1、第第12章章 自动检测系统设计自动检测系统设计适配教材现代检测技术及应用李现明主编，高等教育出版社2012年第1版n对于自动化专业自动化专业学生，学习本课程的主要目的主要目的是合理的选择、科学的使用商品化的传感器、检测仪表和检测系统。n但是，由于未来实际工作中的复杂性、多变性，也有可能遇到自动检测仪表、系统的设计问题自动检测仪表、系统的设计问题。n例如，对于所要测量的被测对象，市场平台上没有合适的检测仪表，必须自行设计；再如，所工作的公司本身就是一家检测设备的生产厂，产品需要不断的更新换代，因而需要进行不断的创新设计。n本章阐述自动检测系统设计中的共性技术问题自动检测系统设计中的共性技术问题，
2、主要包括自动检测系统的设计步骤设计步骤、检测系统性能的科学估计性能的科学估计、自动检测系统的温度补偿温度补偿和抗干扰技术抗干扰技术等，并通过实例实例对自动检测系统的基本设计方法进行展示。12.1 自动检测系统的设计步骤自动检测系统的设计步骤n12.1.1 自动检测系统的设计原则自动检测系统的设计原则n1 需要全面考虑、统筹兼顾多方面的要求需要全面考虑、统筹兼顾多方面的要求n首先要保证所设计的自动检测系统能够实现所要求的功能和技术指标；n要满足系统在可靠性、可维护性方面的要求。例如，平均无故障工作时间、故障率、失效率、平均寿命等指标；n要充分考虑到用户操作方便，提供友好的人机界面；n系统结构应规
3、范化、模块化；n降低成本，提高系统的性能价格比。n2 合理选择设计方法，是合理选择设计方法，是“自上而下自上而下”还是还是“自下而上自下而上”。n自动检测系统的设计，多数采用采用“自上向下自上向下”的设计方法的设计方法，亦即从总体到局部、再到细节。n先考虑整体目标，明确任务，把整体分解为多个子任务，并充分考虑子任务之间的联系。这样就把一个较大的、复杂的、难解决的问题分解成若干个小的、简单的、易解决的问题，而且便于设计团队人员之间的合理分工。n本章所列举的设计实例，例如啤酒瓶残留清洗液在线检测系统，即采用这种设计方法。n某些场合可反其道而行之，采取采取“自下向上自下向上”的设计方法的设计方法。n
4、为了完成某个检测任务，可以利用现有的模块、仪器，综合成一个满足要求的系统。这种系统虽然未必是最简单、最优化的方案，但只要能完成检测任务，仍不失为快速、高效解决问题的方法。n本章所列举的设计实例空气压缩机曲轴工作应力测试系统，即采用这种设计方法。n有时，“自上而下自上而下”与与“自下而上自下而上”交叉使用、交错进行交叉使用、交错进行。n3 3 合理进行软件、硬件的功能分配合理进行软件、硬件的功能分配n有些功能，硬件、软件都能够实现，这就需要确定到底该功能是用硬件实现还是用软件实现，进行软、硬件功能的合理分配。n选择采用软件实现，甚至将某些传统意义上的硬件功能用软件实现，即所谓“硬件软化硬件软化”
5、，可有效降低硬件成本。n例如，将计数器、运算器等硬件设备的计数、运算功能可以用软件程序完成，节省了硬件设备。n但是，同一功能，用软件实现比用硬件实现，运行速度一般要低得多。n如果检测系统对该功能的运行速度要求不高，为了降低成本，可以优先采用软件实现。n随着半导体工业的发展，各种高性能电子器件相继问世。与之相应，又出现了“软件硬化软件硬化”的趋势，即将传统作法上用软件实现的功能改用硬件实现。n最典型的器件是数字信号处理芯片DSP。过去进行快速傅里叶变换（FFT）都用软件实现。现在一般都使用DSP进行FFT运算，大大减轻了软件的工作量，提高了信号处理速度。DSP在自动检测系统中已经得到广泛应用。n
6、综上所述，软件可完成大量的、复杂的运算，而且修改方便，但执行速度比硬件慢；硬件速度高，成本也高，而且组装起来以后不易改动。设计人员必须根据具体问题根据具体问题，从实际出发，合理分配软件和硬件的任务，确定软件和硬件的关系。12.1.2 自动检测系统的设计步骤自动检测系统的设计步骤研制一套自动检测系统大致可以分为几个阶段：研制一套自动检测系统大致可以分为几个阶段：n设计任务分析；n拟定设计方案；n硬件设计制作；n软件设计调试；n系统总调；n性能测试；1 设计任务分析（1）任务的来源与性质任务的来源与性质n任务的由来；n装置的用途；n使用场合；n工作环境；n使用条件；n在使用中有无特殊要求。n（2）
7、被测对象分析被测对象分析n被测对象的结构特点。被测对象的结构特点。包括：被测对象是运动体还是静止体、是敞露的还是封闭的、是高悬的、深埋的还是一般地面设施等；n被测对象的性质。被测对象的性质。包括：被测对象的物理性能、化学性能，是固体、液体还是气体，能量表现形式、能量大小，运动状态等；n环境特点。环境特点。包括温度、湿度、振动，有无气体腐蚀、爆炸、放射性、高压、高温等特殊环境条件等；n操作运行特点。操作运行特点。包括：测量时的操作、测量前后的辅助工作、在线测量时的运行特点等。例如，在铲车上安装的动态自动称重装置，在称重时就有可能与铲车驾驶人员的操作方式、铲臂的举起角度、路面的坑洼振动等因素有关。
