傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)第10章 檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)

本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，對(duì)被測(cè)量的控制和信息處理多數(shù)采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此傳感器的檢測(cè)信號(hào)一般需要被采集到計(jì)算機(jī)中作進(jìn)一步處理，以便獲得所需要的控制和顯示信息。在用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和控制時(shí)，必須首先把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算機(jī)按一定的處理要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的器件便是模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔A／D轉(zhuǎn)換器，也稱ADC〕。10.1.1傳感器信號(hào)的預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常由包括放大器、濾波器等在內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)、采樣／保持電路、A／D轉(zhuǎn)換器以及接口控制邏輯電路所組成。以下圖給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型構(gòu)成方式。各組成局部的功能簡(jiǎn)要介紹如下：〔2〕多路模擬開關(guān)如果有許多獨(dú)立的模擬信號(hào)源，都需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在可能的條件下，為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低本錢、提高可靠性等，常常采用多路模擬開關(guān)，讓這些信號(hào)共享采樣／保持電路和A／D轉(zhuǎn)換等器件。多數(shù)模擬開關(guān)在控制信號(hào)作用下、按指定的次序把各路模擬信號(hào)分時(shí)地送至A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。〔3〕采樣/保持電路〔S/H電路〕由于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入的信號(hào)有所改變，那么轉(zhuǎn)換結(jié)果與轉(zhuǎn)換之初的模擬信號(hào)便有較大的誤差，甚至是面目全非。為了保證轉(zhuǎn)換的精度，需要在模擬信號(hào)源與A／D轉(zhuǎn)換器之間接入采樣／保持電路。在A／D轉(zhuǎn)換前，首先應(yīng)使采樣／保持電路處于采樣模式，采樣后使采樣／保持電路處于保持模式，即輸出電壓保持不變，接下來(lái)才對(duì)這個(gè)輸出信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。顯然，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量速度，采樣時(shí)間越短越好；為了有良好的轉(zhuǎn)換精度，保持時(shí)間越長(zhǎng)越好。控制信號(hào)輸入保持實(shí)際保持電壓獲得時(shí)間應(yīng)保持電壓延時(shí)引入誤差SC采樣保持波形采樣保持原理控制開關(guān)保持電容〔5〕接口電路及控制邏輯由于A／D轉(zhuǎn)換器所給出的數(shù)字信號(hào)無(wú)論在邏輯電平還是時(shí)序要求、驅(qū)動(dòng)能力等方面與計(jì)算機(jī)的總線信號(hào)可能會(huì)有差異，因此，把A／D轉(zhuǎn)換器的輸出直接送至計(jì)算機(jī)的總線上往往是不行的，必須在兩者之間參加接口電路以實(shí)行電路參數(shù)匹配。當(dāng)然，對(duì)于為某類計(jì)算機(jī)特殊設(shè)計(jì)的A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，這種接口電路已與A／D芯片集成為一體，無(wú)需增加額外的接口電路。綜上所述，一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須按照規(guī)定的動(dòng)作次序進(jìn)行工作。這樣必須有一些電路受控于計(jì)算機(jī)來(lái)產(chǎn)生一定時(shí)序要求的邏輯控制信號(hào)，邏輯控制電路便是完成這一功能的電路系統(tǒng)。Log2580系列現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①采樣速率100kHz，16bit分辨率②輸入通道：16單端/8差分模擬信號(hào)，可擴(kuò)至256通道③14個(gè)可編程輸入量程，最大可到20V

④可直接測(cè)試各種傳感器信號(hào)⑤24路通用數(shù)字I/O，16路專用數(shù)字輸入，可擴(kuò)至208通道性能參數(shù)：PersonalDaqsUSB

