智能传感器与新型检测技术概论课件

1 第8章检测系统设计基础 8 1检测系统的构成形式8 2检测系统设计的一般原则8 3检测系统设计步骤8 4检测系统抗干扰设计8 5检测系统可靠性设计8 6检测系统设计实例 2 8 1检测系统的构成形式 3 力位移速度加速度压力流量温度 电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式 电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器 笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡 数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机 被测对象 传感器 中间变换测量装置 显示及记录装置 实验结果处理装置 激发装置 8 1检测系统的构成形式 4 1 不断提高检测系统的测量精度 量程范围 延长使用寿命 提高可靠性 8 2检测系统设计的一般原则 传感与检测系统的设计要求 5 提高测量精度 数字电压 欧姆表 将量程切换到2V时 最小显示值为1 V 8 月球车 9 传感与检测系统的设计要求 1 不断提高检测系统的测量精度 量程范围 延长使用寿命 提高可靠性 2 应用新技术和新的物理效应 扩大检测领域 3 发展集成化 功能化的传感器 8 2检测系统设计的一般原则 10 手机 11 传感与检测系统的设计要求 1 不断提高检测系统的测量精度 量程范围 延长使用寿命 提高可靠性 2 应用新技术和新的物理效应 扩大检测领域 3 发展集成化 功能化的传感器 4 采用计算机技术 使检测技术智能化 8 2检测系统设计的一般原则 12 面部识别技术 13 传感与检测系统的设计要求 1 不断提高检测系统的测量精度 量程范围 延长使用寿命 提高可靠性 2 应用新技术和新的物理效应 扩大检测领域 3 发展集成化 功能化的传感器 4 采用计算机技术 使检测技术智能化 5 发展网络化传感器及检测系统 8 2检测系统设计的一般原则 14 15 8 3检测系统设计步骤 16 向日葵生长量 高度 的测量仪器 请构思一个测量向日葵生长量 高度 的测量仪器 画出应能看清元器件之间的安装关系 并简要说明测试装置的工作原理 8 3检测系统设计步骤 设计方案选择 1 由于植物生长是缓慢的 因此采用能测量微位移的差动变压器式位移传感器是较合适的 17 设计方案选择 2 观察向日葵的生长姿态 再考虑质量块 衔铁 导向轮 细绳及与差动变压器的相对位置及传动过程是该装置的关键 3 由于向日葵的生长是单方向的 因此测量转换电路的信号输出可以采用直流电压表指示 4 指针式毫伏表可将向日葵的生长量转换成指针的摆动幅度 仪表刻度可预先用卡尺标定 5 若进一步深化研究本题 可考虑将差动变压器的输出经转换电路和接口电路输入到计算机处理系统 计算机定时采集向日葵生长量的信息 经运算 在屏幕上显示或打印向日葵的生长趋势的曲线等 8 3检测系统设计步骤 18 向日葵生长量 高度 的测量演示 差动变压器 衔铁承受的重力 19 酒后驾车测试仪设计 酒后驾车易出事故 但判定驾驶员是否喝酒过量不能带有主观因素 请利用学过的知识 设计一台便携式 交警使用的检测 判别是否属于酒后驾车的测试仪 8 3检测系统设计步骤 20 设计方案选择 呼气量的大小实际上就是气体流量的大小 应采用气体流量传感器 形式上有热丝式流速传感器 卡门涡流流量传感器 差压流量传感器 风叶流量传感器等 在比较各自性能及使用范围后 做出合理的选择 气体流量与允许值的比较 气体流量传感器输出的信号强度与设定值通过比较电路来确定 呼气确认 并置计数器的计数次数 3 气敏传感器的确定 判定酒精蒸气是属于什么性质的气体 以确定相应的气敏传感器 4 将气敏传感器的输出电压经模 数 A D 转换输入到微机中 21 设计方案选择 5 微机控制程序运算内存中三次酒精蒸气含量百分比作平均值运算 驱动数显表 或经数 模 D A 转换得到电压值 驱动指针表 6 将酒精含量超标值设为阀值 与实测值进行比较 若超标 则执行题意规定的要求 7 外观要突出便携性这一特征 开关 指示灯及显示器等配置要符合人机工程学及美学要求 8 编写说明时 还应包括以下几个方面 1 测试仪的基本性能指标 适用对象 2 测试仪各组成部分的名称 3 操作步骤 4 简单故障的判断及处理方式 5 保修方式等 22 酒后驾车测试仪的试制 酒后驾车测试仪散件 呼气管 23 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类8 4 2干扰传播的途径8 4 3抗干扰的基本措施 24 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 25 1 机械干扰 机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动 改变了系统的电气参数 造成可逆或不可逆的影响 对机械干扰 可选用专用减振弹簧 橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率 吸收振动的能量 从而减小系统的振幅 橡胶海绵软垫 橡胶垫脚及弹簧 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 26 振动试验台 频率 振幅均可调节 将被测仪器 如图中的电子天平 固定在振动台上 逐渐增大振幅 测试在不同频率的规定振幅下 产品指标是否变化 固定 27 跌落试验 产品在运输过程中常因为遭受剧烈震动或跌落而损坏或性能变差 因此需要做抗跌落试验和测试 跌落试验机 28 2 湿度及化学干扰 当环境相对湿度增加时 物体表面就会附着一层水膜 并渗入材料内部 降低了绝缘强度 造成了漏电 击穿和短路现象 潮湿还会加速金属材料的腐蚀 并产生原电池电化学干扰电压 在较高的温度下 潮湿还会促使霉菌的生长 并引起有机材料的霉烂 某些化学物品如酸 碱 盐 各种腐蚀性气体以及沿海地区由海风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象 必须采取以下措施来加以保护 浸漆 密封 定期通电加热驱潮等 用绝缘漆浸渍过的控制变压器 浸漆可防止水分进入线圈内部 29 仪器设备的防潮试验 喷淋试验 30 仪器设备的防潮试验 步入式 恒温恒湿房体积 25m3 温度调节范围 40 80 湿度调节范围 30 90 RH可用于进行大型仪器设备的高低温 恒定湿热 交变湿热试验 31 3 热干扰 热量 特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面 元件参数的变化 温漂 接触热电势干扰 元器件长期在高温下工作时 引起寿命和耐压等级降低等 克服热干扰的防护措施有 选用低温漂元件 采取软 硬件温度补偿措施 选用低功耗 低发热元件 提高元器件规格余量 仪器的前置输入级远离发热元件 加强散热 采用热屏蔽等 32 散热风扇 33 4 固有噪声干扰 在电路中 电子元件本身产生的 具有随机性 宽频带的噪声称为固有噪声 最重要的固有噪声源是电阻热噪声 半导体散粒噪声和接触噪声等 固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来 但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上 34 5 电磁噪声干扰 电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中 在工频输电线附近也存在强大的交变电场 在强电流输电线附近存在干扰磁场 他们将对十分灵敏的检测装置造成干扰 由于这些干扰源功率强大 要消除他们的影响较为困难 必须采取多种措施来防护 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 35 1 电磁干扰的定义 电磁骚扰 EMD ElectroMagneticDisturbance 电磁骚扰是 任何可能引起装置 设备或系统性能降级或对有生命或无生命物质产生作用的电磁现象 电磁骚扰可能是电磁噪声 无用信号或传播媒介自身的变化 电磁干扰 EMI ElectroMagneticInterference 电磁干扰是 电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能的下降 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 5 电磁噪声干扰 36 2 电磁干扰 骚扰 源的分类电磁干扰的分类可以有许多种分法 例如 按传播途径分 有传导干扰和辐射干扰 其中传导干扰的传输性质有电耦合 磁耦合及电磁耦合 按辐射干扰的传输性质分 有近区场感应耦合和远区场辐射耦合 按频带分 有窄带干扰和宽带干扰 按干扰频率范围分 可细分为5种 按实施干扰者的主观意向分 可分为有意干扰源和无意干扰源 按干扰源性质分 有自然干扰和人为干扰 等等 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 5 电磁噪声干扰 37 38 39 所有的电磁干扰都是由3个基本要素组合而产生的 即 电磁干扰源 产生电磁干扰的任何元件 器件 设备 系统或自然现象 对该干扰能量敏感的设备 受到电磁干扰影响 或者说对电磁干扰发生响应的设备 将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介 即传输通道或耦合途径指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介 相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决 3 电磁干扰三要素 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 5 电磁噪声干扰 40 3 电磁干扰三要素 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 