1、电气测试技术主讲：王秀华电气测试技术第1章 测量及其系统1.1 测量的概念和定义1.2 测量仪表的基本性能1.3 测量方法1.4 测量系统电气测试技术1.1 测量的概念和定义 测量是人们认识客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步地掌握事物的本质和揭示自然界规律的一种手段。著名俄国科学家门捷列夫说过：“没有测量，就没有科学”，英国科学家库克也认为：“测量是技术生命的神经系统”。在自然界中，对任何不同的研究对象，如要从数量方面对它进行研究和评价，都是通过测量代表其特性的物理量来实现的。电气测试技术1.1 测量的概念和定义测量的基本方程电气测试技术1.1 测量的概念和定义K称为换算因数电气
2、测试技术1.1 测量的概念和定义2.单位及单位制（1）测量单位 测量单位是以定量表示同类量而约定采用的特定量。这个特定的量值，其数值等于1，其量值大小是约定的，或用法令形式规定的。为了对同一被测量在不同的时间、地点进行测量，能得到相同的结果，必须采用公认的而且固定不变的单位。为了有利于各国之间的科学文化交流，测量单位的确定和统一是非常重要的。电气测试技术1.1 测量的概念和定义（2）单位制 a）国际单位制（SI）国际单位制是由国际计量大会（CGPM）所采用和推荐的一种一贯单位制。M，kg，s，A，K，mol，cd电气测试技术1.1 测量的概念和定义国际单位制基本单位：单 位 名 称符号长度米m
3、etrem质量千克kilogramkg时间秒seconds电流安培ampereA热力学温度开尔文kelvinK物理的量摩尔molemol发光强度量candelacd电气测试技术1.1 测量的概念和定义具有专门名称的部分SI导出单位：量单位名称符号量单位名称符号电压、电位、电动势伏（特）V磁通（量）韦（伯）Wb功率瓦（特）W力、重力牛（顿）N电荷、电量库（仑）C压力、压强、应力帕斯卡Pa电阻欧（姆）光磁通流明Lm电感亨（利）H光照度勒（克斯）Lx电容法（拉）F摄氏温度摄氏度电导西（门子）S能、功、热量焦（耳）J频率赫（兹）Hz吸收剂量戈（瑞）Gy磁感应强度特（斯拉）T剂量当量希沃特Sv电气测试技
4、术1.1 测量的概念和定义 b）我国法定计量单位的构成 下表列出了国家选定的部分非国际单位制单位。量单位名称符号量单位名称符号平面角度分秒时间天小时分dhmin旋转速度转/分r/min质量吨t土地面积公顷能电子伏ev体积升L长度海里n mile级差分贝db线密度特科斯tex2hm电气测试技术1.1 测量的概念和定义3.测量过程选择恰当的测量方法(方式)和测量设备，拟定出测量过程及测量步骤。按照已拟定出的测量过程及测量步骤进行测量，认真而客观地记录数据。计算出测量结果的估计值；并对测量结果估计值的不确定度作出合理的评定。电气测试技术1.1 测量的概念和定义4.测量结果的表示反映被测结果的可信赖度
5、其大小反映被测量的数量观念反映被测对象的物理属性电气测试技术1.1 测量的概念和定义5.测量仪表的基本功能变换功能选择功能比较功能显示功能y=F(x)电气测试技术1.1 测量的概念和定义6.测量手段（1）量具：体现计量单位的器具。量具中的一小部分可直接参与比较，如尺子、量杯等；多数量具是用专门的设备才能发挥比较的功能，如利用标准电阻测量电阻时，需要借助电桥。（2）仪器：泛指一切参与测量工作的设备。包括各种直读仪表、非直读仪表、量具、测试信号源、电源设备以及各种辅助设备，如电压表、频率表、示波器等。（3）测量装置：由几台测量仪器及有关设备所组成的整体，用以完成某种 测量任务。（4）测量系统：由若
6、干不同用途的测量仪器及有关辅助设备所组成，用以各种参量的综合测试。电气测试技术1.1 测量的概念和定义7.测量仪表的结构 测量仪表（测量系统、传感器等）由若干环节组成。根据各个环节（或变换元件）的联接方式不同，仪表就有不同的组成结构。（1）直接变换型结构（2）平衡变换型结构（3）差动变换型结构电气测试技术1.1 测量的概念和定义（1）直接变换型结构 直接变换型仪表由几个组成环节串联连接而成，信息的变换只沿一个方向进行，是一个开环系统，见图。设各组成环节的传递系数为 ，整个系统的传递系数 为：inikk1nkkk,21k电气测试技术1.1 测量的概念和定义（2）平衡变换型结构 平衡变换型结构有两