接口數(shù)據(jù)采集器CBook2000系列高精度便攜數(shù)據(jù)采集器Cerebus多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法1〕傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)〔1〕由于傳感器種類繁多，故傳感器的輸出形式也是各式各樣的。有開關(guān)信號(hào)型、模擬信號(hào)型〔有電壓型、電流型和阻抗型等〕、數(shù)字信號(hào)型等?！?〕傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓僅有0.1μV?！?〕傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減?！?〕傳感器的動(dòng)態(tài)范圍很寬?！?〕傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系有時(shí)不是線性關(guān)系?！?〕傳感器的輸出量會(huì)受溫度的影響。2〕傳感器信號(hào)的預(yù)處理方法傳感器信號(hào)預(yù)處理的主要目的是根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取不同的信號(hào)處理方法來(lái)抑制干擾信號(hào)，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正，從而提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和線性度。傳感器的信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后，使其成為可供測(cè)量、控制及便于向微型計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)形式。常用的傳感器信號(hào)預(yù)處理方法有以下幾種：〔1〕阻抗變換電路：在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測(cè)電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號(hào)。〔2〕放大電路：將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大。〔3〕電流電壓轉(zhuǎn)換電路：將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓值?！?〕頻率電壓轉(zhuǎn)換電路：把傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓值。〔5〕電橋電路：把傳感器的電阻、電感和電容值轉(zhuǎn)換為電流或電壓值。〔6〕電荷放大器：將電場(chǎng)型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)換為電壓值?！?〕交-直流轉(zhuǎn)換電路：在傳感器為交流輸出的情況下，轉(zhuǎn)換為直流輸出。〔8〕濾波電路：通過(guò)低通及帶通濾波器消除傳感器的噪聲成分?！?〕非線性校正電路傳感器的特性是非線性時(shí)，進(jìn)行非線性校正?！?0〕對(duì)數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，用對(duì)數(shù)電路進(jìn)行壓縮。傳感器信號(hào)的預(yù)處理應(yīng)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)及后續(xù)檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)的要求選擇不同的預(yù)處理電路。1.儀表放大器及選擇由傳感器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)往往很微弱，因而對(duì)放大器的精度要求很高，要求它能鑒別被測(cè)量的微小變化，進(jìn)行緩沖、隔離、放大和電平轉(zhuǎn)換等處理，這些功能大多可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而傳感器的工作環(huán)境往往是較復(fù)雜和惡劣的，在傳感器的兩條輸出線上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)〔噪聲〕，有時(shí)是完全相同的干擾，稱為共模干擾。運(yùn)算放大器往往不能消除各種形式的共模干擾信號(hào)，因此，需要引入另一種形式的放大器，即儀表放大器，它廣泛用于傳感器信號(hào)放大，特別是微弱信號(hào)及具有較大共模干擾的場(chǎng)合。1〕儀表放大器儀表放大器又稱數(shù)據(jù)放大器。一般是由三只高精度運(yùn)放及精密電阻一起組裝而成。其中兩只高精度運(yùn)放參數(shù)對(duì)稱，構(gòu)成電路對(duì)稱的差分輸入級(jí)。整個(gè)組件輸入阻抗高，共模抑制比高，噪聲低，穩(wěn)定性好。它主要用于微小信號(hào)的精確測(cè)量。在工業(yè)自動(dòng)控制、多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、航空及生態(tài)研究中，廣泛用于傳感器信號(hào)放大、高阻電橋、光電管、生物電放大及高阻比較器等各種場(chǎng)合。差分輸入級(jí)儀表放大器原理圖增益調(diào)整電阻總的電壓放大倍數(shù)為放大器所采用的上述電路形式，使它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償以及輸出不包含共模信號(hào)等一系列優(yōu)點(diǎn)。調(diào)節(jié)R1可改變放大倍數(shù)。下面簡(jiǎn)要介紹國(guó)產(chǎn)儀表放大器組件ZF603～ZF605，它對(duì)應(yīng)美國(guó)AD公司的AD605，其參數(shù)性能表見表10–