8、n（3）被测参数分析被测参数分析n被测量的性质；n动态范围；n量程；n精确度的要求；n是直接测量、间接测量还是联立测量。n（4）国内外相关技术情报资料收集国内外相关技术情报资料收集n包括同行业、同工种对该课题的设想和要求；n具有类似课题的研究单位所提出的解决方案；n在实现自动测量前的传统测量原理、方法、工具、指标和存在问题；n已经定型生产、性质类同的测量装置的原理、方法、功能、使用情况和价格；n国外同类测量装置的水平、有无专利、价格如何。n在查阅有关情报资料时，要特别注意其基本原理、功能、精度、水平、关键性的元器件、关键技术措施。n（5）性能指标分析性能指标分析n精度；n测量范围；n静态特性；
9、n动态特性；n稳定性；n可靠性；n抗干扰要求等。过低和过高的指标要求都是不合适的。过低和过高的指标要求都是不合适的。性能指标的制订应紧密围绕测量任务，从调查研究开始，力求经济上要节约、技术上要合理、使用环境条件要许可。n2 测量方案制定测量方案制定n测量方案测量方案：实现测量任务的技术规划和说明。n方案的拟订必须进行多方面的考虑多方面的考虑：除了技术性能指标外，还与技术政策、经济效果、方案实现的可行性等因素有关。应注意并满足以下要求：n（1）方案的正确性方案的正确性n测量原理的正确；n方法的正确；n标度的正确。n2）方案的合理性方案的合理性n实现同一测量任务的方案可能有多种，应比较其合理性。n
10、组成整个装置的环节很多，不仅应注意各环节本身的合理性，而且要注意环节组合的合理性。例如：n各环节技术指标的合理性；n增益和误差分配的合理性；n元器件选择的合理性等。（3）方案的先进性方案的先进性n采用新的测量原理n新的技术方法；n新型的元器件等。（4）稳定性、可靠性稳定性、可靠性n如何使装置不易损坏、故障少；n一旦装置发生故障应能尽快地修复；n进行装置的合理操作、正确使用方面的技术指导。（5）标准化标准化n图纸、结构、印版、工艺等的标准化问题。测量方案大致包括以下内容：测量方案大致包括以下内容：n（1）测量原理、方法的选择测量原理、方法的选择n一般说来，与被测量有关并且可作为其测量基础的物理法
11、则、定理、定律往往不止一个，应根据多方面的约束择优应根据多方面的约束择优选用。n这些约束包括：这些约束包括：被测量的大小、强弱、变化范围；被测量的稳定性与均匀性；对测量时间的要求；空间方面对测量工作的限制；对测量精度的要求；对测量经费方面的要求。n所选测量原理应成立、测量方法应可行所选测量原理应成立、测量方法应可行，它包括检测元件的空间位置、检取信息的时间、检取信息的途径和方式等多方面。n（2）信号的传输、变换和处理信号的传输、变换和处理n从传感器输出的电信号，需要经过各种有效的处理，将它变换成与显示部件相适应的形式。n处理方法有放大、微分、积分、选频、整形、滤波、A/D 变换、D/A 变换等
12、。n信号的处理除了实现传感器与显示记录部件之间的信号匹配之外，一般还具有选取有用信号、排除干扰信号、线性化等作用。n（3）记录、传送、显示方式记录、传送、显示方式n现有数码管、液晶、表头等各种不同的显示方式，其驱动电路各异，对驱动信号要求也不一。n记录部件也有多种形式，如电传打字机、记录仪、磁盘、磁带记录器等。n传送信号也有电平、码制、正逻辑或负逻辑、带负载能力等等技术要求。n这些问题，在制定设计方案时，必需一一加以确定。n（4）程控和巡回检测的功能要求程控和巡回检测的功能要求 某些测量装置需要按一定的程序自动地进行测量；另一些则需要对若干测量点进行巡回检测。需周密考虑，提出明确的功能要求。例
13、如：n多少程序步；n各程序步之间的转换条件（时间条件、工位条件或逻辑条件）；n多少检测点；n巡回检测周期等。n（5）测量装置的整体考虑测量装置的整体考虑n箱壳结构；n外形尺寸；n安装位置；n面板操作结构；n手动/自动切换；n必要的执行机构；n超限显示；n报警；n控制。n3 绘制测量系统框图绘制测量系统框图n实现测量任务的方案设想，需要用原理框图的形式表达出来。n首先首先，按信息流程列出各个信息转换、传递的各个环节，例如传感器、放大器、滤波器、显示器、反馈环节等；n然后然后，按测量过程的控制流程列出各个控制环节，例如，程序分配器、节拍发生器、控制器等；n最后最后，将电源、超限报警、手自动切换、打