7、个变换回路，见图。由图可见，平衡变换型结构的仪表形成一个深度负反馈的闭环系统。若则 1kxy1mii1电气测试技术1.1 测量的概念和定义（3）差动变换型结构 差动变换型结构由 、和 三个回路组成，见图。差动变换型仪表的灵敏度较高。若干扰信号 ，则k称为灵敏度，1k2k3k)(11uxky)(12uxky)()(213uxkuxkky)(22133uukkxkk21uu kxxkky3232kkk 电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能3.测量仪表的输入输出特性（1）静态特性 在测量过程中，当输入信号x不随时间变化（d
8、x/dt=0），或者x随时间变化很缓慢时，输出信号y与输入信号x之间的函数关系称为仪表的静态特性。理想线性 nnxaxaxaxaay3322100320naaaaxay1kxyxya/d/d1常数电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能 具有零点迁移的线性特性 只含奇次方非线性 只含偶次方非线性 普遍情况 仪表的输入输出特性具有按自然数排列的非线性。032naaa00yaxayy100420aaa55331xaxaxay0530aaa44221xaxaxay电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能 b）灵敏度随被测量x的增大而增大 指针式仪表标尺的刻度特性是不
9、均匀的。随着被测量x的增加，仪表标尺的刻度将越来越疏。c）灵敏度随被测量x的增大而减小 仪表的静态特性也是非线性的。但是随着被测量x的增大，仪表标尺的刻度将越来越密。电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能 线性度 线性度是指仪表的实际静态特性曲线偏离其理论拟合直线的程度。通常也用仪表的非线性误差表示。仪表的非线性误差定义为：仪表的实际静态特性曲线与理论拟合直线的最大偏差与仪表输出满度值之比的百分数，如图所示，即%100mmlyyE电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能%100mhmhmyE电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能 重复性 是指仪表在输入量按同一方向作全量程连续多次测量时所得到的静
10、态特性曲线的不一致程度，也用重复性误差表示，如图所示。重复性误差用多次正行程测量中各个测量点输出值之间的最大偏差 ,以及多次反行程测量中各个测量点输出值之间的最大偏差 ，用 和 中最大一个作为 与满度值 之比的百分数来表示，即cmydmycmydmymymy%100mmZyyE电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能利用此方法计算重复性误差比较繁琐，而且精度很低。实际上，仪表的重复性是用测量数据的分散程度来表述的，因此它表征了仪表的精密度。仪表的精密度可以用标准差估计值 来表示。计算出全部 后，找出其最大值 ，然后取 作为 ，利用上式计算重复性误差。该法计算重复性误差简便、精度高。mm)32(m
11、y电气测试技术1.2 测量仪表的基本性能（3）测量仪表的动态特性 在生产过程中，许多被测量是保持恒定的或者变化是非常缓慢的。在这种条件下，研究仪表的静态特性就具有重要意义。但是，也有许多被测量随时间的变化非常快，其幅值是时间的函数。当输入量是时间的函数时，仪表的输出量与输入量之间的函数关系称为仪表的动态特性。在研究仪表的动态特性时，通常是根据阶跃变化和正弦变化两种“标准”输入信号作用，研究仪表的动态响应特性，即用时域分析法和频率特性分析法。电气测试技术1.3 测量方法1.测量方法的分类 （1）根据测量时被测量是否随时间变化可分为静态测量和动态测量；（2）根据测量条件可分为等精度测量和非等精度测
