傳感器與自動檢測技術(shù)第10章 檢測系統(tǒng)的信號處理技術(shù)

本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成在機電一體化產(chǎn)品中，對被測量的控制和信息處理多數(shù)采用計算機來實現(xiàn)，因此傳感器的檢測信號一般需要被采集到計算機中作進(jìn)一步處理，以便獲得所需要的控制和顯示信息。在用計算機對模擬信號進(jìn)行測量和控制時，必須首先把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后計算機按一定的處理要求對信號進(jìn)行處理。實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路系統(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要介紹如下：〔2〕多路模擬開關(guān)如果有許多獨立的模擬信號源，都需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在可能的條件下，為了簡化電路結(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)在控制信號作用下、按指定的次序把各路模擬信號分時地送至A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?！?〕采樣/保持電路〔S/H電路〕由于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換需要一定的時間，如在轉(zhuǎn)換過程中輸入的信號有所改變，那么轉(zhuǎn)換結(jié)果與轉(zhuǎn)換之初的模擬信號便有較大的誤差，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，接下來才對這個輸出信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。顯然，為了提高系統(tǒng)的測量速度，采樣時間越短越好；為了有良好的轉(zhuǎn)換精度，保持時間越長越好?？刂菩盘栞斎氡３謱嶋H保持電壓獲得時間應(yīng)保持電壓延時引入誤差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)字信號無論在邏輯電平還是時序要求、驅(qū)動能力等方面與計算機的總線信號可能會有差異，因此，把A／D轉(zhuǎn)換器的輸出直接送至計算機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行電路參數(shù)匹配。當(dāng)然，對于為某類計算機特殊設(shè)計的A／D轉(zhuǎn)換器來說，這種接口電路已與A／D芯片集成為一體，無需增加額外的接口電路。綜上所述，一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須按照規(guī)定的動作次序進(jìn)行工作。這樣必須有一些電路受控于計算機來產(chǎn)生一定時序要求的邏輯控制信號，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)場獨立智能數(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，可擴至256通道③14個可編程輸入量程，最大可到20V

④可直接測試各種傳感器信號⑤24路通用數(shù)字I/O，16路專用數(shù)字輸入，可擴至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.傳感器信號的預(yù)處理方法1〕傳感器輸出信號的特點〔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)信號型、模擬信號型〔有電壓型、電流型和阻抗型等〕、數(shù)字信號型等?！?〕傳感器的輸出信號一般比較微弱，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，這樣使傳感器信號輸入到測量轉(zhuǎn)換電路時會產(chǎn)生較大的信號衰減。〔4〕傳感器的動態(tài)范圍很寬?！?〕傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系有時不是線性關(guān)系?！?〕傳感器的輸出量會受溫度的影響。2〕傳感器信號的預(yù)處理方法傳感器信號預(yù)處理的主要目的是根據(jù)傳感器輸出信號的特點，采取不同的信號處理方法來抑制干擾信號，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補償和修正，從而提高檢測系統(tǒng)的測量精度和線性度。傳感器的信號經(jīng)預(yù)處理后，使其成為可供測量、控制及便于向微型計算機輸入的信號形式。常用的傳感器信號預(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，以便于檢測電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號。〔2〕放大電路：將傳感器輸出的微弱信號放大?！?〕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轉(zhuǎn)換為電流或電壓值?！?〕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?！?〕電荷放大器：將電場型傳感器輸出產(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?！?〕濾波電路：通過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，進(jìn)行非線性校正。〔10〕對數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號的動態(tài)范圍較寬時，用對數(shù)電路進(jìn)行壓縮。