14、印记录等辅助性环节补充进去。于是，就构成完整的原理框图。n通过原理框图，能清楚地反映实现测量任务的原理和思路、组成装置的全部环节、各环节的主要功能。n总框图提出以后总框图提出以后，每一单元方框的作用也就十分明确了。n这时，就可以根据性能指标，初步确定每一个单元方框初步确定每一个单元方框的具体功能、各输入量和输出量的性质（波形、幅度、频率等）、输入量与输出量的关系、各输入量和输出量的动态范围、静态特性和动态特性等。n作为整个装置的反馈作为整个装置的反馈措施，应该体现在总的原理方框图中，并以专门的单元方框表示反馈网络的存在及反馈环的范围和途径。n至于各单元方框内部的反馈各单元方框内部的反馈措施应在
15、该单元的具体电路中示出，在总的原理框图中则不必加以反映。4 传感器的选用传感器的选用根据具体的n测量目的n测量对象n测量环境 合理的选用传感器，是进行自动检测系统设计需要解决的首要问题首要问题。检测系统设计的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。（1）确定传感器的类型确定传感器的类型 针对同一种被测量，往往有多种传感器可选。而且，这些传感器可能基于不同的工作原理。进行一项具体的测量工作，首先要考虑采用哪一种原理的传感器更为合适采用哪一种原理的传感器更为合适。这需要全面考虑全面考虑被测量的特点和传感器的使用条件：n量程的大小；n被测空间对传感器体积的要求；n是接触式测量还是非接触式测量；
16、n信号的传输方法，是有线传感还是无线传感；n传感器的来源，是购买商品化的传感器还是自行研制传感器，是购买国产传感器还是购买进口传感器。n在考虑上述问题之后，就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。n（2）量程、线性范围量程、线性范围n当传感器的种类确定之后，首先要看其量程和线性范围能否满足要求。n传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。n但在实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性范围是相对的。根据不同的测量精度要求，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性传感器。n（3）灵敏度的选择灵敏度的选择n通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越
17、高越好越高越好。高灵敏度意味着与被测量变化对应的输出信号的变化值较大，有利于信号处理。n但要注意，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声外界噪声也容易混入，也会被测量系统的放大器放大，影响测量精度。n因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。n（4）精度精度n传感器的精度越高，其价格越昂贵。n传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。n应在满足同一测量目的的诸多传感器中，选择最便宜、最简单、最可靠的传感器。n（5）频率响应特性频率响应特性n对传感器频率响应特性的要求，取决于被测量的频率范围。n必须保证在整个被测量频率范围内满足不失真测量
18、条件。n（6）稳定性稳定性n影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境使用环境。n在选择传感器之前，应对其使用环境进行调研，并根据具体的使用环境选择合适的传感器；或采取适当的措施，减小环境的影响。n传感器的稳定性有定量指标。当超过使用期后，在使用前应重新标定，以确定传感器性能是否发生变化。n在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器，其稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。n5 硬件和软件的研制硬件和软件的研制n一般硬件和软件应并行进行。在设计硬件、研制功能模板的同时，完成软件和应用程序的编制。n(1)硬件电路的设计、功能模
19、板的研制和调试硬件电路的设计、功能模板的研制和调试n根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块，分别设计各个电路。例如，输入通道、输出通道、信号调理电路、接口、单片机及其外围电路等。n要根据各个单元方框的功能和外特性选择好电路元件的类选择好电路元件的类型型，例如，是选分立元件还是集成电路、是选通用集成电路还是专用集成电路。首先应从满足单元方框的电路功能和性能指标着眼，结合考虑抗干扰能力、先进性、元件质量价格和供应情况、维修配件的长期供应等有关因素。n应尽量减少元件品种、减少电源品种、统一逻辑属性应尽量减少元件品种、减少电源品种、统一逻辑属性。n选择元件精度
