1、第第1010章章 检测装置的补偿检测装置的补偿 及抗干扰技术及抗干扰技术 在实际测量中，影响检测系统或传感器工作性能的因素，主要有两个方面，一是由于系统自身结构的不完善而带来的误差，二是由于外界干扰信号进入系统作用于测量结果而带来的误差。在多数情况下，这两种因素都会影响测量质量，严重时还可能使测量系统无法正常工作。因此，有必要在检测系统或传感器中采取一定的补偿措施和抗干扰技术。抗干扰技术是检测技术中一项重要的内容，它直接影响测量工作的质量和测量结果的可靠性，因此，要消除干扰或削弱干扰的影响，使其降到最低程度的全部技术措施。10.1 非线性补偿技术n对传感器的非线性特性进行线性化处理的方法很多，
2、目前经常使用的方法可分为两大类，一类是模拟线性化，另一类是数字线性化。n10.1.1 模拟线性化 1、开环式非线性特性补偿具有开环式非线性静态特性补偿的结构原理如图 10.1 非线性补偿技术（1）解析计算法传感器输出输入关系的解析表达式为 放大器的输出输入关系解析表达式为 要求整台仪表的刻度方程为 联立，削去中间变量u1、x，得到非线性补偿环节输出输入的解析表达式为)(11xfu 12KuauKauSFbuo2Sxbuo10.1 非线性补偿技术（2）图解法 将传感器的非线性特性曲线u1=f1（x）画在直角坐标系的第象限，被测量x为横坐标，传感器输出电压为纵坐标。将放大器的线性特性曲线u2=KU
3、1画在第象限，放大器的输入u1为纵坐标，放大器的输出u2为横坐标。将整个测量系统的输出 输入特性曲线uo=S x画在第象限，该象限的横坐标仍为被测量x，纵坐标为整个仪表输出u o。将x轴分成1、2、3 n段（段数n由精度要求而定）。10.1 非线性补偿技术 2、闭环式非线性反馈补偿 （1）解析计算法传感器的输出输入关系的解析表达式为 放大器的输出输入关系解析表达式为整个测量系统的刻度特性为根据框图可知 非线性特性解析表达式)(11xfu uKuoSxuofuuu1KuSufuoof110.1 非线性补偿技术（2）图解法 将传感器的输出输入特性曲线u1=f1（x）画在直角坐标系的第象限，横坐标表
4、示被测量x，纵坐标表示传感器的输出电压。将整个测量系统的输出输入特性uo=S x画在第象限，横坐标仍表示被测量x，纵坐标表示u o。考虑到主放大器的放大倍数K是够大，通过1（x）点引垂线与通过1（1）点引水平线在第象限交于1（2）点，则点1（2）就是所要求取的非线性反馈环节输出输入特性曲线上的一点。10.1 非线性补偿技术n10.1.2 数字线性化 用软件实现传感器特性线性化，一般需要进行两方面的工作。首先由于大部分仪表、传感器输出量是模拟量或频率量，需要将它们变成数字量，亦即使特性数字化；其次是将特性数据表格存于内存，通过微处理器执行程序，对采样信息进行数据处理，实现特性数据线性化。1、计算
5、法：当传感器的输入量与输出量之间有确定的数学表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。2、查表发：如果某些参数计算非常复杂、被测量与输出量没有确定的关系，或不能用某种函数表达式进行拟合时。10.1 非线性补偿技术n3、插值法（1）线性插值法（折线法）（2）二次插值法（又称抛物线法）21221121122121)()()()()()(kkkkkkikikkkkkiikikkkkkkikiiyxxxxxxxxyxxxxxxxxyxxxxxxxxy)(11kikkkkkixxxxyyyy10.2 温度补偿技术 一般测量系统都是由几个基本单元组成，如敏感元件、放大器、处理电路和显示器等。然而这些单元的技
6、术性能无不与工作温度有关，尤其是敏感元件的静特性与环境温度关系更为密切。n10.2.1 温度补偿原理10.2 温度补偿技术nnxTaxTaxTaTaTxfy)()()()(),(2210在某一输入量x下，由温度变化引起的仪表输出变化为 nTxdTTdaxdTTdadTTdaS)()()(010即近似地把系统看成是线性系统 xdTTdadTTdaST)()(10 xTaTay)()(1010.2 温度补偿技术n10.2.2 温度补偿方式 1、自补偿 自补偿是利用传感器本身的一些特殊部件受温度影响产生的变化相互抵消。2、并联补偿 并联补偿是在原有的测量系统中，人为地增加一个温度补偿环节，该补偿环节
7、与主测量系统并行相联，其目的是使它们的合成输出不随环境温度T变化。10.2 温度补偿技术n自补偿和并联补偿n并联补偿满足条件：一是补偿环节输出对温度的反应与被补偿环节输出对温度的反应大小相等，符号相反，才可能实现全补偿。二是补偿环节对输入量x的反应与被补偿环节对x的反应大小应相等，符号相同，以提高灵敏度。10.2 温度补偿技术n10.2.3 温度补偿方法 1、硬件方法（1）零点补偿：环境温度的变化引起仪表零点漂移，可在系统中加入一个附加电路，使其产生一个与零点漂移值大小相等、极性相反的信号，它与零点漂移相串联，两者相互抵消而实现补偿。（2）灵敏度补偿：在环境温度变化时，会引起检测系统灵敏度的变