12、量；（3）根据测量元件是否与被测介质接触可分为接触式测量和非接触式测量；（4）根据测量性质可分为时域测量、频域测量和数据域测量；（5）根据测量方法来分可分为直接测量、间接测量和组合测量；（6）根据测量方式来分可分为直读式测量、平衡式测量和微差式测量。电气测试技术1.3 测量方法2.按测量方法分（1）直接测量 用预先按标准量标定好的仪表对被测量进行测量或用标准量直接与被测量进行比较，从而得出被测量之值。例如用电流表测量电流；用温度计测量温度等。直接测量的优点是测量过程简单、迅速、应用比较广泛。（2）间接测量 用直接测量方法测量几个与被测量有确切函数关系的物理量，然后通过函数关系式求出被测量之值。
13、例如测量导体的电阻率，可以通过测量该导体的电阻R和它的长度L及其截面积S，然后通过下式求电阻率：=RS/L电气测试技术1.3 测量方法 间接测量法测量手续繁多，花费时间较长，有下列情况之一者，才进行间接测量：直接测量很不方便；直接测量误差大；缺乏直接测量仪器；手头上有多参数综合测试仪，测量手续可以简化等。间接测量法多在实验室中使用，在工程测量中很少用。电气测试技术1.3 测量方法（3）组合测量 在测量中，使各个未知量以不同的形式组合(或改变测量条件来获得这种不同的组合)，通过直接测量和间接测量所获得的数据，然后求解一组联合方程而求得被测量的数值。例如，要测量标准电阻的电阻温度系数和，可作为组合
14、测量的例子。标准电阻的电阻值与温度t之间的数值关系为 Rt=R201+(t-20)+(t-20)2 因此，可在20、t1和t23个温度下，分别测量出3个电阻值R20、Rt1和Rt2，然后用求解下列方程组来确定电阻温度系数 和。Rt1=R201+(t1-20)+(t1-20)2 Rt2=R201+(t2-20)+(t2-20)2 电气测试技术1.3 测量方法3.按测量方式分（1）直读式测量 直读式测量是根据仪表(仪器)的读数来判断被测量的大小，而作为单位的标准量具并不参与比较。为了读取被测量之值，这些仪表(仪器)已经预先按被测量的单位刻度好分度，因而实际上是被测量与量具间接比较。例如，利用万用表
15、测量电流、电压都属于这种测量方法。这种测量方法具有测量过程简单、迅速的优点，但测量精确度较低，在工程测量方面得到广泛应用。电气测试技术1.3 测量方法（2）零位式测量 又称补偿式或平衡式，是在测量过程中，用已知的标准量直接与被测量比较，若有差值，则调整标准量使差值减小，该差值用指零仪表来指示，当指零仪表指在零位时，说明被测量等于标准量，然后用标准量之值决定被测量之值。用这种测量方法进行测量，标准量具装在仪表内，在测量过程中，标准量直接与被测量进行比较。例如用电位差计测量被测电动势就是这种测量方法。电气测试技术1.3 测量方法例如：电位差计的简化电路如图：将开关S置于N位置，调整电位器RP1，使
16、指零仪表指零，则 EN=IRN。S置于x位置，调整电位器RP2使指零仪表指零，即 UK=IRK=Ex 因为 I=EN/RN 故 Ex=ENRK/RN电气测试技术1.3 测量方法由此可以看出零位式测量的特点：被测电动势Ex用EN、RN和RK3个标准量来表示，而这3个标准量的精确度都可做得很高，故这种测量方法的测量精度高。读数时指零仪表P指零，说明指零仪表P支路电流IP=0。也就是说，读数时，不向被测电路吸取能量，不影响被测电路的工作状态。所以不会因为仪表的输入电阻不高而引起误差。由于在测量过程中要进行平衡操作，其反应速度较慢，故不适合测量迅速变化的信号，只适用于测量缓慢变化的信号。电气测试技术1