20、选择元件精度时，应注意其合理性。盲目地提高元件精度要求，不一定会提高整个装置的性能，反而会增加成本 n各单元方框内配置的模拟信号电路各单元方框内配置的模拟信号电路，应对其增益、通频带、动态输出能力和输出、输入阻抗等技术指标进行计算，以符合各单元分配的增益指标和保证单元之间的正确连接。n对于数字逻辑电路对于数字逻辑电路，应按逻辑功能进行设计，注意所用集成电路的特性，考虑防止竞争冒险现象的措施，力求工作稳定可靠。n电源、时标发生器、计数、译码、显示等电路如无特殊要求，可选用标准电路，一般不必再行设计计算。nA/D、D/A等常规的变换电路已有产品集成块供应，选用时应注意符合技术性能的要求，例如，精度
21、、对输入信号的要求、带负载能力的大小等。n在完成电路设计之后，即可制作相应功能模板。n在设计、研制功能模板时，要保证技术上可行、逻辑上正确，并注意布局合理、连线方便。n先画出电路图，经反复核对确定无差错后，基于电路图制成布线图，基于布线图加工成印刷电路板，将相应元器件安装、焊接在印刷电路板上。n制成功能模板后，需要对其进行校核、调试。n(2)软件框图的设计、程序的编制和调试软件框图的设计、程序的编制和调试n将软件总框图中的各个功能模块具体化，逐级画出详细的逐级画出详细的框图框图，作为编制程序的依据。n编写程序一般用汇编语言汇编语言建立用户源程序。在开发系统机上，利用汇编软件对输入的用户源程序进
22、行汇编，变为可执行的目标代码。用汇编语言来编写，可以减少存储、加快程序执行速度和节省机器时间。n在对速度要求不太苛刻的前提下，有时也使用高级语言高级语言编写程序。n在程序设计中还必须进行优化优化工作，充分利用各种程序设计技巧，使所编程序占用内存空间尽量小、执行速度尽量快。n6 系统总调、性能测试系统总调、性能测试n在硬件、软件分别完成后，即可进行软件、硬件的联合调试，亦即系统总调，并测试系统的性能指标。n若有不满足要求之处，需要仔细查找原因，进行相应的硬、软件改进，直到满足要求为止。12.2 自动检测系统的性能估计自动检测系统的性能估计n将传感器、调理电路、数据采集系统集成为一个测量系统，基本
23、原则是要使测量系统的基本功能、静态性能、动态性能均达到预先规定的要求，需对所设计的测量系统性能进行科学估计。n假设子系统、环节的性能指标已知，估计系统总的性能指假设子系统、环节的性能指标已知，估计系统总的性能指标。标。要求在采用预选的环节组成测量系统后，经过标定实验，其性能既要达到规定的要求，同时又不过分的超过预既要达到规定的要求，同时又不过分的超过预先规定的指标先规定的指标。n如预估指标远远高于规定指标，则应适当降低某些环节的指标，重新估计。过高的指标意味着过高的代价。n预估过程是一个反复设定、权衡调整直至最后确定的过程，在误差理论中它属于误差分配与合成问题在误差理论中它属于误差分配与合成问
24、题。图图12.1 现代测量系统基本形式的链形结构框图现代测量系统基本形式的链形结构框图环节S1代表传感器，环节S2代表调理电路。最常见的调理电路是放大器，不妨将S2假定为放大器。环节S3代表具有采样保持器的AD转换器。W1(j)与W2(j)分别代表传感器与放大器的频率特性。12.2.1 检测系统分辨力与量程的预估检测系统分辨力与量程的预估n上式既适于指标分配指标分配：从系统指标出发逐步落实到各环节指标，n也适于指标合成指标合成：从各环节指标出发估计系统指标的。n在自动检测系统的设计过程中，指标分配与合成往往需要反复进行。123yuvySS S Sxxuvn按检测系统分辨力与量程的要求，先初步确
25、定传先初步确定传感器的灵敏度值感器的灵敏度值S1，然后再进行放大器增益，然后再进行放大器增益S2与与AD转换器分度值转换器分度值S3的权衡的权衡。n在被测量范围较大的情况下，初定的初定的S2、S3往往往往不能同时满足分辨力与量程两方面的要求不能同时满足分辨力与量程两方面的要求，此时有两种解决办法：办法之一办法之一是设置多种增益，在被测量值较小时用增益大的档，当被测量值增大到一定程度时自动切换为增益小的档；办法之二办法之二是固定放大器的增益值而选用多位AD转换器，如10位、12位、14位AD转换器等。n举例而言，若某温度检测系统要求测温分辨力0.1、量程上限值为160.0时：n若采用固定的放大器