1。ZF603是一種體積小、價(jià)格低的儀表放大器，內(nèi)部有有源調(diào)零線路，可在±10V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)零輸入時(shí)的輸出電壓，且不影響共模抑制比，它按溫漂參數(shù)不同分為A、B兩檔，可用于需擴(kuò)展輸出電流的場(chǎng)合。

表10–

1中的增益精度是指實(shí)際曲線的增益標(biāo)準(zhǔn)誤差與平均增益之比的相對(duì)值，用以衡量整個(gè)輸出范圍內(nèi)閉環(huán)增益的精確程度。此外，實(shí)際曲線是指測(cè)試得到放大器的輸入輸出對(duì)應(yīng)值的連線。增益標(biāo)準(zhǔn)誤差是指各測(cè)試點(diǎn)增益與平均增益之差的方均根值。非線性畸變是實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差與輸出滿幅度之比的相對(duì)值，它反映輸出的實(shí)際值可能偏移理想直線的最大范圍。表10–

1ZF603～ZF605參數(shù)性能表ZF605儀表放大器原理圖及管腳排列圖如以下圖(a)、(b)所示，圖中2、3端接增益調(diào)整電阻RG。(a)ZF605儀表放大器原理圖(b)ZF605儀表放大器引腳圖〔引腳向上〕反向輸入2〕儀表放大器的選擇儀表放大器應(yīng)具有如下性能要求：〔1〕低噪聲。采用低噪聲放大器件并采取有效的減小噪聲措施，以免測(cè)量信號(hào)被淹沒在噪聲中。〔2〕高穩(wěn)定性、低漂移，減小溫度漂移和防止自激振蕩等。〔3〕高抗干擾性能。放大器的前級(jí)最易受干擾，要盡量縮短導(dǎo)線影響，采用調(diào)制的方法和妥善的屏蔽措施等?！?〕高輸入阻抗。由于傳感器輸出信號(hào)很微弱，要求放大器的接入，盡可能對(duì)傳感器影響小。特別是當(dāng)傳感器輸出阻抗很高時(shí)，更要求放大器有高輸入阻抗。〔5〕高共模抑制比。一方面是由于許多被測(cè)量本身是差模信號(hào)，另一方面由于許多干擾為共模干擾，因此高共模抑制比有利于提高抗干擾性能?！?〕高線性度。在較大量程內(nèi)有良好的線性。〔7〕適宜的頻率特性。為使放大后的信號(hào)不失真，要求它有寬頻帶。為抑制某些干擾，又要求它有適宜的頻帶。儀表放大器應(yīng)在考慮以上性能要求后進(jìn)行選擇，當(dāng)然在滿足要求時(shí)還應(yīng)考慮價(jià)格、生產(chǎn)廠商的信譽(yù)等問(wèn)題。2．隔離放大器1〕隔離放大器的應(yīng)用場(chǎng)合隔離放大器的主要功能是在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間提供優(yōu)良的歐姆隔離，隔離放大器的一個(gè)重要特點(diǎn)為它的兩個(gè)輸入端是完全浮離〔指既不接地，也不接機(jī)殼〕的，所以它主要應(yīng)用于以下場(chǎng)合：〔1〕測(cè)量放大疊加在高共模電壓上的低電平信號(hào)，例如有關(guān)電力環(huán)境的測(cè)量。〔2〕需要高電壓隔離和極低的漏電流，例如醫(yī)療用的病人監(jiān)護(hù)儀器。〔3〕對(duì)電子儀器提供保護(hù)，防止高壓對(duì)儀器產(chǎn)生故障和損壞?！?〕必須浮地連接的信號(hào)源，例如在低電平信號(hào)測(cè)量中防止地線環(huán)路和噪聲的影響?，F(xiàn)在已有隔離集成運(yùn)放產(chǎn)品出現(xiàn)，它不僅保持了通用集成運(yùn)放的性能，而且輸入公共端〔信號(hào)接地端〕與輸出公共端〔負(fù)載接地端〕之間保持良好的絕緣。右圖所示為隔離集成運(yùn)放的符號(hào)和根本引線端。隔離集成運(yùn)放的引線端與通用集成運(yùn)放不同。反響信號(hào)不能從輸出端取出，而由輸入局部反響端取出加在隔離集成運(yùn)放的反相輸入端。輸入公共端為輸入信號(hào)電位的接地端，而輸出公共端實(shí)際上是供電電源公共端，又是輸出信號(hào)電平的公共端?！?〕絕緣電壓抑制比：當(dāng)輸入級(jí)、隔離級(jí)的失調(diào)電壓為零，反相端的電壓差與輸出電壓之比。式中，IMRR為絕緣電壓抑制比。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在工作的過(guò)程中，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)某些不正常的現(xiàn)象，這說(shuō)明，存在著來(lái)自外部和內(nèi)部影響其正常工作的各種因素，尤其是當(dāng)被測(cè)信號(hào)很微弱時(shí)，問(wèn)題就更加突出。這樣一些因素，總稱為“干擾〞。干擾不但會(huì)造成議量誤差，有的甚至?xí)鹣到y(tǒng)的紊亂，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。因此，在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用中都必須充分注意干擾抑制問(wèn)題。我們應(yīng)首先了解干擾的種類和來(lái)源，形成干擾的途徑，從而才能有針對(duì)性地采取有效措施消除干擾的影響。干擾的例子：電磁信號(hào)干擾器干擾器10.2.1干擾的來(lái)源1.機(jī)械的干擾機(jī)械的干擾是指由于機(jī)械振動(dòng)或沖擊，使傳感器裝置中的元件發(fā)生振動(dòng)、變形，使連接導(dǎo)線發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動(dòng)，這些都將影響其正常工作。