5 电磁噪声干扰 41 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 4 自然干扰 噪声 自然电磁干扰源存在于地球和宇宙 自然电磁现象会产生电磁噪声 自然干扰主要分为宇宙干扰 大气干扰 雷电干扰和热噪声 宇宙干扰宇宙干扰是来自太阳系 银河系及河外星系的电磁骚扰 主要包括太空背景噪声和太阳 月亮 木星等发射的无线电噪声 太阳无线电噪声则随着太阳的活动性明显变化 太阳活动高年无线电噪声显著增加 太阳的干扰频率从10MHz到几十GHz 银河系的干扰峰值出现在频段100 200MHz 宇宙干扰影响最大的频段是20 500MHz 5 电磁噪声干扰 42 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 4 自然干扰 噪声 雷电干扰雷电干扰主要是由夏季本地雷电和冬季热带地区雷电放电所产生 地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击放电 雷电是一连串的干扰脉冲 其电磁发射借助电离层的传输可传播到几千公里以外的地方 雷电干扰的频谱在50MHz以下都有分布 主要能量分布在100kHz左右 对地球上20MHz以下的无线电通信影响较大 大气层中的其他自然现象 例如沙暴 雨雾等 也会形成较强烈的电磁噪声源 5 电磁噪声干扰 43 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 4 自然干扰 噪声 大气干扰大气干扰是指除雷电放电外大气中的尘埃 雨点 雪花 冰雹等微粒在高速通过飞机 飞船表面时 由于相对摩擦运动而产生电荷迁移从而沉积静电 当电势升高到1MV时 就发生火花放电 电晕放电 这种放电产生的宽带射频噪声频谱分布在几赫兹到几十兆赫兹的范围内 会严重影响高频 甚高频频段的无线电通信和导航 5 电磁噪声干扰 44 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 4 自然干扰 噪声 热噪声热噪声是指处于一定热力学状态下的导体中所出现的无规则电起伏 是由导体中自由电子的无规则运动引起的 如电阻热噪声 气体放电噪声 有源器件散发的噪声 5 电磁噪声干扰 45 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 5 人为干扰 噪声 人为干扰分别来自有意发射干扰源和无意发射干扰源 有意发射干扰源有意发射干扰源是专用于辐射电磁能的设备 例如广播 电视 通信 雷达 导航等发射设备 是通过向空间发射有用信号的电磁能量来工作的 它们对不需要这些信号的电子系统或设备将构成功能性干扰 而且是电磁环境的重要污染源 5 电磁噪声干扰 46 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 5 人为干扰 噪声 人为干扰分别来自有意发射干扰源和无意发射干扰源 有意发射干扰源特点 a 具有高功率的发射机 向空间发射大量的电磁能量 b 工作在指定的频段上 c 广播与电视发射对环境所造成的电磁污染比同功率的其他工业干扰源要大得多 5 电磁噪声干扰 47 雷达会产生大功率高频干扰 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 5 人为干扰 噪声 人为干扰分别来自有意发射干扰源和无意发射干扰源 5 电磁噪声干扰 48 无意发射干扰源有许多装置都无意地发射电磁能量 例如汽车的点火系统 各种不同的用电装置和带电动机的装置 照明装置 霓红灯广告 高压电力线 工业 科学和医用设备以及接收机的本机振荡辐射等都在无意地发射电磁能量 这种发射可能是向空间的辐射 也可能是沿导线的传导发射 所发射的电磁能是随机的或是有规则的 一般占有非常宽的频带或离散频谱 所发射的功率可从微微瓦到兆瓦量级 5 人为干扰 噪声 人为干扰分别来自有意发射干扰源和无意发射干扰源 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 5 电磁噪声干扰 49 变电站会产生50Hz的高次谐波干扰以及电晕放电干扰 5 人为干扰 噪声 人为干扰分别来自有意发射干扰源和无意发射干扰源 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 电磁干扰 X光机产生大功率高频干扰 5 电磁噪声干扰 50 6 电磁干扰 骚扰 源的时 空 频谱特性 干扰能量的空间分布有意辐射干扰源 主要取决于发射天线的方向性及传输路径损耗 无意辐射源 无法从理论上严格计算 干扰能量的时间分布可分为周期性干扰 非周期性干扰和随机干扰3种类型 干扰的频率特性可分为窄带干扰与宽带干扰 一般而言 窄带干扰的带宽只有几十赫 最宽只有几百千赫 而宽带干扰的能量分布在几十至几百兆赫 甚至更宽的范围内 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 1产生干扰的因素与干扰分类 5 电磁噪声干扰 51 