26、增益，8位AD仅有256个分度值，10位AD仅有1024个分度值，均不能满足要求；n必须选用11位以上的AD转换器；n或者，采用多增益放大器，根据被测温度的高低，自动进行放大器增益切换。12.2.2 动态性能的预估动态性能的预估n动态测量系统应满足被测对象对其动态性能的要求。n例如：被测动态信号的最高频率fm为1000Hz，要求动态频率幅值误差不能大于5%。n根据上述要求，将测量系统中的模拟部分与数字将测量系统中的模拟部分与数字部分分别进行预估部分分别进行预估，从对系统总的动态性能要求出发，确定组成系统各环节的动态性能。1 模拟部分模拟部分设模拟部分的传感器与放大器各自的频率特性分别为设模拟部
27、分的传感器与放大器各自的频率特性分别为 1()()()U jW jX j2()()()V jWjU j模拟部分总频率特性模拟部分总频率特性W(j)为为12()()()()()()()()()V jV jU jW jWjWjX jU jX jNN()()100%()W jWjrWj广义动态广义动态(幅值幅值)误差误差 N()(0)WjW理想频率特性理想频率特性 传感器与放大器均为一阶环节时传感器与放大器均为一阶环节时22121111()1()r212bf通常放大器给出的指标是带宽通常放大器给出的指标是带宽fb 传感器为二阶环节，放大器为一阶环节传感器为二阶环节，放大器为一阶环节 2 22 222
28、001111()1()(2)r0传感器的固有角频率 传感器的阻尼比，如果说明书未给出则按=0进行预估；2b12f放大器时间常数，可按带宽求得，2mfr令计算出的r应满足允许值，即5n2 数字部分数字部分n数字部分与动态误差有关的指标是AD转换器的转换时间、采样保持器的孔径时间、孔径抖动时间。n（1）AD转换器转换时间的选取转换器转换时间的选取n在保证AD转换器转换误差不大于量化误差的条件下，被测信号的频率最大值与的关系为H1C112nfTn AD转换器的位数。mHff（2）采样保持器孔径时间与孔径抖动时间选取采样保持器孔径时间与孔径抖动时间选取n如果上式不能满足，则AD转换器前面必须有采样保持
29、器；n一般说来可以通过软件提前下达指令的措施消除的延时影响，故被测信号的频率最大值受限于孔径抖动时间，即H1AJ112nfTmHff总的说来，测量系统动态性能主要受传感器的限制。总的说来，测量系统动态性能主要受传感器的限制。12.3.3 静态性能的预估静态性能的预估n静态性能预估，就是按总误差的限定值对组成系按总误差的限定值对组成系统的各个环节进行误差分配与合成统的各个环节进行误差分配与合成的问题，它包括误差预分配、综合调整、再分配、再综合，直至选定环节的静态性能满足系统静态性能要求。n以某压力测量系统为例，要求该系统在(205)环境温度内引用误差不大于1.0%，当工作于上限温度60时温度附加
30、误差不大于2.5%，试确定压阻式压力传感器、放大器、数采系统静态性能。=0 123yS S S x123lnlnlnlnlnySSSx312123dSdSdSdydxySSSxdxx123yrrrr系统整机的总误差相对值与链形结构中各环节的相系统整机的总误差相对值与链形结构中各环节的相对误差分项为代数和的关系。对误差分项为代数和的关系。333231323222121312111rrrrrrrrrrrr111213212223313233yrrrrrrrrrr对于以计算机为核心的现代测量系统，恒定系统误差可以通过标定实验数据得到修正。因此，只存在可变系统误差与随机误差。于是采用方和根法方和根法综
31、合 2222222222111213212223313233yrrrrrrrrrrn按照整机性能要求，引用误差小于1.0%，则整机的扩展不确定度U1.0%。为简单起见，取覆盖因子ky=3(P0.99)，则整机标准不确定度 0.33%rcyUuk2222222222111213212223313233rcuuuuuuuuuun(1)有关传感器分项标准不确定度的设定有关传感器分项标准不确定度的设定 有两种估算方法。n1)用传感器的准确度等级指数用传感器的准确度等级指数进行估算进行估算，令11%3u2)用传感器的分项标准不确定度来估算用传感器的分项标准不确定度来估算22222111121314uuu
32、uu2)用传感器的分项标准不确定度来估算用传感器的分项标准不确定度来估算22222111121314uuuuu1113Hu1213Ru1313Eu140()/3Sut由滞后引入的不确定度分量 由重复性引入的不确定度分量 电源波动系数引入不确定度分量 由环境温度变化引入的 不确定度分量 404.9 10/C4S5.1 10/C5 Ct 设传感器技术指标为：滞后、重复性皆0.09，电源波动系数0.03%，温度系数422222441(4.95.1)1050.030.030.01 100.086 103u10.293%u(2)AD转换器标准不确定度的设定转换器标准不确定度的设定AD转换器对整机不确定度