17、.3 测量方法（3）微差式测量 微差式测量综合了直读式测量和零位式测量的优点。它将被测量X与已知的标准量N进行比较，得到差值X=X-N，然后用高灵敏度的直读式仪表测量微差X，因此可得到被测量X=N+X。由于微差XN，XX，虽然直读式测量仪表测量X时，精度可能不高，但是测量X的精度仍然很高。微差式测量方法的优点是反应快，测量精度高，既适用于测量缓变信号，也适用于测量迅速变化的信号，因此，在实验室和工程测量中都得到广泛应用。电气测试技术1.4 测量系统 测量的目的是通过检测传感、信号调理、信号处理、显示和记录，将被测的物理量提供给测量者。测量系统是在整个测量过程中所用到的各种仪器和装置的组合。为了
18、正确描述或反映被测的物理量，实现不失真测量，获取和分析测量系统特性尤为重要。电气测试技术1.4 测量系统 已知测量系统的传递特性，输出可测，那么通过该特性和输出来推断导致该输出的输入量。这就是通常应用测量系统来测未知物理量的测量过程，工程上称为载荷识别或环境预估。已知测量系统传递特性和输入，推断和估计系统的输出量。通常应用于根据对被测量（即输入量）的测量要求组建多个环节的测量系统，工程上称为响应预估。由已知或观测系统的输入、输出，推断系统的传递特性。通常应用于系统的研究、设计与制作，这个过程称为系统辨识或参数识别。电气测试技术1.4 测量系统 理想的测量系统应具有单值的、确定的输入输出关系，且
19、输入输出之间呈线性关系。然而，大多数实际测量系统都不可能在较大的工作范围内完全保持线性，而只能在一定的工作范围和误差允许范围内近似地作为线性处理。一般用数学表达式（数学模型）或数表来表示测量系统的基本特性。对于连续时间系统，它的输入与其输出在时域中的关系由微分方程确立。离散时间系统的输入与输出都是离散变量，当时间间隔很小时输入与输出之间的关系由差分方程描述。电气测试技术1.4 测量系统 在工程上，大多数常见系统的输入 和输出 之间的关系可用下述常系数线性微分方程来描述：根据输入信号随时间变化还是不随时间而变，测量系统的基本特性分为静态特性和动态特性。它们是测量系统对外呈现出的外部特性，由其内部
20、参数也即系统本身的固有属性决定。()x t()y t)(d)(dd)(dd)(d01111tyattyattyattyannnnnn)(d)(dd)(dd)(d01111txbttxbttxbttxbmmmmmm电气测试技术1.4 测量系统1.测量系统的构成 现代测试系统主要由传感器、调理电路、数据采集卡组成。从硬件平台结构来看可分为两种基本类型，一种是以单片机(或专用芯片）为核心组成的单机系统。电气测试技术1.4 测量系统 另一种是以个人计算机为核心的应用扩展型测量仪器（简称PCI）。电气测试技术1.4 测量系统2.测量系统的特性（1）测量系统的静态特性 当被测对象处于静态时，也就是测量系统
21、的输入为不随时间变化的恒定信号，在这种情况下测量系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。（2）测量系统的动态特性 在工程测量中，大量的被测信号是随时间变化的动态信号，不为常量。测量系统的动态特性反映其测量动态信号的能力。一个理想的测量系统，其输出量与输入量随时间变化的规律相同，即具有相同的时间函数。但实际上，输入量与输出量只能在一定频率范围内、对应一定动态误差的条件下保持所谓的一致。电气测试技术1.4 测量系统3.测量系统的选择与优化（1）测试系统集成设计原则与步骤 第一，由所选择的硬件模块组成的测试系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。第二，技术先进。技术先进是指所选用的
22、测试方法、系统构成、芯片电路应和科学技术的发展水平相适应。第三，结构简单，成本低廉。在测试系统的性能满足要求的前提下结构越简单越好，成本越低越好。电气测试技术1.4 测量系统（2）单元模块的选择与优化 首先是根据对测试系统规定的要求，宏观上确定测试系统的基本构成，如传感器+信号调理+A/D转换器+单片机最小系统；或传感器+信号调理+数据采集卡+计算机系统；或数字智能传感器+单片机最小系统等等。其次以宏观上确定测试系统的基本构成为基础，根据给定的系统要求合理选择传感器、A/D转换器或数据采集卡，完成调理电路的设计。电气测试技术1.4 测量系统4.测量系统的抗干扰技术（1）干扰源与干扰耦合方式 所