傳感器信號的預(yù)處理應(yīng)根據(jù)傳感器輸出信號的特點及后續(xù)檢測電路對信號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的測量信號往往很微弱，因而對放大器的精度要求很高，要求它能鑒別被測量的微小變化，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算放大器來實現(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〔噪聲〕，有時是完全相同的干擾，稱為共模干擾。運算放大器往往不能消除各種形式的共模干擾信號，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放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。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放及精密電阻一起組裝而成。其中兩只高精度運放參數(shù)對稱，構(gòu)成電路對稱的差分輸入級。整個組件輸入阻抗高，共模抑制比高，噪聲低，穩(wěn)定性好。它主要用于微小信號的精確測量。在工業(yè)自動控制、多點數(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放大、高阻電橋、光電管、生物電放大及高阻比較器等各種場合。差分輸入級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、漂移相互補償以及輸出不包含共模信號等一系列優(yōu)點。調(diào)節(jié)R1可改變放大倍數(shù)。下面簡要介紹國產(chǎn)儀表放大器組件ZF603～ZF605，它對應(yīng)美國AD公司的AD605，其參數(shù)性能表見表10–

1。ZF603是一種體積小、價格低的儀表放大器，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，可用于需擴展輸出電流的場合。

表10–

1中的增益精度是指實際曲線的增益標(biāo)準(zhǔn)誤差與平均增益之比的相對值，用以衡量整個輸出范圍內(nèi)閉環(huán)增益的精確程度。此外，實際曲線是指測試得到放大器的輸入輸出對應(yīng)值的連線。增益標(biāo)準(zhǔn)誤差是指各測試點增益與平均增益之差的方均根值。非線性畸變是實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值，它反映輸出的實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，以免測量信號被淹沒在噪聲中?！?〕高穩(wěn)定性、低漂移，減小溫度漂移和防止自激振蕩等?！?〕高抗干擾性能。放大器的前級最易受干擾，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很微弱，要求放大器的接入，盡可能對傳感器影響小。特別是當(dāng)傳感器輸出阻抗很高時，更要求放大器有高輸入阻抗?！?〕高共模抑制比。一方面是由于許多被測量本身是差模信號，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)然在滿足要求時還應(yīng)考慮價格、生產(chǎn)廠商的信譽等問題。2．隔離放大器1〕隔離放大器的應(yīng)用場合隔離放大器的主要功能是在輸入信號與輸出信號之間提供優(yōu)良的歐姆隔離，隔離放大器的一個重要特點為它的兩個輸入端是完全浮離〔指既不接地，也不接機殼〕的，所以它主要應(yīng)用于以下場合：〔1〕測量放大疊加在高共模電壓上的低電平信號，例如有關(guān)電力環(huán)境的測量。〔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?！?〕對電子儀器提供保護(hù)，防止高壓對儀器產(chǎn)生故障和損壞。〔4〕必須浮地連接的信號源，例如在低電平信號測量中防止地線環(huán)路和噪聲的影響?，F(xiàn)在已有隔離集成運放產(chǎn)品出現(xiàn)，它不僅保持了通用集成運放的性能，而且輸入公共端〔信號接地端〕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放的符號和根本引線端。隔離集成運放的引線端與通用集成運放不同。反響信號不能從輸出端取出，而由輸入局部反響端取出加在隔離集成運放的反相輸入端。輸入公共端為輸入信號電位的接地端，而輸出公共端實際上是供電電源公共端，又是輸出信號電平的公共端?！?〕絕緣電壓抑制比：當(dāng)輸入級、隔離級的失調(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。自動檢測系統(tǒng)在工作的過程中，有時可能會出現(xiàn)某些不正常的現(xiàn)象，這說明，存在著來自外部和內(nèi)部影響其正常工作的各種因素，尤其是當(dāng)被測信號很微弱時，問題就更加突出。這樣一些因素，總稱為“干擾〞。干擾不但會造成議量誤差，有的甚至?xí)鹣到y(tǒng)的紊亂，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。因此，在自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝和使用中都必須充分注意干擾抑制問題。我們應(yīng)首先了解干擾的種類和來源，形成干擾的途徑，從而才能有針對性地采取有效措施消除干擾的影響。干擾的例子：電磁信號干擾器干擾器10.2.1干擾的來源1.機械的干擾機械的干擾是指由于機械振動或沖擊，使傳感器裝置中的元件發(fā)生振動、變形，使連接導(dǎo)線發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動，這些都將影響其正常工作。聲波的干擾類似于機械振動，從效果上看，也可以列入這一類中。對于機械的干擾主要是采用減振措施來解決，例如應(yīng)用減振彈簧或減振橡皮墊等。