传感器与自动检测技术第10章 检测系统的信号处理技术ppt课件

1、第第1010章章 检测系统的信号处置技术检测系统的信号处置技术10.1 10.1 信号处置技术信号处置技术10.2 10.2 干扰抑制技术干扰抑制技术10.3 10.3 传感器的非线性补偿传感器的非线性补偿本章学习的主要内容：本章学习的主要内容： 传感器的输出信号具有种类多、信号微弱、易衰传感器的输出信号具有种类多、信号微弱、易衰减、非线性、易受干扰等不利于处置的特点，所以检减、非线性、易受干扰等不利于处置的特点，所以检测系统的信号处置是传感器技术的一个重要环节。本测系统的信号处置是传感器技术的一个重要环节。本章简要引见检测系统信号处置的一些根本方法及器件，章简要引见检测系统信号处置的一些根本

2、方法及器件，如传感器信号的预处置、放大、干扰抑制技术、传感如传感器信号的预处置、放大、干扰抑制技术、传感器的非线性补偿等。器的非线性补偿等。第第1010章章 检测系统的信号处置技术检测系统的信号处置技术1.1.数据采集系统的组成数据采集系统的组成 在机电一体化产品中，对被丈量的控制和信息处在机电一体化产品中，对被丈量的控制和信息处置多数采用计算机来实现，因此传感器的检测信号普置多数采用计算机来实现，因此传感器的检测信号普通需求被采集到计算机中作进一步处置，以便获得所通需求被采集到计算机中作进一步处置，以便获得所需求的控制和显示信息。在用计算机对模拟信号进展需求的控制和显示信息。在用计算机对模拟

3、信号进展丈量和控制时，必需首先把模拟信号转换成数字信号，丈量和控制时，必需首先把模拟信号转换成数字信号，然后计算机按一定的处置要求对信号进展处置。实现然后计算机按一定的处置要求对信号进展处置。实现模拟信号转换成数字信号的电路系统称为数据采集系模拟信号转换成数字信号的电路系统称为数据采集系统，数据采集系统中最重要的器件便是模数转换器统，数据采集系统中最重要的器件便是模数转换器A AD D转换器，也称转换器，也称ADCADC。 10.1 10.1 信号处置技术信号处置技术 10.1.1 10.1.1 传感器信号的预处置传感器信号的预处置 数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内的数据采集系统常由包

4、括放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样坚持电路、信号调理电路、多路模拟开关、采样坚持电路、A AD D转换器以及接口控制逻辑电路所组成。以下图给转换器以及接口控制逻辑电路所组成。以下图给出了数据采集系统的典型构成方式。各组成部分的功出了数据采集系统的典型构成方式。各组成部分的功能简要引见如下：能简要引见如下：1 1信号调理电路信号调理电路 传感器输出的模拟信号往往因其幅值较小，能够传感器输出的模拟信号往往因其幅值较小，能够含有不需求的高频分量或其阻抗不能与后续电路匹配含有不需求的高频分量或其阻抗不能与后续电路匹配等缘由，不能直接送给等缘由，不能直接送给A AD D转换器转换成

5、数字量，需转换器转换成数字量，需求对这个信号进展必要的处置，这些处置电路就叫信求对这个信号进展必要的处置，这些处置电路就叫信号调理电路。信号调理电路是内容极为丰富的各种电号调理电路。信号调理电路是内容极为丰富的各种电路的综合称号。对于一个详细的数据采集系统而言，路的综合称号。对于一个详细的数据采集系统而言，所采用的信号调理技术及其电路，由传感器输出信号所采用的信号调理技术及其电路，由传感器输出信号的特性和后续采样坚持电路或的特性和后续采样坚持电路或A AD D转换器的要转换器的要求或确定的丈量要求所决议。求或确定的丈量要求所决议。2 2多路模拟开关多路模拟开关 假设有许多独立的模拟信号源，都需

6、求转换成数假设有许多独立的模拟信号源，都需求转换成数字量，在能够的条件下，为了简化电路构造、降低本字量，在能够的条件下，为了简化电路构造、降低本钱、提高可靠性等，经常采用多路模拟开关，让这些钱、提高可靠性等，经常采用多路模拟开关，让这些信号共享采样坚持电路和信号共享采样坚持电路和A AD D转换等器件。多数模转换等器件。多数模拟开关在控制信号作用下、按指定的次序把各路模拟拟开关在控制信号作用下、按指定的次序把各路模拟信号分时地送至信号分时地送至A AD D转换器转换成数字信号。转换器转换成数字信号。3 3采样采样 / / 坚持电路坚持电路S / HS / H电路电路 由于由于A AD D转换器

7、的转换需求一定的时间，如在转转换器的转换需求一定的时间，如在转换过程中输入的信号有所改动，那么转换结果与转换换过程中输入的信号有所改动，那么转换结果与转换之初的模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。之初的模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。为了保证转换的精度，需求在模拟信号源与为了保证转换的精度，需求在模拟信号源与A AD D转换转换器之间接入采样坚持电路。在器之间接入采样坚持电路。在A AD D转换前，首先应转换前，首先应使采样坚持电路处于采样方式，采样后使采样坚使采样坚持电路处于采样方式，采样后使采样坚持电路处于坚持方式，即输出电压坚持不变，接下来持电路处于坚持方式，即输出电压坚持不