33、的贡献只有两个分项：1)由分度值进行示值估读的量化误差e引入的不确定度服从均匀分布，当选用8位AD时 3181110.113%223u2)因显示结果要修约至估读值，产生的修约误差为量化误差的1/2，服从均匀分布 323110.056%2uu222224233132(0.1130.056)10(0.126)uuun(3)放大器标准不确定度的限定放大器标准不确定度的限定n根据整机标准不确定度0.33的要求，并且已设定的传感器及AD转换器的标准不确定度值u1及u3，由公式(12.16)可解得放大器标准不确定度为0.0960.1。n达到上述要求对一般放大器而言不是太困难。n放大倍数实际值偏离设计值引起
34、的系统误差放大倍数实际值偏离设计值引起的系统误差是可消除的。n产生不确定度的是放大倍数的波动产生不确定度的是放大倍数的波动，通常是环境温度变化引起放大器的失调温度漂移和反馈电阻阻值比的漂移。n在采用实时自校准的测量系统中，放大倍数是由基准电压在采用实时自校准的测量系统中，放大倍数是由基准电压实时标定的实时标定的。因此放大器的不确定度则决定于基准电压源。n同样基准电压值的波动通常也是受环境影响，对于2DW232系列稳压二极管制作的基准电压源，其温度系数可以达到(205)ppm，在5范围内的波动相对值为(10025)10-6=（0.010.0025）%。n本节阐述的测量系统性能预估方法是一种简化计
35、算方法，在构建测量系统的实际工作中经常被采用。12.3 自动检测系统抗干扰技术自动检测系统抗干扰技术n12.3.1 测量系统中的干扰问题测量系统中的干扰问题n干扰就是来自外部和内部，影响测控系统正常工干扰就是来自外部和内部，影响测控系统正常工作的各种因素作的各种因素。n传感器系统属于弱电装置，而且工作在环境恶劣的生产现场，抗干扰问题特别突出。n对干扰问题的处理，往往能够反映出一位自动检测与控制系统设计人员技术水平的高低。1 干扰的类型干扰的类型按干扰的来源，可分为n电磁干扰n机械干扰n热干扰n光干扰n湿度干扰n化学干扰n核辐射干扰（1）电磁干扰电磁干扰n由于传感器系统本身的电磁波和外界电磁场的
36、影响，在系统内部有关电路中感应出干扰电流或干扰电压，从而使设备不能正常工作。n电磁干扰及其抑制是本节讨论的重点问题。（2）机械干扰机械干扰n指由于机械的振动或冲击，使电子测量装置中的电气元件发生振动、变形，使连接导线发生位移，使指针发生抖动，使仪器接头松动等。n对于机械类干扰的防护措施主要采用避振或隔振来解决。例如，采用减振弹簧、减振软垫隔板、消振等措施。（3）热干扰热干扰n由于环境温度变化、电子元器件在工作时产生热量等原因，引起有关元器件参数发生变化、或产生某种附加热电势等，从而影响电测装置的正常工作。常采取以下防护措施。n1)热屏蔽热屏蔽n将某些对温度比较敏感的元器件或在电路中有重要影响的
37、元件或部件，置于用导热性能良好的金属材料做成的热屏蔽区，与热源相隔离。n2)恒温法恒温法n将某些重要器件、部件置于恒温环境中。例如，将石英晶体、基准稳压管等与精度密切相关的元件置于恒温设备中。n3)平衡相消结构平衡相消结构n如采用差分放大电路、差动电桥电路等，使两个与温度有关的元件处于对称平衡电路结构两侧，温度对这两个元件产生相同的影响，但这两个元件对输出端产生的影响相反，从而相互抵消。n4)温度补偿元件温度补偿元件n采用温度补偿元件，以补偿环境温度的变化对装置的影响。n5)加强自然通风或强制冷却加强自然通风或强制冷却（4）光干扰光干扰n传感器系统、测量装置内的半导体器件，在光的作用下改变其导
38、电性能，产生电势或引起阻值的变化，从而影响电测装置的正常工作。n因此，对某些受光干扰严重的半导体器件，应封装在不透光的壳体内或采取光屏蔽措施。（5）湿度干扰湿度干扰n湿度对传感器系统有多种影响影响，例如，湿度增加引起绝缘电阻下降，漏电流增加；电介质的介电常数增加，电容量增加；吸潮后骨架膨胀使线圈阻值增加，电感量变化；应变片粘贴后，胶质变软，精度下降等。n通常采取的防护措施防护措施有：避免放在潮湿处、设置吸潮剂、电子器件及印制电路浸漆或用环氧树脂封灌、定时通电加热去潮等。（6）化学干扰化学干扰n酸、碱、盐等化学药品以及其他腐蚀性气体，除了因其化学腐蚀性会损坏元器件外，又可能与金属导体产生化学电动