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 2干扰传播的途径 52 一般而言 从各种电磁骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备的通路或媒介 即耦合途径 有两种方式 一种是传导耦合方式 另一种是辐射耦合方式 传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一 传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接 电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备 产生电磁干扰 传导耦合的连接电路包括互连导线 电源线 信号线 接地导体 设备的导电构件 公共阻抗 电路元器件等 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 2干扰传播的途径 53 辐射耦合是电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播 骚扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射 辐射耦合的途径主要有天线 电缆 导线 机壳的发射对组合 通常将辐射耦合划分为三种 天线与天线的耦合 指的是天线A发射的电磁波被另一天线B无意接收 从而导致天线A对天线B产生功能性电磁干扰 场与线的耦合 指的是空间电磁场对存在于其中的导线实施感应耦合 从而在导线上形成分布电磁骚扰源 线与线的感应耦合 指的是导线之间以及某些部件之间的高频感应耦合 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 2干扰传播的途径 54 为了实现系统内 外的电磁兼容 需从组织上和技术上两方面采取措施 组织措施 为了抑制干扰实现电磁兼容 国际上已成立一系列的组织 还有各国政府及军事部门等 它们制定了一系列电磁兼容标准 规范与频谱分配 规定了干扰发射的极限值 限制各种设备发射出超过标准的干扰 并使各种系统在指定的频域 时域及空域上工作 尤其是推行强制性电磁兼容认证 以保证电磁兼容的有效实施 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 55 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 为了实现系统内 外的电磁兼容 需从组织上和技术上两方面采取措施 技术措施 从分析电磁干扰三要素 即干扰源 耦合途经和敏感设备 入手 采取有效的技术手段 抑制干扰源 减少不希望有的发射 消除或减弱干扰耦合 增加敏感设备的抗干扰能力 削弱不希望的响应 即利用各种抑制干扰技术 包括合适的接地 良好的搭接 合理的布线 屏蔽 滤波和限幅等技术以及这些技术的组合使用 还包括电磁干扰的分析与预测 电磁兼容设计和电磁干扰测量技术等 56 1 电磁屏蔽技术 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 57 电磁屏蔽的机理 感应涡流效应 这种理论解释电磁屏蔽机理比较形象易懂 物理概念清楚 但是难于据此推导出定量的屏蔽效果表达式 且关于骚扰源特性 传播媒介 屏蔽材料的磁导率等因素对屏蔽效能的影响也不能解释清楚 电磁场理论 严格说来 电磁场理论是分析电磁屏蔽原理和计算屏蔽效能的经典学说 但是 由于需要求解电磁场的边值问题 所以分析复杂且求解繁琐 传输线理论 它是根据电磁波在金属屏蔽体中传播的过程与行波在传输线中传输的过程相似 来分析电磁屏蔽机理 定量计算屏蔽效能 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电磁屏蔽技术 58 1 静电屏蔽 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电磁屏蔽技术 59 1 静电屏蔽 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电磁屏蔽技术 60 2 交变电场的屏蔽 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电磁屏蔽技术 61 入射波 场强 距离 吸收损耗A R1 R2 B 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电磁屏蔽技术 3 电磁场屏蔽 62 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 2 隔离技术利用空间隔离 器件隔离等技术 破坏干扰途径 切断噪声耦合通道 光耦隔离技术应用 63 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 2 隔离技术利用空间隔离 器件隔离等技术 破坏干扰途径 切断噪声耦合通道 64 