8、化而造成测量误差。（3）综合补偿：在不少情况下不便或不必去区分开补偿零点和灵敏度，而是综合补偿，保证检测系统的输出不随温度干扰而变。10.2 温度补偿技术2、软件方法（1）零点补偿：检测系统在零输入信号时（对某些检测可能是空载），包括信号输入放大器及微机接口电路在内的整个检测部分的输出应为零，但由于零漂的存在，它的输出不为零。（2）零漂的自动跟踪补偿：零漂值不是一个定值，它会随环境温度、时间而变化，且不是线性的。因此，在要求比较高的情况下，按定值或一定时间内按定值进行补偿，不能满足检测的要求，在有微机参与的仪表中，可以借助于软件实施零漂的自动跟踪补偿，用跟踪到的零漂值对被测量的采样值进行修正，
9、就可以得到满意的结果。10.3 干扰的类型及产生干扰的类型及产生 干扰是影响测量系统和传输环节正常工作的各种原因的总和，称为干扰（噪声）。而把消除或削弱各种干扰影响的全部技术措施，总称为抗干扰技术或防护。n10.3.1 干扰的类型干扰的类型 1 1、电和磁干扰 5、湿度干扰 2、机械干扰 6、化学干扰 3、热干扰 7、射线辐射干扰 4、光干扰 10.3 干扰的类型及产生干扰的类型及产生n10.3.2 干扰的产生干扰的产生 1、放电干扰 （1）天体和天电干扰 （2）电晕放电干扰 （3）火花放电干扰 （4）辉光、弧光放电干扰 2、电气设备干扰 （1）射频干扰 （2）工频干扰 （3）感应干扰 10.
10、3 干扰的类型及产生干扰的类型及产生n10.3.3 信噪比和干扰叠加信噪比和干扰叠加 1、信噪比 衡量干扰信号对有用信号的影响程度，即 可见，信噪比越大，干扰的影响越小。2、干扰的叠加 （1）非相关干扰源电压相加 （2）两个相关干扰电压之和UUNiN2UUUUUNNNNN212221210.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式 干扰信号进入测量装置的途径称为耦合方式。干扰耦合主要有以下几种方式：静电电容耦合、电磁耦合、共阻抗耦合及漏电流耦合。n10.4.1 静电电容耦合静电电容耦合 静电电容耦合是两个电路间存在寄生电容，干扰信号通过寄生电容耦合。一般情况下，有R1/（C12+C2），故上式
11、可进一步简化为1121221212UCCCCCURjjN112URCjU10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式n图所示为静电电容耦合的原理图。10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式n10.4.2 电磁耦合电磁耦合 电磁耦合是电路间存在互感，干扰信号通过互感耦合。图是两个电路电磁耦合的示意图和等效图。1IMjUN10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式n10.4.3 共阻抗耦合 共阻抗耦合是两个电路存在公共阻抗，干扰信号通过公共阻抗耦合。图所示为共阻抗耦合的等效电路。10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式n10.4.4 漏电流耦合 漏电流耦合是绝缘不良，流经绝缘电阻
12、的漏电流引起的干扰。图所示为其等效电路。Ui为干扰源电势，R为漏电阻，Zi是被干扰电路的输入阻抗，Un为干扰电压。UZEZZURRiniiN110.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式n10.4.5 电子测量装置的两种干扰电子测量装置的两种干扰 干扰进入测量电路有两种方式，即差模干扰和共模干扰。1、差模干扰 差模干扰是干扰信号与有用信号叠加在一起，特点是信号接收器的两个输入端的电位发生变化。2、共模干扰 共模干扰是在信号接收器的两个输入端同时出现的干扰。特点是不影响有用信号电压。当信号接收器的输入参数不对称时，对测量结果产生影响 10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式 图是差模干扰
13、的两种方式 10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式 共模干扰等效电路和造成共模干扰的原因如图 10.4 干扰信号的耦合方式干扰信号的耦合方式n10.4.6 共模干扰抑制比 共模干扰抑制比是表征测量系统对共模干扰的抑制能力的量，表达式为 共模干扰抑制比也可以定义为系统的差模增益与共模增益之比，即 共模干扰抑制比越高，对共模干扰抑制能力越强。cdCMRkkKlg20cdcmCMRUUKlg2010.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 为了使测量系统能够可靠稳定地工作，必须采取各种抑制干扰技术措施。n10.5.1 屏蔽技术 利用导体或磁性材料将要防护的部分包起来，隔断电磁场的耦合通道，
14、这种技术称为屏蔽。1、静电屏蔽 静电屏蔽是利用接地的金属容器来隔断容器内外电联系的技术。2、电磁屏蔽 电磁屏蔽是利用涡电流的抵消高频干扰磁场的影响，抗高频电磁场干扰的技术。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 3、低频磁屏蔽 低频磁屏蔽是利用高导磁材料作屏蔽层，将干扰限制在屏蔽体内部的抗低频磁干扰的技术。4、驱动屏蔽 驱动屏蔽是使屏蔽层与被屏蔽导体电位相同的抗干扰技术。驱动屏蔽的原理如图所示。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施n10.5.2 接地技术 接地技术是抑制干扰的一种重要措施，选择合理的接地方式能够有效地抑制干扰。1、电测装置的接地 （1）安全接地 将装置的机壳和