聲波的干擾類似于機(jī)械振動(dòng)，從效果上看，也可以列入這一類中。對(duì)于機(jī)械的干擾主要是采用減振措施來(lái)解決，例如應(yīng)用減振彈簧或減振橡皮墊等。2．熱的干擾在工作時(shí)傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動(dòng)和環(huán)境溫度的變化等都會(huì)引起檢測(cè)電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，或產(chǎn)生附加的熱電動(dòng)勢(shì)等，從而影響了傳感器系統(tǒng)的正常工作。對(duì)于熱的干擾，工程上通常采用：熱屏蔽、恒溫措施、對(duì)稱平衡結(jié)構(gòu)和溫度補(bǔ)償元件等方法進(jìn)行抑制。3.光的干擾在傳感器裝置中人們廣泛使用著各種半導(dǎo)體器件，但是半導(dǎo)體材料在光線的作用下會(huì)激發(fā)出電子空穴對(duì)，使半導(dǎo)體元器件產(chǎn)生電勢(shì)或引起阻值的變化，從而影響檢測(cè)系統(tǒng)正常工作。閃電擊中摩天樓戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射曳光干擾彈4．濕度變化的影響濕度增加會(huì)使元器件的絕緣電阻下降，漏電流增加，高值電阻的阻值下降，電介質(zhì)的介電常數(shù)增加，吸潮的線圈骨架膨脹，等等。這樣必然會(huì)影響傳感器系統(tǒng)的正常工作，尤其是在南方潮濕地帶、船舶及鍋爐等地方，更應(yīng)注意密封防潮措施。例如，電氣元件印制電路板的浸漆、環(huán)氧樹脂封灌和硅橡膠封灌等均是強(qiáng)有力的防濕措施。下雨的路面因此，半導(dǎo)體元器件應(yīng)封裝在不透光的殼體內(nèi)，對(duì)于具有光敏作用的元件，尤其應(yīng)注意光的屏蔽問(wèn)題。5．化學(xué)的干擾化學(xué)物品，如酸堿鹽及腐蝕性氣體等，會(huì)通過(guò)化學(xué)腐蝕作用損壞傳感器裝置，因此，良好的密封和注意清潔是十分必要的。金屬的腐蝕銅晶界的腐蝕6．電和磁的干擾電和磁可以通過(guò)電路和磁路對(duì)傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用；閃電是很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)電焊也是很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)源電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化也會(huì)在有關(guān)電路中感應(yīng)出干擾電壓，從而影響傳感器系統(tǒng)的正常工作。這種電和磁的干擾對(duì)于傳感器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最為普遍和影響最嚴(yán)重的干擾，因此，必須認(rèn)真對(duì)待。切爾諾貝利核泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)的資料照片受到核污染的患者宇宙中超大質(zhì)量的黑洞天體發(fā)生高能離子輻射時(shí)的效果圖用于原子能、核裝置等領(lǐng)域內(nèi)的傳感器系統(tǒng)，尤其要注意射線輻射對(duì)傳感器系統(tǒng)的干擾。10.2.2信噪比和電磁兼容性1.信噪比各種干擾在傳感器系統(tǒng)的輸出端往往反映為一些與檢測(cè)量無(wú)關(guān)的電信號(hào)，這些無(wú)用的信號(hào)稱為噪聲。當(dāng)噪聲電壓使檢測(cè)電路元件無(wú)法正常工作時(shí)，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。噪聲對(duì)檢測(cè)裝置的影響必須與有用信號(hào)共同分析才有意義。衡量噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響常用信噪比〔S／N〕來(lái)表示，它是指在信號(hào)通道中，有用信號(hào)功率PS與噪聲功率PN之比，或有用信號(hào)電壓US與噪聲電壓UN之比。它表示噪聲對(duì)有用信號(hào)影響的大小。信噪比常用對(duì)數(shù)形式來(lái)表示，單位：分貝〔dB〕，即〔10–1〕由上式可知，信噪比越大，表示噪聲測(cè)量結(jié)果的影響越小，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量提高信噪比。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要考慮在惡劣的電磁干擾環(huán)境中系統(tǒng)必須能正常工作，并能取得精度等級(jí)范圍內(nèi)的正確測(cè)量結(jié)果，即提高信噪比。為此在20世紀(jì)40年代人們提出了電磁兼容性的概念，但直到20世紀(jì)70年代人們才越來(lái)越強(qiáng)調(diào)對(duì)電子設(shè)備、檢測(cè)控制系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題。所謂電磁兼容是指電子設(shè)備在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能按照原設(shè)計(jì)要求而正常工作的能力，而且也不向處于同一環(huán)境中的其他設(shè)備釋放超過(guò)允許范圍的電磁干擾信號(hào)。