8、变，接下来才对这个输出信号进展才对这个输出信号进展A AD D转换。显然，为了提高系转换。显然，为了提高系统的丈量速度，采样时间越短越好；为了有良好的转统的丈量速度，采样时间越短越好；为了有良好的转换精度，坚持时间越长越好。换精度，坚持时间越长越好。控制信号控制信号输入输入坚持坚持实践坚持电压实践坚持电压获得时间获得时间应坚持电压应坚持电压延时引入误差延时引入误差SC采样采样坚持坚持波形波形 采样采样坚持坚持原理原理 控制开关控制开关坚持电容坚持电容4 4A AD D转换器转换器 A AD D转换器是数据采集系统的中心器件，它把模转换器是数据采集系统的中心器件，它把模拟信号输入转换成数字信号的

9、输出。其实现的技术手拟信号输入转换成数字信号的输出。其实现的技术手段很多，相应地派生出许多种不同类型的段很多，相应地派生出许多种不同类型的A AD D转换器，转换器，这些这些A AD D转换器各有其特点。目前，传感器系统中最转换器各有其特点。目前，传感器系统中最常用的常用的A AD D转换器是逐次逼近型和双斜积分型。转换器是逐次逼近型和双斜积分型。A AD D转换器的原理在有关课程中曾经引见过，这里就不再转换器的原理在有关课程中曾经引见过，这里就不再赘述。赘述。5 5接口电路及控制逻辑接口电路及控制逻辑 由于由于A AD D转换器所给出的数字信号无论在逻辑电转换器所给出的数字信号无论在逻辑电平

10、还是时序要求、驱动才干等方面与计算机的总线信平还是时序要求、驱动才干等方面与计算机的总线信号能够会有差别，因此，把号能够会有差别，因此，把A AD D转换器的输出直接送转换器的输出直接送至计算机的总线上往往是不行的，必需在两者之间参至计算机的总线上往往是不行的，必需在两者之间参与接口电路以实行电路参数匹配。当然，对于为某类与接口电路以实行电路参数匹配。当然，对于为某类计算机特殊设计的计算机特殊设计的A AD D转换器来说，这种接口电路已转换器来说，这种接口电路已与与A AD D芯片集成为一体，无需添加额外的接口电路。芯片集成为一体，无需添加额外的接口电路。 综上所述，一个数据采集系统必需按照规

11、定的动综上所述，一个数据采集系统必需按照规定的动作次序进展任务。这样必需有一些电路受控于计算机作次序进展任务。这样必需有一些电路受控于计算机来产生一定时序要求的逻辑控制信号，逻辑控制电路来产生一定时序要求的逻辑控制信号，逻辑控制电路便是完成这一功能的电路系统。便是完成这一功能的电路系统。Log2580Log2580系列现场独立系列现场独立智能数据采集系统智能数据采集系统采样速率采样速率100kHz100kHz，16bit16bit分辨率分辨率 输入通道：输入通道：1616单端单端/8/8差差分模拟信号，可扩至分模拟信号，可扩至256256通道通道1414个可编程输入量程，个可编程输入量程，最大

12、可到最大可到20V 20V 可直接测试各种传感器可直接测试各种传感器信号信号 24 24路通用数字路通用数字I/OI/O，1616路公用数字输入，可扩路公用数字输入，可扩至至208208通道通道 性能参数：性能参数： Personal Daqs USBPersonal Daqs USB 接口数据采集器接口数据采集器CBook2000CBook2000系列高系列高精度便携数据采集器精度便携数据采集器Cerebus Cerebus 多通道数据采集系统多通道数据采集系统 多通道数据采集系统多通道数据采集系统 2. 2. 传感器信号的预处置方法传感器信号的预处置方法1 1传感器输出信号的特点传感器输出

13、信号的特点1 1由于传感器种类繁多，故传感器的输出方式也由于传感器种类繁多，故传感器的输出方式也是各式各样的。有开关信号型、模拟信号型有电压是各式各样的。有开关信号型、模拟信号型有电压型、电流型和阻抗型等、数字信号型等。型、电流型和阻抗型等、数字信号型等。2 2传感器的输出信号普通比较微弱，有的传感器传感器的输出信号普通比较微弱，有的传感器输出电压仅有输出电压仅有0.1V0.1V。3 3传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信号输入到丈量转换电路时会产生较大的信号衰减。号输入到丈量转换电路时会产生较大的信号衰减。4 4传感器的动态范围很宽。传感器的动态范

14、围很宽。5 5传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。关系。6 6传感器的输出量会受温度的影响。传感器的输出量会受温度的影响。2 2传感器信号的预处置方法传感器信号的预处置方法 传感器信号预处置的主要目的是根据传感器输出传感器信号预处置的主要目的是根据传感器输出信号的特点，采取不同的信号处置方法来抑制干扰信信号的特点，采取不同的信号处置方法来抑制干扰信号，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等号，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进展补偿和修正，从而提高检测系统的丈量精度和线进展补偿和修正，从而提高检测系统的丈量精度和线性度。性度。 传

15、感器的信号经预处置后，使其成为可供丈量、传感器的信号经预处置后，使其成为可供丈量、控制及便于向微型计算机输入的信号方式。常用的传控制及便于向微型计算机输入的信号方式。常用的传感器信号预处置方法有以下几种：感器信号预处置方法有以下几种：1 1阻抗变换电路：在传感器输出为高阻抗的情况阻抗变换电路：在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。器的输出信号。2 2放大电路：将传感器输出的微弱信号放大。放大电路：将传感器输出的微弱信号放大。3 3电流电压转换电路：将传感器的电流输出转换电流电压转换电路：将传感器的电流

