等效电路图。P代表等离子体,Csh为鞘层电容,Rsh为与探针伏安特性有关的非线性电阻,RF表示13. 56MHz的射频信号,A表示探针, Cc为探针信号线对地的分布电容,Rf为测量探针电流的取样电阻。
测量仪由于其比较大的对地分布电容而很难实现真正的悬浮,若不采取措施,射频干扰信号将通过测量仪对地的分布电容耦合进来。
13.56MHz基频射频信号及其高次谐波产生的电磁场还将通过空间辐射的形式向外传播。通常射频功率较大,产生的电磁能量会导致现场的测量仪和PC机都不能正常工作,故必须采用相应的抗干扰措施。
2.2 电源干扰
在一般的测控系统中,电源干扰是最为复杂的,本测量仪也不例外。由于供电电力线本身相当于一个接收天线,可以把大功率辐射装置如射频源等来自空间的高频感应干扰通过变压器初级和次级之间的分布电容耦合到次级,进而进入测量仪,此为共模干扰形式。在大感性负载(如机械泵)的电机启停,会在电源线上产生很大的电流和电压变化率,从而形成瞬变尖脉冲干扰,将沿电源线直接传导进入测量仪内,此为差模干扰形式。此外, 50Hz工频干扰对本测量仪的影响很大,需要采取有效的措施予以消除。
3 干扰的抑制措施
干扰抑制措施的选用,首先考虑干扰源,要根据不同干扰源的特点采取有针对性的抑制方法;其次考虑干扰的耦合途径,通过切断耦合通道以抑制干扰;此外干扰的抑制还应充分考虑成本。基于上述对主要干扰源及其耦合路径的分析,便可根据具体干扰源采用针对性的抗干扰方法。实际应用中,再结合导线的绞扭、屏蔽和接地,可以有效地抑制干扰,提高测量仪的可靠性。对本系统而言,主要采用内部电路隔离、屏蔽和接地、信号输入抗干扰、电源抗干扰、PCB板抗干扰、软件抗干扰等针对性的措施和技术。
3.1 内部电路的隔离
测量仪由开关电源、ARM7控制单元、锯齿波产生和信号采集单元、UART通信单元等几部分组成,如图3所示。各个单元之间通过SPI,RS-232,GPIO等信号接口进行数据传输,由于恶劣的现场环境会导致信号接口之间产生较大的共模干扰电压。接口之间抗共模干扰的有效措施是隔离,光耦就是很好的隔离器件,具体分析如下:
(1)噪声源一般干扰电压较大,不过干扰电流很微弱。光耦的发光二极管只有通过一定的电流才能发光进行信号传输,电流很微弱的干扰信号就被抑制掉了。
(2)光耦输入输出之间的耦合电容很小,绝缘电阻很大,因而被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统中。
此外测量仪采用悬浮的电源系统供电,各个单元之间不共用电源,故在电气上做到了完全隔离,能有效地抑制共模干扰。
3.2 屏蔽和接地
射频源空间辐射干扰的有效抑制手段是屏蔽和接地。具体做法是采用密集编织的铜网将真空反应室屏蔽起来,以有效切断射频干扰源到测量仪以及PC机的耦合路径,起到抑制射频干扰的目的。实验证明,使用该方法并注意屏蔽层的良好接地,会大大减少射频源对外的辐射干扰。
为了进一步抑制射频源以及50Hz工频的辐射干扰,测量仪本身也采用导电性良好的铝合金外壳进行整体屏蔽;测量仪的探针信号线和RS-232接口传输线也采用屏蔽线进行传输,同时相应的屏蔽层通过单端接地的方式统一连接到测量仪外壳的接地点上,以避免等离子体发生装置、测量仪、PC机之间地电位差所形成的干扰;最后测量仪外壳接地点通过三芯电源插座连接到大地。
3.3 信号输入抗干扰设计
针对从传输线直接传导进来的射频干扰,国内外已经做了大量的研究工作。本设计综合考虑各种方法的利弊,提出了如图4的射频抗干扰电路。
图4中Ls和Cs组成一个和射频频率(13. 56MHz)共振的并联谐振电路,使得射频干扰电压主要加在谐振电路而非鞘层上,因此,探针的伏安特性曲线可以真实的反映等离子体状态。L1,C1,C2组成一个LC低通滤波器,可以很好地抑制射频干扰,避免其耦合进测量仪。经过前端处理后的探针电流If通过一个跨阻放大器进行I/V转换,Rf是反馈取样电阻,将电流信号转换成电压信号Vout,以便后续电路进行放大、滤波等处理。等离子体放电启辉瞬间或者气压剧烈波动等情况下,会在探针上产生瞬时的脉冲干扰信号,靠近放大器输入端放置的TVS管可以有效保护放大器输入端,避免其受脉冲干扰而损坏。
3.4 电源的抗干扰设计
电源引入的干扰对静电探针测量仪的影响最为严重,往往导致系统的误动作、死机甚至元器件的损坏。通过反复试验和测试,结合干扰源和耦合路径地分析,主要采取以下几种电源抗干扰措施。