通俗地說(shuō)，電磁兼容是指電子系統(tǒng)在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能正常工作的能力，而且還不允許產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定的電磁干擾信號(hào)。電磁干擾源可分為自然界干擾源和人為干擾源。自然界干擾源包括地球外層空間的宇宙射電噪聲、太陽(yáng)耀斑輻射噪聲以及大氣層的雷電噪聲等。人為干擾源又分為有意發(fā)射干擾源和無(wú)意發(fā)射干擾源。前者如播送、電視、通信雷達(dá)和導(dǎo)航等無(wú)線電設(shè)備，后者是各種工業(yè)、交通、醫(yī)療、家電、辦公設(shè)備在完成自身任務(wù)的同時(shí)，附帶產(chǎn)生的電磁能量輻射。10.2.3電磁干擾的途徑電磁干擾必須通過(guò)一定的途徑侵入傳感器裝置才會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，因此有必要討論電磁干擾的途徑及作用方式，以便有效地切斷這些途徑，消除干擾。電磁干擾的途徑有“路〞和“場(chǎng)〞兩種形式。凡電磁噪聲通過(guò)電路的形式作用于被干擾對(duì)象的，都屬于“路〞的干擾，如通過(guò)漏電流、共阻抗耦合等引入的干擾；凡電磁噪聲通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的形式作用于被干擾對(duì)象的，都屬于“場(chǎng)〞的干擾，如通過(guò)分布電容、分布互感等引入的干擾。1．通過(guò)“路〞的干擾1〕漏電流耦合形成的干擾漏電流耦合形成的干擾是由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流所引起的噪聲干擾。漏電流耦合干擾經(jīng)常發(fā)生在以下情況下：〔1〕當(dāng)用傳感器測(cè)量較高的直流電壓時(shí)；〔2〕在傳感器附近有較高的直流電壓源時(shí)；〔3〕在高輸入阻抗的直流放大電路中。2〕傳導(dǎo)耦合形成的干擾噪聲經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路中去是最明顯的干擾現(xiàn)象。當(dāng)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)具有噪聲的環(huán)境時(shí)，即拾取噪聲，并經(jīng)導(dǎo)線傳送到電路而造成干擾。傳導(dǎo)耦合的主要現(xiàn)象是噪聲經(jīng)電源線傳到電路中來(lái)。通常，交流供電線路在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的分布，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)吸收各種噪聲的網(wǎng)絡(luò)，噪聲可十分方便地以電路傳導(dǎo)的形式傳到各處，并經(jīng)過(guò)電源引線進(jìn)入各種電子裝置，造成干擾。3〕共阻抗耦合形成的干擾共阻抗耦合是由于兩個(gè)電路共有阻抗，當(dāng)一個(gè)電路中有電流流過(guò)時(shí)，通過(guò)共有阻抗便在另一個(gè)電路上產(chǎn)生干擾電壓。例如，幾個(gè)電路由同一個(gè)電源供電時(shí)，會(huì)通過(guò)電源內(nèi)阻互相干擾，在放大器中，各放大級(jí)通過(guò)接地線電阻互相干擾。2．通過(guò)“場(chǎng)〞的干擾1〕靜電耦合形成的干擾電場(chǎng)耦合實(shí)質(zhì)上是電容性耦合，它是由于兩個(gè)電路之間存在寄生電容，可使一個(gè)電路的電荷變化影響到另一個(gè)電路。當(dāng)有幾個(gè)噪聲源同時(shí)經(jīng)靜電耦合干擾同一個(gè)接收電路時(shí)，只要是線性電路，就可以使用疊加原理分別對(duì)冬噪聲源干擾進(jìn)行分析。2〕電磁耦合形成的干擾電磁耦合又稱互感耦合，它是在兩個(gè)電路之間存在互感，一個(gè)電路的電流變化，通過(guò)磁交鏈會(huì)影響到另一個(gè)電路。例如，在傳感器內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是對(duì)鄰近電路的——種很嚴(yán)重干擾；在電子裝置外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在較長(zhǎng)一段區(qū)間平行架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電磁耦合干擾。3〕輻射電磁場(chǎng)耦合形成的干擾輻射電磁場(chǎng)通常來(lái)源于大功率高頻電氣設(shè)備、播送發(fā)射臺(tái)和電視發(fā)射臺(tái)等。如果在輻射電磁場(chǎng)中放置一個(gè)導(dǎo)體，那么在導(dǎo)體上產(chǎn)生正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。輸配電線路，特別是架空輸配電線路都將在輻射電磁場(chǎng)中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢(shì)，并通過(guò)供電線路侵入傳感器，造成干擾。在大功率播送發(fā)射機(jī)附近的強(qiáng)電磁場(chǎng)中，傳感器外殼或傳感器內(nèi)部尺寸較小的導(dǎo)體也能感應(yīng)出較大的干擾電勢(shì)。例如，當(dāng)中波播送發(fā)射的垂直極化波的強(qiáng)度為100mV／m，長(zhǎng)度為10cm的垂直導(dǎo)體可以產(chǎn)生5mV的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。10.2.4抑制電磁干擾的根本措施電磁干擾的形成必須同時(shí)具備三個(gè)要素，即干擾源、干擾途徑以及對(duì)電磁噪聲敏感性較高的接收電路——檢測(cè)裝置的前級(jí)電路。三者之間的關(guān)系如圖10–