16、输出转换成电压值。成电压值。4 4频率电压转换电路：把传感器输出的频率信号频率电压转换电路：把传感器输出的频率信号转换为电流或电压值。转换为电流或电压值。5 5电桥电路：把传感器的电阻、电感和电容值转电桥电路：把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或电压值。换为电流或电压值。6 6电荷放大器：将电场型传感器输出产生的电荷电荷放大器：将电场型传感器输出产生的电荷量转换为电压值。量转换为电压值。7 7交交- -直流转换电路：在传感器为交流输出的情况直流转换电路：在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。下，转换为直流输出。8 8滤波电路：经过低通及带通滤波器消除传感器滤波电路：经过低通及带通滤波

17、器消除传感器的噪声成分。的噪声成分。9 9非线性校正电路非线性校正电路 传感器的特性是非线性时，传感器的特性是非线性时，进展非线性校正。进展非线性校正。1010对数紧缩电路对数紧缩电路 当传感器输出信号的动态范围当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进展紧缩。较宽时，用对数电路进展紧缩。 传感器信号的预处置应根据传感器输出信号的特传感器信号的预处置应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的预处置电点及后续检测电路对信号的要求选择不同的预处置电路。路。 10.1.2 10.1.2 信号放大技术信号放大技术1. 1. 仪表放大器及选择仪表放大器及选择 由传感器送来的丈量信

18、号往往很微弱，因此对放由传感器送来的丈量信号往往很微弱，因此对放大器的精度要求很高，要求它能鉴别被丈量的微小变大器的精度要求很高，要求它能鉴别被丈量的微小变化，进展缓冲、隔离、放大和电平转换等处置，这些化，进展缓冲、隔离、放大和电平转换等处置，这些功能大多可用运算放大器来实现。功能大多可用运算放大器来实现。 然而传感器的任务环境往往是较复杂和恶劣的，然而传感器的任务环境往往是较复杂和恶劣的，在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号噪声，有时是完全一样的干扰，称为共模干扰。噪声，有时是完全一样的干扰，称为共模干扰。运算放大器往往不能消除各种方式的共

19、模干扰信号，运算放大器往往不能消除各种方式的共模干扰信号，因此，需求引入另一种方式的放大器，即仪表放大器，因此，需求引入另一种方式的放大器，即仪表放大器，它广泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有它广泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场所。较大共模干扰的场所。1 1仪表放大器仪表放大器 仪表放大器又称数据放大器。普通是由三只高精仪表放大器又称数据放大器。普通是由三只高精度运放及精细电阻一同组装而成。其中两只高精度运度运放及精细电阻一同组装而成。其中两只高精度运放参数对称，构成电路对称的差分输入级。整个组件放参数对称，构成电路对称的差分输入级。整个组件输入阻抗高，共模抑

20、制比高，噪声低，稳定性好。它输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，稳定性好。它主要用于微小信号的准确丈量。主要用于微小信号的准确丈量。 在工业自动控制、多点数据采集系统、航空及生在工业自动控制、多点数据采集系统、航空及生态研讨中，广泛用于传感器信号放大、高阻电桥、光态研讨中，广泛用于传感器信号放大、高阻电桥、光电管、生物电放大及高阻比较器等各种场所。电管、生物电放大及高阻比较器等各种场所。差分输入级差分输入级仪表放大器原理图仪表放大器原理图增益调增益调整电阻整电阻12u121KRR34u2RRK总的电压放大倍数为总的电压放大倍数为)21 (RRK1234uRR 放大器所采用的上述电路方式，使它具有

21、输入放大器所采用的上述电路方式，使它具有输入阻抗高、增益调理方便、漂移相互补偿以及输出不阻抗高、增益调理方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。包含共模信号等一系列优点。调理调理R1R1可改动放大倍数。可改动放大倍数。 下面简要引见国产仪表放大器组件下面简要引见国产仪表放大器组件ZF603ZF603ZF605ZF605，它对应美国它对应美国ADAD公司的公司的AD605AD605，其参数性能表见表，其参数性能表见表10 10 1 1。ZF603ZF603是一种体积小、价钱低的仪表放大器，内部是一种体积小、价钱低的仪表放大器，内部有有源调零线路，可在有有源调零线路，可在10V10V

22、范围内调理零输入时的范围内调理零输入时的输出电压，且不影响共模抑制比，它按温漂参数不同输出电压，且不影响共模抑制比，它按温漂参数不同分为分为A A、B B两档，可用于需扩展输出电流的场所。两档，可用于需扩展输出电流的场所。 表表10 110 1中的增益精度是指实践曲线的增益规中的增益精度是指实践曲线的增益规范误差与平均增益之比的相对值，用以衡量整个输出范误差与平均增益之比的相对值，用以衡量整个输出范围内闭环增益的准确程度。此外，实践曲线是指测范围内闭环增益的准确程度。此外，实践曲线是指测试得到放大器的输入输出对应值的连线。增益规范误试得到放大器的输入输出对应值的连线。增益规范误差是指各测试点增

