《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件-項(xiàng)目十三 現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)

項(xiàng)目十三現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

任務(wù)一

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

任務(wù)二

檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

知識(shí)目標(biāo)：（1）了解現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。（2）了解常見干擾的種類及防護(hù)。能力目標(biāo)：（1）掌握利用計(jì)算機(jī)組成的現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的組成、主要形式。（2）掌握常見的干擾源、常用的抗干擾措施。

思政目標(biāo)：

通過介紹現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使同學(xué)們了解其對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)發(fā)展的影響，激勵(lì)同學(xué)們樹立“學(xué)有所成、技術(shù)報(bào)國(guó)”的情懷。

任務(wù)一

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)1.1現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般包括硬件和軟件兩大部分。1、硬件主要都是由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、信號(hào)記錄、傳輸及顯示等部分組成。2、軟件主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理與分析等功能，實(shí)現(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能。圖12-1現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)一般組成框圖

1.2現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例1、ST300系列智能式壓力傳感器美國(guó)霍尼韋爾公司推出的ST-3000系列傳感器，它將差壓、靜壓和溫度三種傳感器集成在一塊半導(dǎo)體基片上?？梢酝瑫r(shí)測(cè)量差壓、靜壓和溫度這三個(gè)參數(shù)，并具有壓力校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能。圖13-2ST-3000型智能壓力傳感器組成圖

(a)原理框圖

(b)輸入電路

2、智能化多種氣體探測(cè)報(bào)警裝置利用計(jì)算機(jī)組成的智能化多種氣體探測(cè)報(bào)警裝置以計(jì)算機(jī)為核心，能采集多個(gè)氣敏傳感器的輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)定值判斷是否報(bào)警。還能對(duì)氧化物氣體傳感器的加熱電流予以控制。

圖13-3智能化多種氣體探測(cè)裝置系統(tǒng)框圖任務(wù)二

檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)2.1干擾源

所謂干擾，就是指影響測(cè)量結(jié)果或作用于控制系統(tǒng)的各種無用信號(hào)。產(chǎn)生干擾信號(hào)的干擾源一般可分為外部干擾和內(nèi)部干兩種。外部干擾主要來自自然界的干擾以及各種電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的干擾。（1）自然干擾各種自然現(xiàn)象,如閃電、雷擊、宇宙射線、環(huán)境（溫度、濕度等）變化均可產(chǎn)生自然干擾。（2）各種電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生干擾各種電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的干擾是電磁干擾。內(nèi)部干擾主要是指測(cè)量電路內(nèi)部各種元器件的噪聲所引起的干擾。自然界干擾源和人為干擾源X光機(jī)產(chǎn)生大功率高頻干擾

閃電產(chǎn)生電磁場(chǎng)干擾2025/2/1812電吹風(fēng)機(jī)干擾電視機(jī)的演示

電吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電磁波干擾以兩種途徑到達(dá)電視機(jī)：一是通過共用的電源插座，二是以空間電磁場(chǎng)傳輸?shù)姆绞接呻娨暀C(jī)的天線接收。應(yīng)設(shè)法切斷這些干擾途徑。2025/2/18132.2干擾的作用方式對(duì)傳感器來說構(gòu)成干擾的噪聲源主要有以下幾種類型：1．路和場(chǎng)的干擾2．串模干擾與共模干擾3．軟件干擾1.路和場(chǎng)的干擾

路的干擾必須在干擾源和被干擾對(duì)象之間有完整的電路連接，干擾沿著這個(gè)通路到達(dá)被干擾對(duì)象。例如通過電源線、變壓器引入的干擾；場(chǎng)的干擾不需要沿著電路傳輸，而是以電磁場(chǎng)輻射的方式進(jìn)行。例如，電源線對(duì)傳感器的信號(hào)線的電場(chǎng)耦合干擾；又如電焊機(jī)電纜上的強(qiáng)電流對(duì)信號(hào)線的磁場(chǎng)耦合干擾。

2025/2/1815由電源配電回路引入的干擾

交流供配電線路在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的分布相當(dāng)于一個(gè)吸收各種干擾的網(wǎng)絡(luò),而且十分方便地以電路傳導(dǎo)的形式傳遍各處，經(jīng)檢測(cè)裝置的電源線進(jìn)入儀器內(nèi)部造成干擾。最明顯的是電壓突變和交流電源波形畸變，它使工頻的高次諧波(從低頻一直延伸至高頻)經(jīng)電源線進(jìn)入儀器的前級(jí)電路。例如，由調(diào)壓或逆變電路中的晶閘管引起的大功率高次諧波干擾；又如開關(guān)電源經(jīng)電源線往外泄漏出的幾百千赫茲尖脈沖干擾。2025/2/1816由電焊引起的干擾