4所示。圖10–

4形成電磁干擾的三要素之間的聯(lián)系干擾源干擾途徑接收電路對(duì)難于消除或不能消除的干擾源，例如，某些自然現(xiàn)象的干擾、鄰近工廠的用電設(shè)備的干擾等，就必須采取防護(hù)措施來(lái)抑制干擾源。3．削弱接收電路對(duì)電磁干擾的敏感性根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高輸入阻抗電路比低輸入阻抗電路易受干擾；布局松散的電子裝置比結(jié)構(gòu)緊湊的電子裝置更易受外來(lái)干擾；模擬電路比數(shù)字電路的抗干擾能力差。由此可見，電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等都與干擾的形成有著密切關(guān)系。因此，系統(tǒng)布局應(yīng)合理，且設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)采用對(duì)電磁干擾敏感性差的電路。以上三個(gè)方面的措施可用疾病的預(yù)防來(lái)比喻，即消滅病菌來(lái)源、阻止病菌傳播和提高人體的抵抗能力。1〕靜電屏蔽根據(jù)電學(xué)原理，在靜電場(chǎng)中，密閉的空心導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電力線，亦即內(nèi)部各點(diǎn)等電位。靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)圖2〕電磁屏蔽電磁屏蔽也是采用導(dǎo)電良好的金屬材料作屏蔽罩，利用電渦流原理，使高頻干擾電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生電渦流，消耗干擾磁場(chǎng)的能量，并利用渦流磁場(chǎng)抵消高頻干擾磁場(chǎng)，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻電磁場(chǎng)的影響。收音機(jī)－屏蔽網(wǎng)房防電腦顯示器輻射的屏蔽罩假設(shè)將電磁屏蔽層接地，那么同時(shí)兼有靜電屏蔽作用。通常使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜就能同時(shí)起電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。程控交換機(jī)屏蔽機(jī)柜假設(shè)將電磁屏蔽層接地，那么同時(shí)兼有靜電屏蔽作用。通常使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜就能同時(shí)起電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。3〕低頻磁屏蔽在低頻磁場(chǎng)中，電渦流作用不太明顯，因此必須采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便將低頻干擾磁力線限制在磁阻很小的磁屏蔽層內(nèi)部，使低頻磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受低頻磁場(chǎng)耦合干擾的影響。在干擾嚴(yán)重的地方常使用復(fù)合屏蔽電纜，其最外層是低磁導(dǎo)率、高飽和的鐵磁材料，最里層是銅質(zhì)電磁屏蔽層，以便一步步地消耗掉干擾磁場(chǎng)的能量。在工業(yè)中常用的方法是將屏蔽線穿在鐵質(zhì)蛇皮管或普通鐵管內(nèi)，以到達(dá)雙重屏蔽的目的。低頻磁屏蔽材料1—接線盒；2—大地；3—熔斷器；4—相線；5—中性線；6—保護(hù)地線；7—電氣設(shè)備；8—外殼〔1〕模擬信號(hào)地線。它是模擬信號(hào)的零信號(hào)電位公共線，因?yàn)槟M信號(hào)有時(shí)較弱，易受干擾，所以對(duì)模擬信號(hào)地線的面積、走向、連接有較高的要求?！?〕數(shù)字信號(hào)地線。它是數(shù)字信號(hào)的零電平公共線。由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)脈沖電流在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為微弱模擬信號(hào)的干擾源，為了防止數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜?！?〕信號(hào)源地線。傳感器可看作是測(cè)量裝置的信號(hào)源，通常傳感器設(shè)在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，而測(cè)量裝置設(shè)在離現(xiàn)場(chǎng)一定距離的控制室內(nèi)，從測(cè)量裝置的角度看，可以認(rèn)為傳感器的地線就是信號(hào)源地線。它必須與測(cè)量裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接才能提高整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力?！?〕負(fù)載地線。負(fù)載的電流一般都較前級(jí)信號(hào)電流大得多，負(fù)載地線上的電流有可能干擾前級(jí)微弱的信號(hào)，因此，負(fù)載地線必須與其他地線分開，有時(shí)兩者在電氣上甚至是絕緣的，信號(hào)通過(guò)磁耦合或光耦合來(lái)傳輸。