23、益与平均增益之差的方均根值。非差是指各测试点增益与平均增益之差的方均根值。非线性畸变是实践曲线与拟合直线之间的最大偏向与输线性畸变是实践曲线与拟合直线之间的最大偏向与输出满幅度之比的相对值，它反映输出的实践值能够偏出满幅度之比的相对值，它反映输出的实践值能够偏移理想直线的最大范围。移理想直线的最大范围。表表10 1 ZF60310 1 ZF603ZF605ZF605参数性能表参数性能表仪表放大器型号ZF603A/BZF604ZF605参数名称条件单位最小典型最大最小典型最大最小典型最大增益范围-倍1-10001-10001-1000失调电压G=1000mV可调零可调零-0.20.3输入电流-n

24、A-5080-5080-3050共模抑制比G=1000dB94100-94100-100110-输出电流VOPP=10VmA810-810-25-失调电压温漂G=1000V/C7/251增益精度G=100%0.20.20.1非线性畸变G=100%0.050.050.02大信号带宽G=1kHz252515输入噪声G=10000.1Hz10HzV221.5输入阻抗-108109109输入电压-V101010外形尺寸-mm222212282818383814注：组件可在注：组件可在-40C-40C85C85C范围内任务，温漂参数在正温区内测得。范围内任务，温漂参数在正温区内测得。 ZF605 ZF6

25、05仪表放大器原理图及管脚陈列图如以下图仪表放大器原理图及管脚陈列图如以下图(a)(a)、(b)(b)所示，图中所示，图中2 2、3 3端接增益调整电阻端接增益调整电阻RGRG。(a)ZF605(a)ZF605仪表放大器原理图仪表放大器原理图(b)ZF605(b)ZF605仪表放大器引脚图引脚向上仪表放大器引脚图引脚向上反向输入2 2仪表放大器的选择仪表放大器的选择 仪表放大器应具有如下性能要求：仪表放大器应具有如下性能要求：1 1低噪声。采用低噪声放大器件并采取有效的减低噪声。采用低噪声放大器件并采取有效的减小噪声措施，以免丈量信号被淹没在噪声中。小噪声措施，以免丈量信号被淹没在噪声中。2

26、2高稳定性、低漂移，减小温度漂移和防止自激高稳定性、低漂移，减小温度漂移和防止自激振荡等。振荡等。3 3高抗干扰性能。放大器的前级最易受干扰，要高抗干扰性能。放大器的前级最易受干扰，要尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。施等。4 4高输入阻抗。由于传感器输出信号很微弱，要高输入阻抗。由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接入，尽能够对传感器影响小。特别是当求放大器的接入，尽能够对传感器影响小。特别是当传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。5 5高共模抑制比。一方面是由于许多被

27、丈量本身高共模抑制比。一方面是由于许多被丈量本身是差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因是差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。6 6高线性度。在较大量程内有良好的线性。高线性度。在较大量程内有良好的线性。7 7适宜的频率特性。为使放大后的信号不失真，适宜的频率特性。为使放大后的信号不失真，要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有适宜要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有适宜的频带。的频带。 仪表放大器应在思索以上性能要求后进展选择，仪表放大器应在思索以上性能要求后进展选择，当然在满足要求时还应思索价钱、

28、消费厂商的信誉等当然在满足要求时还应思索价钱、消费厂商的信誉等问题。问题。2 2隔离放大器隔离放大器1 1隔离放大器的运用场所隔离放大器的运用场所 隔离放大器的主要功能是在输入信号与输出信号隔离放大器的主要功能是在输入信号与输出信号之间提供优良的欧姆隔离，隔离放大器的一个重要特之间提供优良的欧姆隔离，隔离放大器的一个重要特点为它的两个输入端是完全浮离指既不接地，也不点为它的两个输入端是完全浮离指既不接地，也不接机壳的，所以它主要运用于以下场所：接机壳的，所以它主要运用于以下场所： 1 1丈量放大叠加在高共模电压上的低电平信号，丈量放大叠加在高共模电压上的低电平信号，例如有关电力环境的丈量。例如

29、有关电力环境的丈量。2 2需求高电压隔离和极低的漏电流，例如医疗用需求高电压隔离和极低的漏电流，例如医疗用的病人监护仪器。的病人监护仪器。3 3对电子仪器提供维护，防止高压对仪器产生缺对电子仪器提供维护，防止高压对仪器产生缺点和损坏。点和损坏。4 4必需浮地衔接的信号源，例如在低电平信号丈必需浮地衔接的信号源，例如在低电平信号丈量中防止地线环路和噪声的影响。量中防止地线环路和噪声的影响。 如今已有隔离集成运放产品出现，它不仅坚持了如今已有隔离集成运放产品出现，它不仅坚持了通用集成运放的性能，而且输入公共端信号接地端通用集成运放的性能，而且输入公共端信号接地端与输出公共端负载接地端之间坚持良好的

30、绝缘。与输出公共端负载接地端之间坚持良好的绝缘。 右图所示为隔离集成运右图所示为隔离集成运放的符号和根本引线端。隔放的符号和根本引线端。隔离集成运放的引线端与通用离集成运放的引线端与通用集成运放不同。反响信号不集成运放不同。反响信号不能从输出端取出，而由输入能从输出端取出，而由输入部分反响端取出加在隔离集部分反响端取出加在隔离集成运放的反相输入端。成运放的反相输入端。 输入公共端为输入信号电位的接地端，而输出公输入公共端为输入信号电位的接地端，而输出公共端实践上是供电电源公共端，又是输出信号电平的共端实践上是供电电源公共端，又是输出信号电平的公共端。公共端。2 2隔离放大器的隔离目的隔离放大器

