仪表测量系统中误差分析及解决方法

1、 测试与测量 测量系统中的误差分析及解决方法吴卫民 叶瑞芳（电信科学技术第十研究所 陕西 西安 710061）摘 要：本文从通信产品生产的实际出发，对仪表测量系统中影响测量结果精确度的原因进行了分析，并对接地、屏蔽、保护等减少测量误差的解决方案作了较为详细的介绍。关键词：接地 屏蔽 保护在系统参数的测量过程中，测量结果与被测量值之间常常存在着误差。如在仪表和电缆相互连接的测量系统中，仪表和电缆连接处的接触电阻、热电势与载电流之间存在着一些干扰源，它们会影响高质量测量的可靠性。对引起误差的各种因素进行研究和分析，合理地选择仪表的接地、屏蔽、保护和使用不同类型的电缆，可减少误差、提高测量精度。测量

2、精确的程度取决于对这些重要因素的控制。一、测量系统中的接地1理想“地”与实际“地”一个理想“地”对电流没有电阻，因而沿着地线的不同的点没有电压降。如图1所示，两个环路使用共“地”，沿E1、R3和R1构成的环路，在分压器V1的输出电压不受E2和R2所构成的环路电流的影响，分压输出V1= E1*R1/(R1+R3)。如图2所示，在实际中，“地”有一个限制电阻。当电流流经“地”时，沿地线不同的点有一个电位差，如果不控制流过的电流，将引起系统测量的误差。通常的处理方法是改变连接“地”，使I2不通过r1；环路I2的分离接“地”不会影响其它环路。2供电“地”系统在典型的实验室环境中，电源分配是沿着一条线路

3、连接每一台设备，于是从电源的火、地线到仪表机壳之间便形成了杂散泄漏电容C1、C2、Cn。仪表1、2、n的电源初级线圈到铁芯之间形成的泄漏电容所引起的电流流过系统保护“地”，由地线的分配电阻沿地线在每个仪表机壳上产生不同的电位差。在仪表测试系统中，如果信号低端不对地线进行隔离，那么，地电流将引起测量误差。如图3所示，在系统保护“地”上的电流分两路，其中一路通过信号L0端，形成的电压降加到源信号仪表输出线路上引起测量误差。3解决方案在仪表测试系统中，对地线的隔离使得地电流引起的测量误差降至最低是解决问题的关键。以射频万用表测量过程为例的一个典型的解决方案：使用射频万用表对通过分压器的射频信号进行测

4、量时，分压器输入的电流在分压器中分离，其中一部分电流通过输出电缆到射频万用表端接系统保护“地”，在此之间的电缆存在电阻和电感，信号在其上引起电压降加到分压器上，使信号的测量结果产生误差。为了解决这个问题，如图4所示，在分压器输出端接共模阻流圈（T），T的两个线圈互相耦合，使影响分压器输出的电流不受其影响，并对存在的地环电流因大量感应阻抗的存在而大大减少。为了进一步提高测试的准确度，还可以采用其他的辅助措施。如：将测量系统中的仪表插在同一个电源插盒上，以减小通过图4 中rg和图3中rLo、ILo的地环电流值；选用优质的同轴电缆以减少电阻（尤其是对射频信号）；在电源和分压器间使用尽可能短的电缆以减

5、少电压降；此外，还可以在系统保护“地”上接一个电流指示器供测量参考。二、辐射的屏蔽电磁辐射是由随时间变化的电场和磁场产生的，这个场强在不断地变化。高压低电流电路倾向于辐射电场，低压高电流电路倾向于辐射磁场。传输线、电机、通信设备、移动电话、计算机中的高速数字逻辑电路及变压器等电子设备都会产生辐射电磁场，要解决因辐射而引起的测量误差，“屏蔽”是比较有效的方法。1电场屏蔽来自于电场干扰信号的公共源常称为噪声。在自然界中，电场是随机的，最简单、最常见的电场干扰噪声是通过杂散电容耦合到信号源的输出端和交流电压表的输入端，由此而产生的电流会带来测量误差。减少由于电容耦合造成误差的最好方法是使用屏蔽罩进行