23、谓干扰，是指影响测量结果或作用于控制系统的各种无用信号。干扰的来源 a）外部干扰：主要来自自然界的干扰以及各种电气设备运行产生的干扰。各种自然现象，均可产生自然干扰。各种电气设备运行产生的干扰是电磁干扰。电气测试技术1.4 测量系统 b）内部干扰：主要指测量电路内部各种元器件的噪声所引起的干扰。对于电子测置装置的内部干扰，可以通过装置的正确设计及零部件的合理布局加以消除或削弱；对于来自外部的干扰可以通过适当的抗干扰措施加以解决。干扰的耦合方式 各种干扰源所产生的干扰，必然要经过各种耦合通道进入测量电路而影响测量结果。形成干扰影响必须具备三个要素：干扰源、干扰的耦合通道、被干扰对象。电气测试技术
24、1.4 测量系统 a）静电耦合（电容性耦合）由于两个电路之间存在着分布电容，当其中一个电路的电位发生变化时，该电路的电荷会通过分布电容传送到另一个电路，称为静电耦合。在被干扰的电路输入端所产生的干扰为 若 ，则上式可简化为niinUCZjCZjU11iCZjninUCZjU电气测试技术1.4 测量系统 b）磁场耦合（互感性耦合）当两个电路之间有互感存在时，一个电路中的电流产生变化会通过磁场耦合到另一个电路。例如，检测信号线处于强磁场或通过大电流电网附近时，会产生磁场耦合而出现干扰信号。电气设备中变压器线圈的漏磁是一种常见的磁场干扰。感应的干扰电压为 MIjUn电气测试技术1.4 测量系统 c）
25、漏电流耦合 由于测量电路内部的元件支架、接线柱、印制电路板或外壳绝缘不良而存在漏电阻产生漏电流引起的干扰，称漏电流耦合。其干扰记为nUZRZUiin电气测试技术1.4 测量系统 d）共阻抗耦合 共阻抗耦合干扰的产生是由于两个以上的电路有共阻抗。当一个电路中的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压，其大小与共阻抗的阻值及干扰源的电流大小成正比。通过电源内阻的共阻抗耦合干扰：多级放大器或多个单元测量电路共用一个电源时，会产生共阻抗干扰。因为电源的内阻不可能为零，每一个电路工作时都需要电流，因此造成电源内阻压降变化，从而产生共阻抗干扰。解决的办法是减小电源内阻；各个电路接入去耦滤波电路
26、，或各电路有各自的稳压电源。电气测试技术1.4 测量系统 通过公共地线的共阻抗耦合干扰：在测量电路中，各单元电路都有各自的地线，如果这些地线不是一点接地，各级电流流经公共地线时，在地线电阻上产生电压降，该电压就成为其他单元电路的干扰电压。解决的办法是采用一点接地，即将每一单元电路接地点汇成一点，然后再将各接地点接到公共地线上去。电气测试技术1.4 测量系统 仪表内部的干扰 a）热噪声（电阻噪声）：任何电阻即使不与电源相接，在它的两端也有一定的电压，该电压是由于电阻中电子的热运动而形成的。b）散粒噪声：在半导体元件内，散粒噪声是通过晶体管某区的载流子的随机扩散以及电子-空穴对随机产生和复合而形成
27、的。c）接触噪声：接触噪声是由于两种材料之间的不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的。电气测试技术1.4 测量系统 （2）干扰的表示方法 串模干扰 串模干扰是由外界条件引起的、叠加在被测信号的干扰信号，并通过测量的输入通道一起进入测量系统的干扰。串模干扰的种类分为直流和交流两种，其等效电路如图所示。抗串模干扰能力的表示串模抑制比(SMRR)。nnmlg20SMRRUU电气测试技术1.4 测量系统 共模干扰 共模干扰是相对公共地电位为基准点，在仪器的两输入端上同时出现的干扰。a）由被测信号源的特点产生 例如具有双端输出的差分放大器和不平衡电桥等不具有对地电位的形式而产生的共模干扰。如图所示为由