31、的隔离目的 隔离放大器的技术目的有两类：放大器的性能目隔离放大器的技术目的有两类：放大器的性能目的和隔离目的。放大器的性能目的与运算放大器或仪的和隔离目的。放大器的性能目的与运算放大器或仪表放大器的目的类似。隔离目的普通有以下几项：表放大器的目的类似。隔离目的普通有以下几项：1 1绝缘阻抗：指输入公共端与输出公共端之间的绝缘阻抗：指输入公共端与输出公共端之间的等效阻抗，即上图虚线所示的等效阻抗，即上图虚线所示的R1R1与与CcCc的并联阻抗值。的并联阻抗值。2 2绝缘电压范围：在坚持隔离集成运放特性参数绝缘电压范围：在坚持隔离集成运放特性参数不超越允许值的情况下，输入公共端与输出公共端之不超越

32、允许值的情况下，输入公共端与输出公共端之间允许加的最大电压包括脉冲电压值。间允许加的最大电压包括脉冲电压值。3 3绝缘电压制制比：当输入级、隔离级的失调电绝缘电压制制比：当输入级、隔离级的失调电压为零，反相端的电压差与输出电压之比。压为零，反相端的电压差与输出电压之比。式中，式中，IMRRIMRR为绝缘电压制制比。为绝缘电压制制比。20logIMRR 输入与输出公共端电压差输出电压10.2 10.2 干扰抑制技术干扰抑制技术 自动检测系统在任务的过程中，有时能够会出现自动检测系统在任务的过程中，有时能够会出现某些不正常的景象，这阐明，存在着来自外部和内部某些不正常的景象，这阐明，存在着来自外部

33、和内部影响其正常任务的各种要素，尤其是当被测信号很微影响其正常任务的各种要素，尤其是当被测信号很微弱时，问题就更加突出。这样一些要素，总称为弱时，问题就更加突出。这样一些要素，总称为“干干扰。干扰不但会呵斥议量误差，有的甚至会引起系扰。干扰不但会呵斥议量误差，有的甚至会引起系统的紊乱，导致消费事故。因此，在自动检测系统的统的紊乱，导致消费事故。因此，在自动检测系统的设计、制造、安装和运用中都必需充分留意干扰抑制设计、制造、安装和运用中都必需充分留意干扰抑制问题。我们应首先了解干扰的种类和来源，构成干扰问题。我们应首先了解干扰的种类和来源，构成干扰的途径，从而才干有针对性地采取有效措施消除干扰的

34、途径，从而才干有针对性地采取有效措施消除干扰的影响。的影响。干扰的例子：干扰的例子：电磁信号干扰器电磁信号干扰器手机干扰器手机干扰器10.2.1 10.2.1 干扰的来源干扰的来源1. 1. 机械的干扰机械的干扰 机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使传感器机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使传感器安装中的元件发生振动、变形，使衔接导线发生位移，安装中的元件发生振动、变形，使衔接导线发生位移，使指针发生抖动，这些都将影响其正常任务。声波的使指针发生抖动，这些都将影响其正常任务。声波的干扰类似于机械振动，从效果上看，也可以列入这一干扰类似于机械振动，从效果上看，也可以列入这一类中。对于机械的干扰主

35、要是采用减振措施来处理，类中。对于机械的干扰主要是采用减振措施来处理，例如运用减振弹簧或减振橡皮垫等。例如运用减振弹簧或减振橡皮垫等。2 2热的干扰热的干扰 在任务时传感器系统产生的热量所引起的温度动在任务时传感器系统产生的热量所引起的温度动摇和环境温度的变化等都会引起检测电路元器件参数摇和环境温度的变化等都会引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等，从而影响了传发生变化，或产生附加的热电动势等，从而影响了传感器系统的正常任务。对于热的干扰，工程上通常采感器系统的正常任务。对于热的干扰，工程上通常采用：热屏蔽、恒温措施、对称平衡构造和温度补偿元用：热屏蔽、恒温措施、对称平衡构造和

36、温度补偿元件等方法进展抑制。件等方法进展抑制。3. 3. 光的干扰光的干扰 在传感器安装中人们广泛运用着各种半导体器件，在传感器安装中人们广泛运用着各种半导体器件，但是半导体资料在光线的作用下会激发出电子空穴对，但是半导体资料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响检测系统正常任务。响检测系统正常任务。闪电击中摩天楼闪电击中摩天楼战斗机发射曳光干扰弹战斗机发射曳光干扰弹4 4湿度变化的影响湿度变化的影响 湿度添加会使元器件的湿度添加会使元器件的绝缘电阻下降，漏电流添加，绝缘电阻下降，漏电流添加，高值电阻的阻

37、值下降，电介高值电阻的阻值下降，电介质的介电常数添加，吸潮的质的介电常数添加，吸潮的线圈骨架膨胀，等等。这样线圈骨架膨胀，等等。这样必然会影响传感器系统的正必然会影响传感器系统的正常任务，尤其是在南方潮湿常任务，尤其是在南方潮湿地带、船舶及锅炉等地方，地带、船舶及锅炉等地方，更应留意密封防潮措施。例如，电气元件印制电路板更应留意密封防潮措施。例如，电气元件印制电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等均是强有力的的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等均是强有力的防湿措施。防湿措施。下雨的路面下雨的路面 因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内，因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内，对于具有光敏作