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 2 隔离技术利用空间隔离 器件隔离等技术 破坏干扰途径 切断噪声耦合通道 65 3 接地技术目的 一是安全性 二是抗干扰 1 电力系统接地技术在电力系统中 为了保护人身和设备安全 常把电网的零线及各种设备的外壳接大地 这种技术称为接地技术 按一定技术要求埋入地中并且直接与大地接触的金属导体是接地体 电气设备与接地体连接的金属导体称为接地线 接地体与接地线统称为接地装置 接地就是将电气设备的某一部分通过接地装置同大地连接起来 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 66 3 接地技术1 电力系统接地技术接地电阻是指接地体或自然接地体的对地电阻和接地线电阻的总和 按照国家有关部门的规定 对于安全考虑接地电阻的阻值应小于4 10 对于仪器设备 计算机等的接地电阻应小于2 对于防雷接地电阻应小于1 按接地目的的不同 主要可分为工作接地 保护接地和重复接地三种 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 67 1 工作接地 保护接地和保护接零 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电力系统接地技术 68 2 重复接地 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电力系统接地技术 69 3 保护零线 8 4检测系统抗干扰设计 8 4 3抗干扰的基本措施 1 电力系统接地技术 70 2 检测系统接地技术在检测系统这种 弱电 系统中 所谓的 地 是指输入信号与输出信号的公共基准电位点 可以理解为一个等电位点或等电位面 它本身可能是与大地相隔离的 而接地不仅是保护人身和设备安全 也是抑制噪声干扰 保证系统工作稳定的关键技术 检测系统的 地 应用于不同的场合 就有了不同的名称 如大地 系统 基准 地 模拟 信号 地和数字 信号 地等 8 4检测系统抗干扰设计 71 1 一点接地和多点接地 系统内印制电路板接地的基本原则是高频电路应就近多点接地 低频电路应一点接地 因为在低频电路中 布线和元件间的电感并不是大问题 而公共阻抗耦合干扰的影响较大 因此 常以一点为接地点 高频电路中各地线电路形成的环路会产生电感耦合 增加了地线阻抗 同时各地线之间也会产生电感耦合 在高频 甚高频时 尤其是当线长度等于1 4波长的奇数倍时 地线阻抗就会变得很高 这时的地线就变成了天线 可以向外辐射噪声信号 所以这时的地线长度应小于信号波长的l 2 才能防止辐射干扰 并降低地线阻抗 实验证明 在超高频时 地线长度应小于25mm 并要求地线镀银处理 8 4检测系统抗干扰设计 72 73 74 频率在1MHz以下 可用一点接地 而高于10MHz时 则应多点接地 在lMHz 10MHz之间时 如果采用一点接地的方式 其地线长度就不要超过波长的1 20 否则 应采用多点接地的方式 对于具体接地方式 一点接地有放射式接地线路和母线式接地线路方式 放射式接地线路就是电路中各功能电路的 地 直接用接地导线与零电位基准点连接 母线式接地线路是采用具有一定截面积的优质导电体作为接地母线 直接接至零电位点 电路中的各功能块的 地 可就近接至该母线上 而多点接地采用平面式接地方式 利用一个良好的导电平面体 如采用多层线路板中的一层 接至零电位基准地上 各高频电路的 地 就近接至该 地平面 若电路中高低频均有 可将上述接地方法组合使用 8 4检测系统抗干扰设计 75 2 浮地与接地 多数的系统应接大地 有些特殊的场合 如飞行器或船舰上使用的仪器仪表不可能接大地 则应采用浮地方式 系统的浮地就是将系统的各个部分全部与大地浮置起来 即浮空 其目的是为了阻断干扰电流的通路 浮地后 检测电路的公共线与大地 或者机壳 之间的阻抗很大 所以 浮地同接地相比 能更强地抑制共模干扰电流 浮地方法简单 但全系统与地的绝缘电阻不能小于50M 这种方法有一定的抗干扰能力 但一旦绝缘下降便会带来干扰 此外 浮空容易产生静电 也会导致干扰 还有一种方法 将系统的机壳接地 其余部分浮空 这种方法抗干扰能力强 而且安全可靠 但制造工艺较复杂 8 4检测系统抗干扰设计 76 77 3 交流地与信号地在一段电源地线的两点间会有数毫伏 甚至几伏电压 对低电平的信号电路来说 这是一个非常严重的干扰 必须加以隔离和防止 因此 交流地和信号地不能共用 8 4检测系统抗干扰设计 4 数字地数字地又称逻辑地 主要是逻辑开关网络 如TTL CMOS印制板等数字逻辑电路的零电位 印制板中的地线应呈网状 而且其他布线不要形成环路 特别是环绕外周的环路 在噪声干扰上这是很重要的问题 印制板中的条状线不要长距离平行 不得已时 应加隔离电极和跨接线或做屏蔽处理 78 5 模拟地在仪器仪表进行数据采集时 需要对信号进行输入处理 其中 利用A D转换为常用方式 而模拟量的接地问题是必须重视的 当输入A D转换器的模拟信号较弱 0 50mV 时 模拟地的接法显得尤为重要 