2〕一點(diǎn)接地原那么對(duì)于上述四種地線一般應(yīng)分別設(shè)置，在電位需要連通時(shí)，也必須仔細(xì)選擇適宜的點(diǎn)，在一個(gè)地方相連，這樣才能消除各地線之間的干擾?！?〕單級(jí)電路的一點(diǎn)接地原那么?，F(xiàn)以單級(jí)選擇放大器為例來(lái)說(shuō)明單級(jí)電路的一點(diǎn)接地原那么。電路如以下圖(a)所示，圖中有8個(gè)線端要接地；如果只從原理圖的要求進(jìn)行接線，那么這8個(gè)線端可接在接地母線上的任意點(diǎn)上，這幾個(gè)點(diǎn)可能相距較遠(yuǎn)，不同點(diǎn)之間的電位差就有可能成為這級(jí)電路的干擾信號(hào)，因此應(yīng)采取以下圖(b)所示的一點(diǎn)接地方式?！?〕多級(jí)電路的一點(diǎn)接地原那么。以下圖所示的多級(jí)電路利用了一段公用地線，在這段公用地線上存在著A、B、C點(diǎn)不同的對(duì)地電位差，有可能產(chǎn)生共阻抗干擾。只有在數(shù)字電路或放大倍數(shù)不大的模擬電路中，為布線簡(jiǎn)便起見，才可以采取上述電路，但也應(yīng)注意以下兩個(gè)原那么：一是公用地線截面積應(yīng)盡量大些，以減小地線的內(nèi)阻；二是應(yīng)把最低電平的電路放在距離接地點(diǎn)最近的地方，即A點(diǎn)接地。采用以下圖所示并聯(lián)接地方式，不易產(chǎn)生共阻耦合干擾，但需要很多根地線，在高頻時(shí)反而會(huì)引起各地線之間的互感耦合干擾，因此只在頻率為lMHz以下時(shí)才予采用。當(dāng)頻率較高時(shí)，應(yīng)采取大面積的地線，這時(shí)允許多點(diǎn)接地，這是因?yàn)榻拥孛娣e十分大，內(nèi)阻很低，反而易產(chǎn)生級(jí)與級(jí)之間的共阻抗耦合。〔3〕傳感器系統(tǒng)的一點(diǎn)接地原那么。傳感元件與測(cè)量裝置構(gòu)成了一個(gè)完整的傳感器系統(tǒng)，兩者之間可能相距甚遠(yuǎn)，所以這兩個(gè)局部的接大地點(diǎn)之間的電位一般是不相等的，有時(shí)電位差可能高達(dá)幾伏甚至幾十伏，這個(gè)電壓稱為大地電位差。假設(shè)將傳感元件、測(cè)量裝置的零電位在兩處分別接大地，會(huì)有很大的電流流過(guò)信號(hào)傳輸線，在Zi2上產(chǎn)生電壓降，造成干擾，如以下圖所示。(a)系統(tǒng)兩點(diǎn)接地l，2—信號(hào)傳輸線；3—傳感器外殼；4—測(cè)量系統(tǒng)外殼；5—大地電位差(b)系統(tǒng)一點(diǎn)接地l，2—信號(hào)傳輸線；3—傳感器外殼；4—測(cè)量系統(tǒng)外殼；5—大地電位差為防止這種現(xiàn)象，應(yīng)采取以下圖所示的系統(tǒng)一點(diǎn)接地的方法，大地電位差只能通過(guò)分布電容Ci1、Ci2構(gòu)成回路，干擾電流大為減小。假設(shè)進(jìn)一步采用屏蔽浮置的方法就能更好地克服大地電位差引起的干擾。〔1〕輸入、輸出回路絕緣電阻高〔大于1010Ω〕、耐壓超過(guò)1kV；〔2〕因?yàn)楣獾膫鬏斒菃蜗虻模暂敵鲂盘?hào)不會(huì)反響影響輸入端；〔3〕輸入輸出回路完全是隔離的，能很好地解決不同電位、不同邏輯電路之間的隔離和傳輸?shù)拿堋纳鲜鰩讉€(gè)特點(diǎn)可以看出，使用光電耦合器能比較徹底地切斷大地電位差形成的環(huán)路電流。使用光電耦合器的另一種方法是先將前置放大器的輸出電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)光電耦合器用數(shù)字脈沖的形式，把代表模擬信號(hào)的數(shù)字量耦合到諸如計(jì)算機(jī)之類的數(shù)字處理系統(tǒng)去作數(shù)據(jù)處理，從而將模擬電路與數(shù)據(jù)處理電路隔離開來(lái)，有效地切斷共模干擾的環(huán)路。在這種方式中，必須配置多路光電耦合器〔視A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)而定〕，由于光電耦合器是工作在數(shù)字脈沖狀態(tài)，所以可以采用廉價(jià)的光電耦合器件。10.3傳感器的非線性補(bǔ)償在傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)中，特別是傳感器的輸出量與被測(cè)物理量之間的關(guān)系，絕大局部是非線性的。造成非線性的原因主要有兩個(gè)：一是許多傳感器的轉(zhuǎn)換原理非線性；二是采用的測(cè)量電路非線性。對(duì)于這類問(wèn)題的解決，常采用增加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的方法。常用的增加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的方法有：〔1〕硬件電路的補(bǔ)償方法通常是采用模擬電路、數(shù)字電路，如二極管陣列開方器，各種對(duì)數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)運(yùn)算放大器，數(shù)字控制分段校正、非線性A/D轉(zhuǎn)換等。〔2〕微機(jī)軟件的補(bǔ)償方法利用微機(jī)的運(yùn)算功能進(jìn)行非線性補(bǔ)償。10.3.1非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性的獲取方法為保證傳感與檢測(cè)系統(tǒng)的輸入輸出具有線性關(guān)系，必須獲得非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。