38、用的元件，尤其应留意光的屏蔽问题。对于具有光敏作用的元件，尤其应留意光的屏蔽问题。5 5化学的干扰化学的干扰 化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会经过化化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会经过化学腐蚀作用损坏传感器安装，因此，良好的密封和留学腐蚀作用损坏传感器安装，因此，良好的密封和留意清洁是非常必要的。意清洁是非常必要的。金属的腐蚀金属的腐蚀铜晶界的腐蚀铜晶界的腐蚀6 6电和磁的干扰电和磁的干扰 电和磁可以经过电路和磁路对传感器系统产生干电和磁可以经过电路和磁路对传感器系统产生干扰作用；扰作用；闪电是很强的闪电是很强的电磁干扰信号电磁干扰信号电焊也是很强的电焊也是很强的电磁干扰信号源电磁干扰

39、信号源 电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电压，从而影响传感器系统的正常任务。这种电和磁电压，从而影响传感器系统的正常任务。这种电和磁的干扰对于传感器系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰对于传感器系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰，因此，必需仔细对待。的干扰，因此，必需仔细对待。 7 7射线辐射的干扰射线辐射的干扰 射线会使气体电离，半射线会使气体电离，半导体激发电子导体激发电子- -空穴对，金空穴对，金属逸出电子，等等，因此用属逸出电子，等等，因此用于原子能、核安装等领域内于原子能、核安装等领域内的传感器系统，尤其要留意的传感器系统，尤其要

40、留意射线辐射对传感器系统的干射线辐射对传感器系统的干扰。射线辐射的防护是一门扰。射线辐射的防护是一门专门技术，可参阅有关书籍。专门技术，可参阅有关书籍。切尔诺贝利核走漏事切尔诺贝利核走漏事故现场的资料照片故现场的资料照片 遭到核污染的患者遭到核污染的患者 宇宙中超大质量的黑洞天体发宇宙中超大质量的黑洞天体发生高能离子辐射时的效果图生高能离子辐射时的效果图 用于原子能、核安装等领用于原子能、核安装等领域内的传感器系统，尤其要留域内的传感器系统，尤其要留意射线辐射对传感器系统的干意射线辐射对传感器系统的干扰。扰。 10.2.2 10.2.2 信噪比和电磁兼容性信噪比和电磁兼容性1. 1. 信噪比信

41、噪比 各种干扰在传感器系统的输出端往往反映为一些各种干扰在传感器系统的输出端往往反映为一些与检丈量无关的电信号，这些无用的信号称为噪声。与检丈量无关的电信号，这些无用的信号称为噪声。当噪声电压使检测电路元件无法正常任务时，该噪声当噪声电压使检测电路元件无法正常任务时，该噪声电压就称为干扰电压。噪声对检测安装的影响必需与电压就称为干扰电压。噪声对检测安装的影响必需与有用信号共同分析才有意义。有用信号共同分析才有意义。 衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比S SN N来表示，它是指在信号通道中，有用信号功率来表示，它是指在信号通道中，有用信号功率PSPS与噪与噪声功

42、率声功率PNPN之比，或有用信号电压之比，或有用信号电压USUS与噪声电压与噪声电压UNUN之比。之比。它表示噪声对有用信号影响的大小。信噪比常用对数它表示噪声对有用信号影响的大小。信噪比常用对数方式来表示，单位：分贝方式来表示，单位：分贝dBdB，即，即10 110 1 由上式可知，信噪比越大，表示噪声丈量结果的由上式可知，信噪比越大，表示噪声丈量结果的影响越小，在丈量过程中应尽量提高信噪比。影响越小，在丈量过程中应尽量提高信噪比。2 2电磁兼容性电磁兼容性 随着科学技术、消费力的开展，高频、宽带、大随着科学技术、消费力的开展，高频、宽带、大功率的电气设备几乎遍及地球的一切角落，随之而来功率

43、的电气设备几乎遍及地球的一切角落，随之而来的电磁干扰也越来越严重地影响检测系统的正常任务。的电磁干扰也越来越严重地影响检测系统的正常任务。在前述干扰源中电磁干扰是最普遍和最难处理的干扰在前述干扰源中电磁干扰是最普遍和最难处理的干扰要素。要素。NSNSUUPPNSlg20lg10 对于检测系统来说，主要思索在恶劣的电磁干扰对于检测系统来说，主要思索在恶劣的电磁干扰环境中系统必需能正常任务，并能获得精度等级范围环境中系统必需能正常任务，并能获得精度等级范围内的正确丈量结果，即提高信噪比。为此在内的正确丈量结果，即提高信噪比。为此在2020世纪世纪4040年代人们提出了电磁兼容性的概念，但直到年代人

44、们提出了电磁兼容性的概念，但直到2020世纪世纪7070年代人们才越来越强调对电子设备、检测控制系统的年代人们才越来越强调对电子设备、检测控制系统的电磁兼容性问题。所谓电磁兼容是指电子设备在规定电磁兼容性问题。所谓电磁兼容是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常任务的才的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常任务的才干，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超越干，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超越允许范围的电磁干扰信号。通俗地说，电磁兼容是指允许范围的电磁干扰信号。通俗地说，电磁兼容是指电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常任务的才干，电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常

45、任务的才干，而且还不允许产生超越规定的电磁干扰信号。而且还不允许产生超越规定的电磁干扰信号。 电磁干扰源可分为自然界干扰源和人为干扰源。电磁干扰源可分为自然界干扰源和人为干扰源。 自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的雷电噪声等。人为干太阳耀斑辐射噪声以及大气层的雷电噪声等。人为干扰源又分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。前者扰源又分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。前者如广播、电视、通讯雷达和导航等无线电设备，后者如广播、电视、通讯雷达和导航等无线电设备，后者是各种工业、交通、医疗、家电、办公设备在完本钱是各种工业