28、不平衡电桥而产生的共模干扰。电气测试技术1.4 测量系统图中，a点电位 c点电位 串模干扰是叠加在被测信号上，并通过测量的输入通道一起进入测量系统的干扰，故 而共模干扰是在仪器的两输入端上同时出现的干扰，故UU21aURRRUURRRUtttcUURRRUUU21tcaac串UU21ac共电气测试技术1.4 测量系统 b）电磁场干扰 如果测量仪器周围有高压或者大电流设备，则高压设备产生的电场可能通过分布电容耦合到测量仪器无屏蔽的输入线，从而使其具有对地电位，产生共模干扰。(a)高电压通过分布电容耦合到传输线上形成的共模干扰电气测试技术1.4 测量系统 图(a)中，若 很高，通过局部电容 ，耦合
29、到无屏蔽的双输入线上的对地电压U1及U2为：当U1=U2时产生共模干扰电压。当U1U2，既有共模干扰电压又有串模干扰电压。HU1C2C3C4CH311H3131111UCCCUCCCUH4222CCCCU电气测试技术1.4 测量系统图(b)表示大电流导体的电磁场在双输入线中感生的干扰电动势E1及E2亦有相似的性质。当E1=E2，产生共模干扰。当E1E2，既产生共模干扰又产生串模干扰电动势 En=E1-E2。(b)大电流通过互感在仪器信号传输线上形成的共模干扰电气测试技术1.4 测量系统 c）由于不同地电位引起 当被测信号源与测量仪器相隔较远，而不能实现共同的“大地点”上接地时，或者接地系统导体
30、中流有强电设备的大电流而使各点电位不同，造成两接地点的电位差，即产生共模干扰电压，如图所示。仪器的抗共模干扰能力用共模抑制比表示。dBlg20CMRRcomUU电气测试技术1.4 测量系统3.干扰的抑制 （1）接地 接地的目的是为了消除各电路电流流经一个公共地线阻抗产生的噪声电压以及避免形成回路。地线系统与零线(浮地)系统 地线系统是指设备或仪器的地线系统与大地之间有欧姆相连接。反之若仪器或设备的整个地线系统与大地之间无欧姆连接，仅以“浮地”作为基准，即为参考电平。电气测试技术1.4 测量系统 浮地系统的优缺点：浮地系统的优点是不受大地电流的影响。但当附近有高压设备时，其机壳易感应较高电压，因
31、此机壳还必须接地线。同时浮地系统中存在着通过电路输入端杂散电容耦合而形成干扰的可能性。电气测试技术1.4 测量系统 电路的单地原则 通常在中低频仪器电子线路中，特别是前置信号放大电路中若有两个接地点，很难获得等电位，其对地电位差将耦合到放大器中，如图所示。当B点接地而A点不接地，或A点接地而B点不接地则可消除地电位UG的影响。电气测试技术1.4 测量系统 电缆屏蔽层的接地 对于屏蔽层的接地不仅应遵循一点接地，而且接电点不同其效果也不相同。按照单地原则，一个不接地信号源和一个接地的放大器相连时，屏蔽端的接地应该接自放大器的地端。反之，当一个接地信号源和一个不接地的放大器相连时，屏蔽端的接地应该接
32、自信号源的地端。单点接地使信号源与电路只有一个接地点，如图所示。单点接地的好处是可以避免不同接地点的电压差形成干扰回路。电气测试技术1.4 测量系统 若信号源和电路均必须接地，则屏蔽线两端也须接地，由于屏蔽层电阻远小于信号线电阻，因此由地环路引起的干扰电流经屏蔽层分流，由此降低了干扰电流，如图所示。靠屏蔽体分流电气测试技术1.4 测量系统 双层屏蔽 在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用带屏蔽壳的浮地系统，如果结合屏蔽电缆双端接地的方法，可以进一步更好地抑制地环路干扰，如图所示。为了防止在外壳上感应出高电压，系统装有屏蔽壳，且屏蔽壳接大地。信号经屏蔽电缆传输，屏蔽电缆的两端各自接地。电气测试
33、技术1.4 测量系统cm2IsmU10cmcm2ZZUIcm1000cm2smUZZZZIU4111100100cmsm10)j1j1/(CRCRZZZZZUU410电气测试技术1.4 测量系统 为了进一步消除干扰，常采用双层屏蔽及数字模拟电路互相隔离的浮地结构，如图所示。与前相比模拟地与数字地隔离，又有内外层屏蔽间的阻抗Z2，从而使得Icm1和Icm2值更小。电气测试技术1.4 测量系统忽略Rc和Icm1 则 与上式相比，Usm降低到 倍。若 ，则 即串模干扰降到单层屏蔽的百万分之一。10cm2sscm2ZZUZRRI0cm2smZIUcm1002scm1002ssZUZZZRUZZZZRR