2．熱的干擾在工作時傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動和環(huán)境溫度的變化等都會引起檢測電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，或產(chǎn)生附加的熱電動勢等，從而影響了傳感器系統(tǒng)的正常工作。對于熱的干擾，工程上通常采用：熱屏蔽、恒溫措施、對稱平衡結(jié)構(gòu)和溫度補償元件等方法進(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激發(fā)出電子空穴對，使半導(dǎo)體元器件產(chǎn)生電勢或引起阻值的變化，從而影響檢測系統(tǒng)正常工作。閃電擊中摩天樓戰(zhàn)斗機發(fā)射曳光干擾彈4．濕度變化的影響濕度增加會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)，對于具有光敏作用的元件，尤其應(yīng)注意光的屏蔽問題。5．化學(xué)的干擾化學(xué)物品，如酸堿鹽及腐蝕性氣體等，會通過化學(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電路和磁路對傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用；閃電是很強的電磁干擾信號電焊也是很強的電磁干擾信號源電場和磁場的變化也會在有關(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于傳感器系統(tǒng)來說是最為普遍和影響最嚴(yán)重的干擾，因此，必須認(rèn)真對待。切爾諾貝利核泄漏事故現(xiàn)場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量無關(guān)的電信號，這些無用的信號稱為噪聲。當(dāng)噪聲電壓使檢測電路元件無法正常工作時，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。噪聲對檢測裝置的影響必須與有用信號共同分析才有意義。衡量噪聲對有用信號的影響常用信噪比〔S／N〕來表示，它是指在信號通道中，有用信號功率PS與噪聲功率PN之比，或有用信號電壓US與噪聲電壓UN之比。它表示噪聲對有用信號影響的大小。信噪比常用對數(shù)形式來表示，單位：分貝〔dB〕，即〔10–1〕由上式可知，信噪比越大，表示噪聲測量結(jié)果的影響越小，在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比。對于檢測系統(tǒng)來說，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，并能取得精度等級范圍內(nèi)的正確測量結(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年代人們才越來越強調(diào)對電子設(shè)備、檢測控制系統(tǒng)的電磁兼容性問題。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)備釋放超過允許范圍的電磁干擾信號。通俗地說，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)生超過規(guī)定的電磁干擾信號。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，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一定的途徑侵入傳感器裝置才會對測量結(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〞兩種形式。凡電磁噪聲通過電路的形式作用于被干擾對象的，都屬于“路〞的干擾，如通過漏電流、共阻抗耦合等引入的干擾；凡電磁噪聲通過電場、磁場的形式作用于被干擾對象的，都屬于“場〞的干擾，如通過分布電容、分布互感等引入的干擾。1．通過“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)用傳感器測量較高的直流電壓時；〔2〕在傳感器附近有較高的直流電壓源時；〔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)過具有噪聲的環(huán)境時，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。通常，交流供電線路在生產(chǎn)現(xiàn)場的分布，實際上構(gòu)成了一個吸收各種噪聲的網(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電路共有阻抗，當(dāng)一個電路中有電流流過時，通過共有阻抗便在另一個電路上產(chǎn)生干擾電壓。例如，幾個電路由同一個電源供電時，會通過電源內(nèi)阻互相干擾，在放大器中，各放大級通過接地線電阻互相干擾。2．通過“場〞的干擾1〕靜電耦合形成的干擾電場耦合實質(zhì)上是電容性耦合，它是由于兩個電路之間存在寄生電容，可使一個電路的電荷變化影響到另一個電路。當(dāng)有幾個噪聲源同時經(jīng)靜電耦合干擾同一個接收電路時，只要是線性電路，就可以使用疊加原理分別對冬噪聲源干擾進(jìn)行分析。2〕電磁耦合形成的干擾電磁耦合又稱互感耦合，它是在兩個電路之間存在互感，一個電路的電流變化，通過磁交鏈會影響到另一個電路。例如，在傳感器內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是對鄰近電路的——種很嚴(yán)重干擾；在電子裝置外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在較長一段區(qū)間平行架設(shè)時，也會產(chǎn)生電磁耦合干擾。3〕輻射電磁場耦合形成的干擾輻射電磁場通常來源于大功率高頻電氣設(shè)備、播送發(fā)射臺和電視發(fā)射臺等。