39、势，从而影响仪器设备的正常工作。n因此，必须从具体使用环境出发，对仪器设备进行必要的防腐措施。例如，将关键的元器件密封。（7）核辐射干扰核辐射干扰n核辐射能产生很强的电磁波，射线会使气体电离、使金属逸出电子，从而影响电测装置的正常工作。n核辐射的防护技术，主要用于原子能工业等方面。2 电磁干扰源电磁干扰源 （1）放电干扰源）放电干扰源 1）天体和天电干扰天体和天电干扰n天体干扰是由太阳或其他恒星辐射电磁波所产生的干扰。n天电干扰是由雷电、大气的电离、火山爆发及地震等自然现象所产生的电磁波和空间电位变化所引起的干扰。2）电晕放电干扰电晕放电干扰n电晕放电现象主要发生在超高压、大功率输变电设备、线
40、路上。电晕放电具有间歇性，并产生脉冲电流和高频振荡，向周围辐射电磁波。其衰减特性一般和距离的平方成反比。n对一般测试系统，电晕放电干扰影响不大。3）火花放电干扰火花放电干扰n例如，直流电动机电刷和整流子间的周期性瞬间放电，电气开关设备中开关通断的火花，电气机车导电线与电刷间放电等。4）辉光、弧光放电干扰辉光、弧光放电干扰n通常，放电管具有负阻抗特性，当和外电路连接时容易引起高频振荡。例如，测量现场大量使用荧光灯、霓红灯等。(2)电气设备干扰源电气设备干扰源1）射频干扰射频干扰n电视、广播、雷达及无线电收发机等，对邻近电子设备造成干扰。2）工频干扰工频干扰n大功率输电线、配电线与邻近测量系统的传
41、输线通过耦合产生干扰。3）感应干扰感应干扰n当使用电子开关、脉冲发生器时，因为其工作中使电流发生急剧变化，形成非常陡峭的电流、电压前沿，具有一定的能量和丰富的高次谐波分量，则在其周围产生交变电磁场，从而引起感应干扰。(3)固有噪声源固有噪声源n所谓固有噪声源，是指这些噪声是测量系统本身所固有的、不可回避的。它包括热噪声、散粒噪声、接触噪声。1）热噪声热噪声n任何电阻，即使其单独存在时，在它的两端也存在着极微弱的电压。这是电阻中电子的热运动所形成的干扰电压。因为热运动具有随机性质，所以该噪声电压也具有随机性质，而且其频率范围几乎覆盖整个频谱。fKTRUt4K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为电阻
42、值，f干扰电压频率带宽 举例：举例：T=300K为绝对温度，R=750K为电阻值，f=100Hz时为32微伏。即当输入信号是微伏级时，干扰将使测试工作无法进行。2）散粒噪声散粒噪声n散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散、电子空穴对的随机产生及复合形成的。n散粒干扰的干扰电流为sd2IqIfq191.6 10C为电子电荷为电子电荷dIf为平均直流电流为平均直流电流(A)为干扰电压频率带宽为干扰电压频率带宽3）接触噪声接触噪声n由于两种导电材料之间的不完全接触，从而形成电导率的起伏，它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器滑动接点等。接触噪声正比于直流电流的大小，其功率密度反比于频率
43、。可近似地用下式表示：0dfK IIfffIdI为接触噪声电流；为接触噪声电流；为平均直流电流为平均直流电流(A)K0为由材料和几何形状确定的常数为由材料和几何形状确定的常数 f 为用中心频率为用中心频率f 表示的带宽表示的带宽 3 电磁干扰叠加和信噪比电磁干扰叠加和信噪比n测量系统往往受到多个干扰源的作用，因此需要研究多个干扰源对测量系统的整体作用。因此提出干扰叠加干扰叠加问题。n干扰的严重程度，不但取决于干扰合成后的强度，而且与测量系统内部信号的强度有关。为此，提出信噪比信噪比的概念。2iUU2212122UUUrU USSNN10lg(dB)20lgPUSNPU12.3.2 噪声耦合方式
44、噪声耦合方式n噪声形成干扰需要同时具备三个要素：噪声源、对噪声敏感的接收电路、噪声源到接收电路之间的耦合通道。噪声耦合方式主要有：噪声耦合方式主要有：静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合、漏电流耦合。静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合、漏电流耦合。n1 静电耦合静电耦合n静电耦合，又称电容性耦合，它是由于两个电由于两个电路之间存在有寄生电容，使一个电路的电压变路之间存在有寄生电容，使一个电路的电压变化影响到另一个电路化影响到另一个电路。图图12.3 两根平行导线间的静电耦合两根平行导线间的静电耦合(a)示意图，示意图，(b)等效电路等效电路12122GI122G/()1/()NjCCCUUjR CCN1