46、、交通、医疗、家电、办公设备在完本钱身义务的同时，附带产生的电磁能量辐射。身义务的同时，附带产生的电磁能量辐射。 检测系统的电磁干扰可以来自系统外部，也可以检测系统的电磁干扰可以来自系统外部，也可以来自系统内部的元器件、电路、安装等。为了提高检来自系统内部的元器件、电路、安装等。为了提高检测系统的电磁兼容性，必需了解电磁干扰的途径、防测系统的电磁兼容性，必需了解电磁干扰的途径、防护措施以及抗电磁干扰的有关技术。护措施以及抗电磁干扰的有关技术。10.2.3 10.2.3 电磁干扰的途径电磁干扰的途径 电磁干扰必需经过一定的途径侵入传感器安装才电磁干扰必需经过一定的途径侵入传感器安装才会对丈量结果

47、呵斥影响，因此有必要讨论电磁干扰的会对丈量结果呵斥影响，因此有必要讨论电磁干扰的途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干扰。电磁干扰的途径有扰。电磁干扰的途径有“路和路和“场两种方式。凡场两种方式。凡电磁噪声经过电路的方式作用于被干扰对象的，都属电磁噪声经过电路的方式作用于被干扰对象的，都属于于“路的干扰，如经过漏电流、共阻抗耦合等引入路的干扰，如经过漏电流、共阻抗耦合等引入的干扰；凡电磁噪声经过电场、磁场的方式作用于被的干扰；凡电磁噪声经过电场、磁场的方式作用于被干扰对象的，都属于干扰对象的，都属于“场的干扰，如经过分布电容、场的干扰，如经

48、过分布电容、分布互感等引入的干扰。分布互感等引入的干扰。1 1经过经过“路的干扰路的干扰1 1漏电流耦合构成的干扰漏电流耦合构成的干扰 漏电流耦合构成的干扰是由于绝缘不良，由流经漏电流耦合构成的干扰是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。漏电流耦合干绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。漏电流耦合干扰经常发生在以下情况下：扰经常发生在以下情况下：1 1当用传感器丈量较高的直流电压时；当用传感器丈量较高的直流电压时；2 2在传感器附近有较高的直流电压源时；在传感器附近有较高的直流电压源时；3 3在高输入阻抗的直流放大电路中。在高输入阻抗的直流放大电路中。2 2传导耦合构成的干扰传导耦

49、合构成的干扰 噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰景象。噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰景象。当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而呵斥干扰。传导耦合的主要景象是噪线传送到电路而呵斥干扰。传导耦合的主要景象是噪声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在消声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在消费现场的分布，实践上构成了一个吸收各种噪声的网费现场的分布，实践上构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声可非常方便地以电路传导的方式传到各处，络，噪声可非常方便地以电路传导的方式传到各处，并经过电源引线进入各种电子安装，呵斥干

50、扰。并经过电源引线进入各种电子安装，呵斥干扰。3 3共阻抗耦合构成的干扰共阻抗耦合构成的干扰 共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，当一个电共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，当一个电路中有电流流过时，经过共有阻抗便在另一个电路上路中有电流流过时，经过共有阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。例如，几个电路由同一个电源供电时，产生干扰电压。例如，几个电路由同一个电源供电时，会经过电源内阻相互关扰，在放大器中，各放大级经会经过电源内阻相互关扰，在放大器中，各放大级经过接地线电阻相互关扰。过接地线电阻相互关扰。2 2经过经过“场的干扰场的干扰1 1静电耦合构成的干扰静电耦合构成的干扰 电场耦合本质上是电容性

51、耦合，它是由于两个电电场耦合本质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。当有几个噪声源同时经静电耦合干扰到另一个电路。当有几个噪声源同时经静电耦合干扰同一个接纳电路时，只需是线性电路，就可以运用叠同一个接纳电路时，只需是线性电路，就可以运用叠加原理分别对冬噪声源干扰进展分析。加原理分别对冬噪声源干扰进展分析。2 2电磁耦合构成的干扰电磁耦合构成的干扰 电磁耦合又称互感耦合，它是在两个电路之间存电磁耦合又称互感耦合，它是在两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，经过磁交链会影响到在互感，一个电路的电

52、流变化，经过磁交链会影响到另一个电路。例如，在传感器内部，线圈或变压器的另一个电路。例如，在传感器内部，线圈或变压器的漏磁是对临近电路的漏磁是对临近电路的种很严重干扰；在电子安装种很严重干扰；在电子安装外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁耦合干扰。产生电磁耦合干扰。3 3辐射电磁场耦合构成的干扰辐射电磁场耦合构成的干扰 辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台和电视发射台等。假设在辐射电磁场中放置播发射台和电视发射台等。假设在辐射电磁场中放置一个导体，那么在导体上产生正比于电场强

53、度的感应一个导体，那么在导体上产生正比于电场强度的感应电动势。电动势。 输配电线路，特别是架空输配电线路都将在辐射输配电线路，特别是架空输配电线路都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并经过供电线路侵入传电磁场中感应出干扰电动势，并经过供电线路侵入传感器，呵斥干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁感器，呵斥干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能场中，传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。例如，当中波广播发射的垂感应出较大的干扰电势。例如，当中波广播发射的垂直极化波的强度为直极化波的强度为100mV100mVm m，长度为，长度为1