電焊機(jī)電纜產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)干擾磁場(chǎng)交鏈信號(hào)線2025/2/18172.共模干擾與串模干擾

如果干擾源對(duì)兩根信號(hào)傳輸線的干擾大小相等、相位相同,就屬于共模干擾。由于“儀用放大器”的共模抑制比KCMR較大,所以共模干擾可以被抑制。但當(dāng)系統(tǒng)兩個(gè)輸入端出現(xiàn)很難避免的不平衡時(shí),共模電壓的一部分將轉(zhuǎn)換為串模干擾，就較難消除了。共模干擾儀可依靠放大器的共模抑制比KCMR來克服。較好的放大器共模抑制比可達(dá)100dB以上,所以共模干擾對(duì)檢測(cè)裝置的影響不大。但當(dāng)系統(tǒng)的兩個(gè)輸入端出現(xiàn)很難避免的不平衡時(shí),共模電壓的一部分將轉(zhuǎn)換為串模干擾，就較難消除了。因此必須盡量保持電路的對(duì)地平衡。2025/2/1818共模干擾與串模干擾舉例

熱電偶引線與220V電源線靠得太近將引起電場(chǎng)偶合干擾。如果UNi對(duì)兩根信號(hào)傳輸線的干擾大小相等、相位相同,就屬于共模干擾。

2025/2/1819

2.3干擾的抑制方法常用的抗干擾措施有屏蔽、隔離、接地、濾波、信號(hào)線的扭絞和軟件技術(shù)等。一、屏蔽技術(shù)

利用金屬材料制成容器，將需要防護(hù)的電路包圍在其中，可以防止電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合干擾的方法稱為屏蔽。屏蔽可分為靜電屏蔽、低頻磁屏蔽和電磁屏蔽等幾種。根據(jù)不同的對(duì)象，使用不同的屏蔽方式。

未加屏蔽罩時(shí)，中頻變壓器線圈易受外界干擾。加屏蔽罩后的中頻變壓器2025/2/18211.靜電屏蔽

靜電屏蔽是用銅或鋁等導(dǎo)電性良好的金屬為材料制作成封閉的金屬容器，并與地線連接，把需要屏蔽的電路置于其中，使外部干擾電場(chǎng)的電力場(chǎng)不影響其內(nèi)部的電路，反之，內(nèi)部電路產(chǎn)生的電力線也無法影響外電路。靜電屏蔽的容器器壁上允許有較小的孔洞（作為引線孔或調(diào)試孔）它對(duì)屏蔽的影響不大。2025/2/1822儀器設(shè)備的屏蔽外殼必須接地2.低頻磁屏蔽

低頻磁屏蔽是用來隔離低頻（主要指50Hz）磁場(chǎng)和固定磁場(chǎng)（也稱靜磁場(chǎng)，其幅度、方向不隨時(shí)間變化，如永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)）耦合干擾的有效措施。靜電屏蔽線或靜電屏蔽盒對(duì)低頻磁場(chǎng)不起隔離作用。必須采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便讓低頻干擾磁力線只從磁阻很小的磁屏蔽層上通過，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。有時(shí)還將屏蔽線穿在接地的鐵質(zhì)蛇皮管或普通鐵管內(nèi)，同時(shí)達(dá)到靜電屏蔽和低頻屏蔽的目的。

2025/2/18233.電磁屏蔽

電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，將被保護(hù)的電路包圍在其中。它屏蔽的干擾對(duì)象是高頻（40kHz以上）磁場(chǎng)。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時(shí)，就在其外表面感應(yīng)出同頻率的電渦流，從而消耗了高頻干擾源磁場(chǎng)的能量。其次，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)，抵消了一部分干擾磁場(chǎng)的能量，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場(chǎng)的影響。

鍍銅電磁屏蔽盒2025/2/1824軍用屏蔽帳篷幾種用導(dǎo)電纖維材料編織而成的軍用電磁屏蔽器材

（參考常州雷寧電磁屏蔽設(shè)備公司資料）

軍用電子方艙屏蔽通信車2025/2/1825二、接地技術(shù)

地線的種類接地起源于強(qiáng)電技術(shù)，它的本意是接大地，主要著眼于安全。這種地線也稱為“保安地線”。它的接地電阻值必須小于規(guī)定的數(shù)值。對(duì)于儀器、通訊、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)來說，“地線”多是指電信號(hào)的基準(zhǔn)電位，也稱為“公共參考端”，它除了作為各級(jí)電路的電流通道之外，還是保證電路工作穩(wěn)定、抑制干擾的重要環(huán)節(jié)。它可以接大地，也可以與大地隔絕。