45、2IUj RC U干扰电压正比于噪声源的角频率干扰电压正比于噪声源的角频率、分布电容、分布电容C12、接收电路、接收电路输入电阻输入电阻R。欲降低静电耦合效应，应减小欲降低静电耦合效应，应减小R和和C12。图图12.4 静电耦合等效电路静电耦合等效电路miNnmi1j C ZUEj C Zmi1j C ZNminUj C Z E一般一般所以所以结论：结论：n（1）被干扰电路接收到的干扰电压正比于噪声干扰电压正比于噪声源的角频率源的角频率。n在射频段，因频率很高，静电耦合干扰最严重。n但是对于极低电平接收电路，即使在音频范围，静电耦合干扰也不能忽视。n（2）干扰电压正比于接收电路的输入阻抗干扰电
46、压正比于接收电路的输入阻抗。n降低接收电路的输入阻抗，可减小静电耦合干扰。对于微弱信号放大器，其输入阻抗应尽可能低，一般希望在数百欧以下。n（3）干扰电压正比于噪声源与接收电路之间干扰电压正比于噪声源与接收电路之间的分布电容的分布电容。n应通过合理布线和适当防护措施减小分布电容。n当有几个噪声源同时经静电耦合干扰同一个接收电路时，可以使用迭加原理迭加原理分别对各噪声源干扰进行分析。图图12.5为电子仪器受静电耦合干扰的示意图及为电子仪器受静电耦合干扰的示意图及其等效电路。其等效电路。n图中导体为具有对地电压为UNg的噪声源，B为电子仪器信号输入端裸露在仪器机壳外的信号线，Cm为A与B之间的分布
47、电容，Zi为电子仪器的输入阻抗。n假设A、B间的耦合很弱，Cm为0.01PF，噪声源电压UNg为5V、频率f为1MHz，电子仪器的放大器放大倍数为100、频响带宽超过1MHz、输入电阻为0.1M，n利用式(12.28)计算得到B点的干扰电压为31.4mV。n经放大器放大后，可能将出现3V左右的干扰电压，这是不能允许的，必须采取相应的技术措施。图图12.5 通过静电耦合对测量系统形成干扰通过静电耦合对测量系统形成干扰(a)示意图，示意图，(b)等效电路等效电路2 电磁耦合电磁耦合n电磁耦合,又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在有由于两个电路之间存在有互感，使一个电路电流变化通过磁交链影响到另一
48、个电路互感，使一个电路电流变化通过磁交链影响到另一个电路。n例如，电子设备内部的线圈、变压器的漏磁对邻近电路就是一种很严重的干扰；n再如，在电子装置外部，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。NnUj MI电磁耦合举例电磁耦合举例n当两条平行导线有电流流过时，它们彼此之间会通过磁交链产生电磁耦合干扰。假设有一条信号传输线与一条电压为100V、负荷为10kVA的输电线相距1m，并在10m长的一段区间彼此平行架设。两条平行导线之间的互感系数可由下列经验公式22ln12(mH)LMLDD式中L为二导线平行段长度，D为二平行导线之间的中心距，L、D单位为厘米。M=4.2H UN=1
49、32mV 3 共阻抗耦合共阻抗耦合n共阻抗耦合，是由于两个电路存在共同的阻抗参数，当一由于两个电路存在共同的阻抗参数，当一个电路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另一个电路中个电路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另一个电路中产生干扰电压产生干扰电压。例如：n几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰；n放大器中各放大级通过接地线电阻互相干扰。n共阻抗耦合可以用图12.7所示等效电路表示。图中ZC表示两个电路之间的共有阻抗，In表示噪声电流源，UN表示被干扰电路的感应电压。图图12.7 共阻抗耦合等效电路共阻抗耦合等效电路NncUI ZUN正比于共有阻抗和噪声源电流正比于共有阻抗和噪声源电
50、流 n4 漏电流耦合漏电流耦合n漏电流耦合，是由于绝缘不良、由流经绝缘电阻的漏电流由于绝缘不良、由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰所引起的噪声干扰。n漏电流感应可用图12.8所示等效电路表示。图中En表示噪声源电势，R表示漏电阻，Zi表示被干扰电路的输入阻抗iNniZUERZn漏电流耦合干扰经常发生在下列情况下漏电流耦合干扰经常发生在下列情况下：当用仪表测量较高的直流电压时；在测量系统附近有较高的直流电压源；在高输入阻抗的直流放大器中。例如，某直流放大器的输入阻抗108，干扰源电势15V，绝缘电阻1010，其示意图如图12.9所示。按此数据估算漏电流干扰对此放大器的影响，结果为UN=149