如果在輻射電磁場中放置一個導(dǎo)體，那么在導(dǎo)體上產(chǎn)生正比于電場強度的感應(yīng)電動勢。輸配電線路，特別是架空輸配電線路都將在輻射電磁場中感應(yīng)出干擾電動勢，并通過供電線路侵入傳感器，造成干擾。在大功率播送發(fā)射機附近的強電磁場中，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。例如，當(dāng)中波播送發(fā)射的垂直極化波的強度為100mV／m，長度為10cm的垂直導(dǎo)體可以產(chǎn)生5mV的感應(yīng)電動勢。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具備三個要素，即干擾源、干擾途徑以及對電磁噪聲敏感性較高的接收電路——檢測裝置的前級電路。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)措施來抑制干擾源。3．削弱接收電路對電磁干擾的敏感性根據(jù)經(jīng)驗，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、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)計電路時應(yīng)采用對電磁干擾敏感性差的電路。以上三個方面的措施可用疾病的預(yù)防來比喻，即消滅病菌來源、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，在靜電場中，密閉的空心導(dǎo)體內(nèi)部無電力線，亦即內(nèi)部各點等電位。靜電屏蔽實驗圖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，使高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生電渦流，消耗干擾磁場的能量，并利用渦流磁場抵消高頻干擾磁場，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻電磁場的影響。收音機－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起電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。程控交換機屏蔽機柜假設(shè)將電磁屏蔽層接地，那么同時兼有靜電屏蔽作用。通常使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜就能同時起電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。3〕低頻磁屏蔽在低頻磁場中，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〕模擬信號地線。它是模擬信號的零信號電位公共線，因為模擬信號有時較弱，易受干擾，所以對模擬信號地線的面積、走向、連接有較高的要求?！?〕數(shù)字信號地線。它是數(shù)字信號的零電平公共線。由于數(shù)字信號處于脈沖工作狀態(tài)，動態(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的干擾源，為了防止數(shù)字信號對模擬信號的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜?！?〕信號源地線。傳感器可看作是測量裝置的信號源，通常傳感器設(shè)在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場，而測量裝置設(shè)在離現(xiàn)場一定距離的控制室內(nèi)，從測量裝置的角度看，可以認(rèn)為傳感器的地線就是信號源地線。它必須與測量裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接才能提高整個檢測系統(tǒng)的抗干擾能力?！?〕負(fù)載地線。負(fù)載的電流一般都較前級信號電流大得多，負(fù)載地線上的電流有可能干擾前級微弱的信號，因此，負(fù)載地線必須與其他地線分開，有時兩者在電氣上甚至是絕緣的，信號通過磁耦合或光耦合來傳輸。2〕一點接地原那么對于上述四種地線一般應(yīng)分別設(shè)置，在電位需要連通時，也必須仔細(xì)選擇適宜的點，在一個地方相連，這樣才能消除各地線之間的干擾?！?〕單級電路的一點接地原那么?，F(xiàn)以單級選擇放大器為例來說明單級電路的一點接地原那么。電路如以下圖(a)所示，圖中有8個線端要接地；如果只從原理圖的要求進(jìn)行接線，那么這8個線端可接在接地母線上的任意點上，這幾個點可能相距較遠(yuǎn)，不同點之間的電位差就有可能成為這級電路的干擾信號，因此應(yīng)采取以下圖(b)所示的一點接地方式。〔2〕多級電路的一點接地原那么。以下圖所示的多級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點不同的對地電位差，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，為布線簡便起見，才可以采取上述電路，但也應(yīng)注意以下兩個原那么：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最近的地方，即A點接地。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，在高頻時反而會引起各地線之間的互感耦合干擾，因此只在頻率為lMHz以下時才予采用。當(dāng)頻率較高時，應(yīng)采取大面積的地線，這時允許多點接地，這是因為接地面積十分大，內(nèi)阻很低，反而易產(chǎn)生級與級之間的共阻抗耦合?！?〕傳感器系統(tǒng)的一點接地原那么。傳感元件與測量裝置構(gòu)成了一個完整的傳感器系統(tǒng)，兩者之間可能相距甚遠(yuǎn)，所以這兩個局部的接大地點之間的電位一般是不相等的，有時電位差可能高達(dá)幾伏甚至幾十伏，這個電壓稱為大地電位差。