2025/2/18261.保安地線

電烙鐵的外殼必須良好地接大地，以保證人身安全以及焊接對(duì)象不致被靜電擊穿。2025/2/1827接大地與防靜電的關(guān)系

人在工頻電場(chǎng)中工作時(shí)，身體可能感應(yīng)出幾十伏以上的電壓；當(dāng)人在地板上行走時(shí)，也可能因摩擦而帶上幾百伏以上的靜電。因此在焊接集成電路時(shí)，人體必須良好地接大地，以保證集成電路的CMOS輸入端不致被靜電擊穿。人體接地的方法之一是帶上接地的防靜電手腕帶。防靜電手腕帶2025/2/18282.信號(hào)地線（1）模擬信號(hào)地線

模擬信號(hào)地線是模擬信號(hào)的零信號(hào)電位公共線。因?yàn)槟M信號(hào)電壓多數(shù)情況下均較弱、易受干擾，易形成級(jí)間不希望的反饋，所以模擬信號(hào)地線的橫截面積應(yīng)盡量大些。

2025/2/1829（2）數(shù)字信號(hào)地線

數(shù)字信號(hào)地線是數(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，為了避免數(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，否則會(huì)嚴(yán)重干擾模擬信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。

2025/2/18303.信號(hào)源地線

傳感器可看作是測(cè)量裝置的信號(hào)源，多數(shù)情況下信號(hào)較為微弱，通常傳感器安裝在生產(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)為傳感器的公共參考端就是信號(hào)源地線，它必須與測(cè)量裝置進(jìn)行正確的連接才能提高整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2025/2/18314.負(fù)載地線

負(fù)載的電流一般都比前級(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)載地線必須與其他信號(hào)地線分開。例如，若誤將喇叭的負(fù)極（接地線）與擴(kuò)音機(jī)話筒的屏蔽線碰在一起，就相當(dāng)于負(fù)載地線與信號(hào)地線合并，可能引起嘯叫。又如當(dāng)負(fù)載是繼電器時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合和斷開的瞬間經(jīng)常產(chǎn)生電火花，容易反饋到前級(jí)，造成干擾，因此應(yīng)正確連接。2025/2/1832

一點(diǎn)接地原則

對(duì)于模擬信號(hào)地線、數(shù)字信號(hào)地線、信號(hào)源地線、負(fù)載地線等幾種地線一般應(yīng)分別設(shè)置，在電位需要連通時(shí)，也必須仔細(xì)選擇合適的點(diǎn)，在一個(gè)地方相連，才能消除各地線之間的干擾。2025/2/1833

濾波器是抑制交流差模干擾的有效手段之一。有RC濾波器和LC濾波器等幾種。電源網(wǎng)絡(luò)吸收了各種高、低頻噪聲，對(duì)此常用LC濾波器來抑制混入電源的噪聲。

2025/2/1834三、濾波技術(shù)

二、隔離

目前檢測(cè)系統(tǒng)越來越多地采用光耦合器，也稱光電耦合器或光耦，它可較大地提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。光耦合器是一種電→光→電耦合器件，它的輸入量是電流，輸出量也是電流，可是兩者之間從電氣上看卻是絕緣的，輸入、輸出回路的絕緣電阻可高達(dá)1010

、耐壓超過1kV。光耦中的發(fā)光二極管一般采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而光敏元件可以是光敏二極管、三極管、達(dá)林頓管，甚至可以是光敏雙向晶閘管、光敏集成電路等。

2025/2/1835光耦的外形雙列直插式貼片式2025/2/1836光耦的隔離、傳輸作用舉例

下圖是用光耦傳遞信號(hào)并將輸入回路與輸出回路隔離的電路。光耦的紅外發(fā)光二極管經(jīng)兩只限流電阻R1、R2跨接到三相電源路中。請(qǐng)分析當(dāng)交流接觸器未吸合時(shí)和吸合后兩種狀態(tài)下流過光耦中的紅外發(fā)光二極管VＬ1的電流、光耦中的光敏三極管V1的狀態(tài)，以及Ue、Ｕo的電平。

用“測(cè)電筆”測(cè)試IC1左右兩側(cè)的帶電狀態(tài)，哪一側(cè)電筆亮？這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了什么？2025/2/1837

項(xiàng)

目小結(jié)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、信號(hào)記錄、傳輸及顯示等部分，如果信號(hào)處理電路的核心是計(jì)算機(jī)，就是計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)中使用的計(jì)算機(jī)類型有單片機(jī)、單板機(jī)、微型機(jī)和小型機(jī)等。利用計(jì)算機(jī)組成的現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是能用于各種測(cè)量對(duì)象的通用計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)；另一種是構(gòu)成針對(duì)專門測(cè)量對(duì)象的各類智能檢測(cè)儀器。干擾是指影響測(cè)量結(jié)果或作用于控制系統(tǒng)的