为了提高抗共模干扰的能力 可采用三线采样双层屏蔽浮地技术 所谓三线采样 就是将地线和信号线一起采样 这样的双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的办法 在实际应用中 由于传感器和机壳之间容易引起共模干扰 所以A D转换器的模拟地一般采用浮空隔离的方式 即A D转换器不接地 它的电源自成回路 A D转换器和计算机的连接通过脉冲变压器或光电耦合器来实现 8 4检测系统抗干扰设计 79 6 信号地 传感器的地 在检测系统中 传感器是重要的组成部分 但一般的传感器输出的信号都比较微弱 传输线长 易受到干扰影响的 所以 传感器的信号传输线应当采取屏蔽措施 以减少电磁辐射影响和传导耦合干扰 8 4检测系统抗干扰设计 7 功率地这种地线的电流较大 接地线的线径应较粗 且与小信号地线分开 连接直流地 80 8 屏蔽接地其目的是避免电场 磁场对系统的干扰 实用中屏蔽的接法根据屏蔽对象的不同也各有不同 电场屏蔽的目的是解决分布电容的问题 一般以接大地的方式来解决 电磁场屏蔽主要是为了避免雷达 短波电台等高频电磁场的辐射干扰问题 屏蔽材料要利用低阻金属材料 最好接大地 磁路屏蔽是为了防磁铁 电动机 变压器 线圈等磁感应 磁耦合而采取的抗干扰方法 其屏蔽材料为高磁材料 磁路屏蔽以封闭式结构为妥 并且接大地 检测系统分机中的高增益放大电路最好用金属罩屏蔽起来 并将屏蔽体接到放大电路的公共端 将寄生电容短路以防止反馈 达到避免放大电路振荡的目的 8 4检测系统抗干扰设计 81 若信号电路是一点接地 低频电缆的屏蔽层也应是一点接地 如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上 就会产生噪声电流 对于扭绞电缆的芯线来说 屏蔽层中的电流便在芯线中耦合出不同的电压 形成干扰源 若电路有一个不接地的信号源与一个接地的 即使不是接大地 放大电路相连 输入端的屏蔽应接至放大电路的公共端 相反 若接地的信号源与不接地的放大器连接 即使信号源接的不是大地 放大电路的输入端也应接到信号源的公共端 8 4检测系统抗干扰设计 82 4 滤波技术 滤波器是抑制交流差模干扰的有效手段之一 有RC滤波器和LC滤波器等几种 1 RC滤波器 当信号源为热电偶 应变片等信号变化缓慢的传感器时 利用小体积 低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果 a 单节RC滤波器与放大器的连接b 双节RC滤波器c 低通滤波器图形符号d 频率特性 83 2 交流电源滤波器 电源网络吸收了各种高 低频噪声 对此常用LC滤波器来抑制混入电源的噪声 84 交流电源滤波器外形 85 1传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器通常由直接响应于被测量的和产生可用信号输出的以及相应的组成 2在变压器式传感器中 原方和副方互感M的大小与成正比 与成正比 与磁回路中成反比 而单个空气隙磁阻的大小可用公式表示 一填空题 例题 86 1传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成 2在变压器式传感器中 原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比 与穿过线圈的磁通成正比 与磁回路中磁阻成反比 而单个空气隙磁阻的大小可用公式l 0S表示 一填空题 例题 87 二问答题什么是系统误差 如何发现系统误差 答 对同一物理量进行多次重复测量时 如果误差按照一定的规律性出现 则把这种误差称为系统误差 发现系统误差的方法有 实验对比法 这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量 以发现系统误差 这种方法适用于发现不变的系统误差 剩余误差观察法 是根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律 直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差 这种方法适用于发现有规律变化的系统误差 计算数据比较法 对同一量测量得到多组数据 通过计算比较数据比较 判断是否满足偶然误差条件 以发现系统误差 88 交流电源滤波器的内部电路 图中的100 H电感 0 1 F电容组成高频滤波器 用于吸收从电源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰 图中两只对称的5mH电感是由绕在同一只铁心两侧 匝数相等的电感绕组构成的 称为共模电感 用于吸收因电源波形畸变而产生的谐波干扰 图中的压敏电阻用于吸收因雷击等引起的浪涌电压干扰 89 交流电源滤波器的内部电路 共模电感 差模电感 90 交流电源滤波器外形 用户可根据需要 选择内部包含一级LC或两级甚至三级LC的电源滤波器 使用时外壳需要良好接大地 91 交流电源滤波器外形 带交流电源滤波器的插座 92 开关电源内部的电源