假設(shè)將傳感元件、測量裝置的零電位在兩處分別接大地，會有很大的電流流過信號傳輸線，在Zi2上產(chǎn)生電壓降，造成干擾，如以下圖所示。(a)系統(tǒng)兩點接地l，2—信號傳輸線；3—傳感器外殼；4—測量系統(tǒng)外殼；5—大地電位差(b)系統(tǒng)一點接地l，2—信號傳輸線；3—傳感器外殼；4—測量系統(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)一點接地的方法，大地電位差只能通過分布電容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?！?〕輸入、輸出回路絕緣電阻高〔大于1010Ω〕、耐壓超過1kV；〔2〕因為光的傳輸是單向的，所以輸出信號不會反響影響輸入端；〔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€特點可以看出，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，然后通過光電耦合器用數(shù)字脈沖的形式，把代表模擬信號的數(shù)字量耦合到諸如計算機之類的數(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，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)，所以可以采用廉價的光電耦合器件。10.3傳感器的非線性補償在傳感器和檢測系統(tǒng)中，特別是傳感器的輸出量與被測物理量之間的關(guān)系，絕大局部是非線性的。造成非線性的原因主要有兩個：一是許多傳感器的轉(zhuǎn)換原理非線性；二是采用的測量電路非線性。對于這類問題的解決，常采用增加非線性補償環(huán)節(jié)的方法。常用的增加非線性補償環(huán)節(jié)的方法有：〔1〕硬件電路的補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，各種對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)運算放大器，數(shù)字控制分段校正、非線性A/D轉(zhuǎn)換等。〔2〕微機軟件的補償方法利用微機的運算功能進(jìn)行非線性補償。10.3.1非線性補償環(huán)節(jié)特性的獲取方法為保證傳感與檢測系統(tǒng)的輸入輸出具有線性關(guān)系，必須獲得非線性補償環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。工程上求取非線性補償環(huán)節(jié)特性有兩種方法，分述如下。1.解析計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和要求整個檢測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，可用圖解法求取非線性補償環(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?！?〕將整臺測量儀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。再以第一象限各點作x軸的平行線與第二象限中特性曲線交于21，22，23，…，2n各點。〔5〕由第二象限各點作x軸垂線，再由第四象限各點作x軸平行線，兩者在第三象限的交點連線即為校正曲線U0=f2〔U2〕。這也就是非線性補償環(huán)節(jié)的非線性特性曲線。10.3.2非線性補償環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方法1.硬件電路的實現(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，將非線性補償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用假設(shè)干個有限的線段代替，然后根據(jù)各折點xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計電路?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)折點越多，折線越逼近曲線，精度也越高，但太多那么會因電路本身誤差而影響精度。右圖所示是一個最簡單的折點電路，其中E決定了轉(zhuǎn)折點的偏置電壓，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，運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，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電路組成一個反響放大器，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，在這種精密折點單元電路組成的線性化電路中，各折點的電壓將是穩(wěn)定的。〔10–3〕2.微機軟件的實現(xiàn)方法采用硬件電路雖然可以補償測量系統(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。在有微機的智能化檢測系統(tǒng)中，利用軟件功能可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的非線性補償，這種方法實現(xiàn)線性化的精度高、本錢低、通用性強。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驗測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，用折線逼近整個曲線，這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對應(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是被測量，x是測量數(shù)據(jù)。