3.4.1 提高电源的供电质量
测量仪和PC机采用A相电源,机械泵采用B相电源,射频电源以及匹配器采用C相电源,可以有效抑制强电以及高频设备通过电源线耦合对测量仪和PC机的干扰。
3.4.2 电源滤波器的使用
在各个设备的电源输入端加抗干扰滤波器,原理如图5所示。图中L1和L2是对称绕在同一螺旋管上的双绕组扼流圈,在正常的工作电流范围内,对于共模信号来说,这两个线圈产生的磁场是相互加强的,对外呈现很高的阻抗;对于差模干扰和电源信号来说,两个线圈产生的磁场是相互抵消的,对外出现很低的阻抗。这样,通过空间辐射耦合到供电线的共模干扰分量就被L1,L2反射回去,而电源电流几乎保持不变。Cc是旁路电容,可将共模干扰旁路到地; Cd为电源跨接电容,用于滤除尖脉冲等差模干扰。
电源滤波器应安装在测量仪以及现场其他设备的电源入口端,这样可使电网的干扰进入机箱即被滤除。此外良好的接地对于滤波器的滤波效果非常重要,应采用大面积导电性连接方式接地。
3.4.3 TVS的使用
电源的瞬变尖脉冲干扰一般具有脉冲尖峰高、持续时间短的特点,电源滤波器很难将其完全滤除。为了进一步抑制此干扰,在电源输入端采用合适的TVS吸收脉冲能量,避免其损坏后级电源器件。
3.4.4 电源变压器的隔离
电源共模干扰主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递,如在变压器的初次级间插入屏蔽层隔离,便能使干扰电压通过屏蔽层耦合到地,从而进一步减少耦合到次级的干扰电压。
3.5 PCB板抗干扰设计
静电探针测量仪是模拟、数字,强电、弱电混合的系统,PCB板设计的关键是尽量减少相互之间的耦合,因此主要采用保护环以及适当的接地等措施。
3.5.1 保护环设计
用地线将电流输入信号包围,可以有效抑制其他强电信号源通过PCB基板的漏电对微弱探针电流信号所形成的干扰。
3.5.2 适当的接地
对于模拟信号,无论是输入信号还是输出信号,接地的关键均是尽量减少公共阻抗和避免接地环路。公共接地阻抗会导致各个部件之间的接地干扰,接地环路会使变化的磁通在其上感应出电动势,对于微弱信号的调理电路来说,这类干扰都是不可忽略的。对模拟信号的接地处理通常采用一点接地并避免接地环路;对于数字信号,特别是高速数字信号应该采用完整的地平面接地,以减少接地电感和环路面积。系统中的模拟地和数字地应采用分开走线,最后通过小电感在电源地汇集,以减少相互之间的影响。
3.6 软件抗干扰
在实际的测量中,尽管采用了很多硬件抗干扰的措施,但测量的信号仍混有明显的噪声。通过对采集的数据进行分析,主要为随机干扰和50Hz工频干扰,消除上述干扰的最有效方法是采用平均值滤波。本设计通过对采样时间的精确控制,使得单次采样时间为1ms,只要对同一输入信号连续采样20次,或者取20次的倍数,即可消除50Hz工频以及随机干扰,当然采样次数越多,滤波性能越好。
4 实验结果及分析
为了验证抗干扰措施的实际效果,在图1所示的实验平台上,用静电探针测量仪对等离子体进行了测量。该平台采用射频感应耦合放电产生等离子体,射频源功率140W,工作气体为空气,放电气压10Pa,测量仪的电压扫描范围是-100V~+100V,取样电阻10kΩ,放大倍数10倍(由PC机端软件设定)。图6为未采用抗干扰措施的I-V特性曲线,图7为采用了软硬件抗干扰措施的I-V特性曲线,其中横坐标为探针间的扫描电压,纵坐标为探针电流经过取样、放大后的电压值,流过探针的电流即为该电压值除以设定的取样电阻和放大倍数。由实验结果不难看出,未采用抗干扰措施前,曲线的噪声很大,毛刺很多,有效测量信号被噪声完全淹没;采用抗干扰措施后,噪声明显减少,曲线平滑、干净,满足测量准确性和可靠性的要求,因此所采用的抗干扰措施是有效的。
5 结束语
通过对静电探针测量仪使用环境中干扰源及其耦合路径地分析,采用针对性抗干扰措施,使得探针测量数据的准确性和可靠性有了极大的提高。该测量仪已经被多所高校和科研院所所使用,取得了良好的效果。本文所讨论的抗干扰的方法,对设计其他处于类似工况下工作的仪器具有一定的参考价值。
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作者简介:晋荣(1984—),男,在读硕士研究生,研究方向为智能仪器与测控系统的设计;程健(1964—),男,高级工程师。
(收稿日期:2010-04)