6、屏蔽。屏蔽罩通常是由接地金属片组成，放在噪声源和接收电路之间以减少测量误差。图5为屏蔽等效电路的改进电路，C12是从噪声源到屏蔽罩的电容；C23是屏蔽罩到信号源以及交流电压表的电容；C13是噪声源和接收电路之间的电容（C13值一般比原杂散电容Cs小几个数量级）；C12和C23之间是屏蔽罩。屏蔽罩必须由低阻材料制成，以保证干扰电流通过屏蔽罩回到噪声源，并对其它电路没有任何损伤，否则干扰电流通过C12后，在屏蔽罩上形成电压降，又通过C23进入接收电路点。此外，要求在屏蔽地和接收电路之间的Eg2没有电位差，否则会使更多的电流通过C23而进入点。其解决方法是：以点代替屏蔽“地”点。在实际中，还可以根据

7、情况对噪声源和被测系统分别屏蔽，并且使每个屏蔽装置分别接“地”。2磁场屏蔽磁场是最常见、最简单的干扰信号。对于存在的磁场，当敏感电路接近时会将其吸收，使得产生测量误差。变压器、电动机、通信设备等均可产生磁场信号。例如，变压器由于在初级线圈和次级线圈之间松弛耦合所产生的磁场干扰信号，在多数情况下可以在没有磁场的电路里被恢复出来。如图6所示，变压器所产生的磁场被信号源和交流电压表所形成的环路所吸收，感应电流通过交流电压表引起测量误差，感应电流的大小与磁通密度和环路电感成正比。可以通过减少吸收环面积和磁场强度的方法来降低电路对磁场的吸收。在设计精密仪表期间，必须考虑低电平的封闭面积，即敏感区环路。同

8、时，在设计印刷电路板的线路时，应尽量减少磁耦合的磁化系数。电源变压器和其它干扰源应尽可能远离敏感电路，因为干扰源的磁通密度随距离的增加而迅速下降。有时转动变压器的位置也能减少电路对磁场的吸收，这是由于磁场垂直于环路限制了吸收域。在测量系统中，仪表尽量不要迭式堆放，因为一台仪表的干扰磁场可能影响到其它仪表的敏感电路。当使用试验负载时，减少磁场吸收的最好方法是使得环绕这个负载磁场的环路面积减小，达到磁通互相抵消的目的。为了屏蔽磁场干扰，还可以在磁场源端或干扰点使用磁化饱和材料，如铁合金高导材料，最好的材料是镍铁合金（称为锰金属）；仪表之间的连接线应使用同轴电缆，因为由外屏蔽层包裹着的电缆中心的导体

9、也能抑制电磁场的干扰。三、保护装置在测量系统中连接两个或多个仪表时，最大的测量问题是在连接的电缆上存在额外的信号，因此而生的地环电流将引起测量误差。如图7所示，被测交流源电势相对于“地”升高了，即由于地环电流引起的共模信号加到了交流源上，在rLo中便产生了电压降。如果交流源Lo和交流电压表Lo端都直接接“地”，地环电流将引起测量误差。因此，在交流电压表Lo端与“地”之间加一个阻抗Z1,，可以减少流过rLo 的电流，降低测量误差，采用增加接地阻抗的方式，虽然可以减少因地环电流引起的测量误差，但不能完全消除其影响。因此在减少地环电流的同时应使用保护装置。仪表的保护装置是采用法拉第电场屏蔽罩。屏蔽罩将仪表的模拟输入或输出电路完全包裹，使仪表输入或输出端的共模信号与“地”之间绝缘。它除了起到电场屏蔽作用外，也提供了共模信号所产生电流的接“地”路径，起到减少测量误差的作用。如图8所示，共模信号的地环电流通过负载r2到保护装置（Guard ），然后通过Z2接地，从而避免了共模信号进入Lo端。与没有保护装置的仪表相比较，带有保护装置的仪表能减少由于共模信号源引起的误差80dB。这个保护装置接到信号源L