工程上求取非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性有兩種方法，分述如下。1.解析計(jì)算法以下圖中所示的傳感器特性解析式U1=f1〔x〕、放大器特性的解析式U2=GU1和要求整個(gè)檢測(cè)儀表的輸入與輸出特性U0=f2〔U2〕，將以上三式聯(lián)立求解，消去中間變量可得非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入與輸出關(guān)系表達(dá)式。2.圖解法當(dāng)傳感器等環(huán)節(jié)的非線性特性用解析式表示比較復(fù)雜或比較困難時(shí)，可用圖解法求取非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入／輸出特性曲線。圖解法的步驟如下〔見以下圖〕：〔1〕將傳感器的輸入與輸出特性曲線U1=f1〔x〕畫在直角坐標(biāo)的第一象限?！?〕將放大器的輸入與輸出特性U2=GU1畫在第二象限?！?〕將整臺(tái)測(cè)量?jī)x表的線性特性畫在第四象限?！?〕將x軸分成n段，段數(shù)n由精度要求決定。由點(diǎn)1，2，…，n各作x軸垂線，分別與第一、四象限中特性曲線交于11，12，13，…，1n及41，42，43，…，4n各點(diǎn)。再以第一象限各點(diǎn)作x軸的平行線與第二象限中特性曲線交于21，22，23，…，2n各點(diǎn)?！?〕由第二象限各點(diǎn)作x軸垂線，再由第四象限各點(diǎn)作x軸平行線，兩者在第三象限的交點(diǎn)連線即為校正曲線U0=f2〔U2〕。這也就是非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的非線性特性曲線。10.3.2非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法1.硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法目前最常用的是利用由二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入／輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而可以得到非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線。折線逼近法如右圖所示，將非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用假設(shè)干個(gè)有限的線段代替，然后根據(jù)各折點(diǎn)xi和各段折線的斜率ki來(lái)設(shè)計(jì)電路?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)折點(diǎn)越多，折線越逼近曲線，精度也越高，但太多那么會(huì)因電路本身誤差而影響精度。右圖所示是一個(gè)最簡(jiǎn)單的折點(diǎn)電路，其中E決定了轉(zhuǎn)折點(diǎn)的偏置電壓，二極管VD做開關(guān)用，其轉(zhuǎn)折電壓為：〔10–2〕式中，UD為二極管的正向壓降。由式〔10–2〕可知，轉(zhuǎn)折電壓不僅與E有關(guān)，還與二極管的正向壓降UD有關(guān)。以下圖所示為精密折點(diǎn)單元電路，它是由理想二極管與基準(zhǔn)電源E組成的。當(dāng)Ui與E之和為正時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出為負(fù)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，電路輸出為零。當(dāng)Ui與E之和為負(fù)時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電路組成一個(gè)反響放大器，輸出電壓隨Ui的變化而改變，有在這種電路中，折點(diǎn)電壓只取決于基準(zhǔn)電壓E，防止了二極管正向電壓UD的影響，在這種精密折點(diǎn)單元電路組成的線性化電路中，各折點(diǎn)的電壓將是穩(wěn)定的。〔10–3〕2.微機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)方法采用硬件電路雖然可以補(bǔ)償測(cè)量系統(tǒng)的非線性，但由于硬件電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、精度低、通用性差，很難到達(dá)理想效果。在有微機(jī)的智能化檢測(cè)系統(tǒng)中，利用軟件功能可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償，這種方法實(shí)現(xiàn)線性化的精度高、本錢低、通用性強(qiáng)。線性化的軟件處理經(jīng)常采用的有線性插值法、二次曲線插值法、查表法。1〕線性插值法線性插值法就是先用實(shí)驗(yàn)測(cè)出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。假設(shè)傳感器的特性曲線曲率大，可以將該曲線分段插值，用折線逼近整個(gè)曲線，這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對(duì)應(yīng)的輸出值。以下圖是用三段直線逼近傳感器等器件的非線性曲線。圖中y是被測(cè)量，x是測(cè)量數(shù)據(jù)。