15、底盘接地，接地电阻在10以下。（2）信号接地 信号接地是使电测装置的零电位接地线，不一定真正接大地。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 （3）信号源接地 信号源地线是传感器的零电位电平基准，传感器与其它测量设备在接地上有不同要求。（4）负载接地 负载中的电流一般较大，在负载地线上产生的干扰也较大，故对负载地线与测量仪器的地线有不同的要求。2、电路一点接地准则 （1）单级一点接地准则 10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 如图所示，电路中的7个点若分别接地，不同接地点间会产生干扰电压，应在一点接地。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施(2)多级电路一点接地 图a所
16、示的接地形式虽然避免了多点接地可能产生的干扰，但当各级电平相差较大时，会产生较大的地电流干扰。图b采用的分别接地方式适用于低频电路。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 (3)测量装置的两点接地 图为两点接地对装置的影响。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 3、测量系统的接地 测量系统一般有三个分开的地线：信号地线、电源地线和保护地线。图给出三种地线的接地方式。10.5 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施n10.5.3 浮置浮置 浮置是输入信号放大器的公共线不接机壳和大地的一种抗干扰技术。图是采用浮置技术的测量系统。其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 除上述的几种方法外，
17、还有隔离、滤波、平衡电路等抑制干扰的方法。n1 1、隔离、隔离 （1）变压器隔离 图是一个两端接地系统，消除此类干扰的方法是隔离。其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 如图所示，在信号传输通道中接一个变压器切断地环回路，有效地抑制了干扰。其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 （2）光电耦合器隔离 如图所示，在电路中接一个光电耦合器，切断了电和磁的耦合通道，抑制了干扰。其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 2 2、滤波、滤波 滤波是在信号通道中，接入与噪声信号频带相应的滤波器，达到抑制干扰的目的。（1）交流电源进线的对称滤波 其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 （2）直流电源输出的滤波器 图是滤除电源高、低频
18、成分的滤波器。（3 3）去耦滤波器 其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 3 3、平衡电路、平衡电路 平衡电路是结构对称，对应阻抗相等的电路。图所示电桥就是一种平衡电路。4、脉冲电路的噪声抑制电路 （1）整形 （2）削波器整形 其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施（3）平滑整形 5 5、积分电路、积分电路 其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 6、脉冲干扰隔离门 脉冲干扰隔离门是阻止幅值较小的干扰脉冲通过幅值较大的信号脉冲的电路，图利用硅二极管构成的脉冲干扰隔离门。其它抑制干扰措施其它抑制干扰措施 7、与门 图是用与门抑制噪声的示意图。思考题与习题n1.传感器的输出输入特性的非线性补偿方法有几种？每种补偿
19、方法的要点是什么？请用框图简要说明。n2.用图解法求取线性化器的输出输入特性与用解析计算法求取线性化器的输出输入特性相比有何特点？请简要说明。n3.利用电阻与精密整流器组合成非线性网络，并将其与运算放大器相结合，构成折线逼近式线性化器，与利用具有非线性特性的元件和运算放大器构成模拟式线性化器相比较有何特点？请举例说明。n4.简述并联式温度补偿的特点及实现温度补偿的条件，并指出选择和安排补偿环节的原则。n5.干扰信号进入被干扰对象的主要通路有哪些？思考题与习题n6.试分析一台你所熟悉的测量仪器在工作过程中经常受到的干扰及应采取的措施。n7.图习题10.7所示控温电路中，放大器A1和A2用以放大热电偶的低电平信号，利用开关S周期性通断把大功率负载接到一个电源上，试说明噪声源、耦合通道和被干扰电路。