54、0cm10cm的垂直导体的垂直导体可以产生可以产生5mV5mV的感应电动势。的感应电动势。10.2.4 10.2.4 抑制电磁干扰的根本措施抑制电磁干扰的根本措施 电磁干扰的构成必需同时具备三个要素，即干扰电磁干扰的构成必需同时具备三个要素，即干扰源、干扰途径以及对电磁噪声敏感性较高的接纳电源、干扰途径以及对电磁噪声敏感性较高的接纳电路路检测安装的前级电路。三者之间的关系如图检测安装的前级电路。三者之间的关系如图10 10 4 4所示。所示。 要想抑制电磁干扰，首先应对电磁干扰有全面而要想抑制电磁干扰，首先应对电磁干扰有全面而深化的了解，然后从构成电磁干扰的三要素出发，在深化的了解，然后从构成

55、电磁干扰的三要素出发，在三个方面采取措施。三个方面采取措施。1. 1. 消除或抑制干扰源消除或抑制干扰源 消除干扰源乃是积极自动的措施，继电器、接触消除干扰源乃是积极自动的措施，继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。接插件接触不的干扰源，可以采取触点消弧电容等。接插件接触不良，电路接头松脱、虚焊等也是呵斥干扰的缘由，对良，电路接头松脱、虚焊等也是呵斥干扰的缘由，对于这类可以消除的干扰源要尽能够消除。于这类可以消除的干扰源要尽能够消除。图图10 4 10 4 构成电磁干扰的三要素之间的联络构成电磁

56、干扰的三要素之间的联络干干 扰扰 源源干干 扰扰 途途 径径接接 收收 电电 路路 对难于消除或不能消除的干扰源，例如，某些自对难于消除或不能消除的干扰源，例如，某些自然景象的干扰、临近工厂的用电设备的干扰等，就必然景象的干扰、临近工厂的用电设备的干扰等，就必需采取防护措施来抑制干扰源。需采取防护措施来抑制干扰源。2 2破坏干扰途径破坏干扰途径1 1对于以对于以“路的方式侵入的干扰，可以采取提路的方式侵入的干扰，可以采取提高绝缘性能的方法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压高绝缘性能的方法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压器、光电耦合器等切断地环路干扰途径，援用滤波器、器、光电耦合器等切断地环路干扰途径

57、，援用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；改动接地方式以消扼流圈等技术，将干扰信号除去；改动接地方式以消除共阻抗耦合干扰等；对于数字信号可采用整形、限除共阻抗耦合干扰等；对于数字信号可采用整形、限幅等信号处置方法切断干扰途径。幅等信号处置方法切断干扰途径。2 2对于以对于以“场的方式侵入的干扰，普通采取各场的方式侵入的干扰，普通采取各种屏蔽措施。种屏蔽措施。 3 3减弱接纳电路对电磁干扰的敏感性减弱接纳电路对电磁干扰的敏感性 根据阅历，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易根据阅历，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易受干扰；规划松散的电子安装比构造紧凑的电子安装受干扰；规划松散的电子安装比构造紧凑的

58、电子安装更易受外来干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰才干更易受外来干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰才干差。由此可见，电路设计、系统构造等都与干扰的构差。由此可见，电路设计、系统构造等都与干扰的构成有着亲密关系。因此，系统规划应合理，且设计电成有着亲密关系。因此，系统规划应合理，且设计电路时应采用对电磁干扰敏感性差的电路。路时应采用对电磁干扰敏感性差的电路。 以上三个方面的措施可用疾病的预防来比喻，即以上三个方面的措施可用疾病的预防来比喻，即消灭病菌来源、阻止病菌传播和提高人体的抵抗才干。消灭病菌来源、阻止病菌传播和提高人体的抵抗才干。 抑制干扰的根本措施中消除干扰源是最有效、最抑制干扰的根本措施

59、中消除干扰源是最有效、最彻底的方法。但实践上不少干扰源是不可消除的，所彻底的方法。但实践上不少干扰源是不可消除的，所以需求研讨抗电磁干扰技术。抗电磁干扰技术有时又以需求研讨抗电磁干扰技术。抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术，下面引见几种常用的、行之称为电磁兼容控制技术，下面引见几种常用的、行之有效的抗电磁干扰技术，如屏蔽技术、接地技术、浮有效的抗电磁干扰技术，如屏蔽技术、接地技术、浮置技术、平衡电路、滤波技术和光电耦合技术等。置技术、平衡电路、滤波技术和光电耦合技术等。1 1屏蔽技术屏蔽技术 利用金属资料制成容器，将需求防护的电路包在利用金属资料制成容器，将需求防护的电路包在其中，可以防

60、止电场或磁场的耦合干扰，此种方法称其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰，此种方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等几种。屏蔽等几种。 10.2.5 10.2.5 抗电磁干扰技术电磁兼容控制技术抗电磁干扰技术电磁兼容控制技术1 1静电屏蔽静电屏蔽 根据电学原理，在静电场根据电学原理，在静电场中，密闭的空心导体内部无电中，密闭的空心导体内部无电力线，亦即内部各点等电位。力线，亦即内部各点等电位。静电屏蔽实验图静电屏蔽实验图2 2电磁屏蔽电磁屏蔽 电磁屏蔽也是采用导电良好的金属资料作屏蔽罩，电磁屏蔽也是采用导电良好的金属资料作屏蔽罩，利