34、2sZRM102Z10sR11101710105101cmsmUU电气测试技术1.4 测量系统 （2）屏蔽 屏蔽的原理 屏蔽的抗干扰功能通过屏蔽容器壳体对干扰信号的反射与吸收作用来实现。如图所示，P1为干扰与噪声的入射能量，R1为干扰与噪声在第一边界面上的反射能量，R2为干扰与噪声在第二边界面上被反射与在屏蔽层内被吸收的能量，P2为干扰与噪声透过第二边界面进入屏蔽体另一侧（即屏蔽容器内部）的剩余能量。电气测试技术1.4 测量系统 屏蔽的结构形式与材料 屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。屏蔽罩一般用无孔隙的金属薄板制成。屏蔽栅一般用金属编制网或有孔金属薄板制成。
35、屏蔽铜箔一般是利用多层印刷电路板的一个铜箔面作为屏蔽板。隔离仓是将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的隔仓，从而屏蔽各个部分之间的电磁干扰与噪声影响。导电涂料是在非金属的箱体内、外表面上喷一层金属涂层。电气测试技术1.4 测量系统 屏蔽的材料有电场屏蔽材料和磁场屏蔽材料两类。电场屏蔽一般采用电导率较高的铜或铝材料。当干扰与噪声的频率较髙时，采用价格较贵的银材料效果更好些，其作用以反射衰减为主。磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材料。其作用以透射时的吸收衰减为主，其特点是干扰与噪声频率升高时，磁导率下降，屏蔽作用减弱。对此，可采用多种不同的电场屏蔽和磁场屏蔽方式，以达到充分抑制干扰与噪声的目的。电气
36、测试技术1.4 测量系统（3）隔离 在测控电路系统中，尽管从各方面加以注意，但由于分布参数无法完全控制，常常会形成如图(a)所示的寄生环路（特别是地环路），从而引入电磁耦合干扰。为此，在有些情况下，要采取隔离技术，以切断可能形成的环路，提高电路系统的抗干扰性能。电气测试技术1.4 测量系统 （4）其它抗干扰措施 共模干扰总是以串模干扰形式起作用，所以在电路中常采取一些特殊措施抑制干扰，常用的方法有以下几种。采用滤波器 低通 串模干扰信号高于被测信号的频率，抑制高频，如RC滤波器、LC 滤波器、双T滤波器和有源滤波器。高通 串模干扰信号低于被测信号的频率，抑制低频。带通 串模干扰信号落在被测信号
37、频率的两侧。利用软件编制的数字滤波器，常采用多级滤波。电气测试技术1.4 测量系统 选择器件 双积分A/D转换可对50Hz工频干扰抑制有明显效果，只要采样时间T为被测量周期T1的整数倍，在理论上可以完全消除工频串模干扰。但实际上电网频率的变化也会带来误差，为了保证T=KT1，常用锁相环电路组成锁相频率跟踪法。另外，还可以选用高抗扰度的逻辑器件等。对信号进行预处理 在测量前，对信号进行前置放大以提高通道的测量比；还可以将信号进行变换，如将信号变换为数字量，频率量；把电压信号变为电流量等，减小干扰对测量系统通道的影响。电气测试技术1.4 测量系统（5）灭孤 当接通或断开电感性负载时，由于磁场能量突
38、然释放会在电路中产生比正常电压(或电流)高出许多倍的瞬时电压（或电流），并在切断处产生电弧或火花放电，会直接对电气器件造成损害。同时产生宽频谱、高幅度的电磁波向外辐射，对测控电路造成严重的干扰。为消除或减小这种干扰，需在电感性负载上并联各种吸收浪涌电压（或浪涌电流）并抑制电弧或火花放电的元器件。通常将这些元器件称为灭弧元件，将与此有关的技术称为灭弧技术。常用的灭弧元件有泄流二极管、硅堆整流器、充气放电管等。电气测试技术1.4 测量系统 泄流二极管 只能在直流电感负载上使用。硅堆整流器 硅堆整流器泄放电流大，既可在直流电感负载上使用，也可在交流电感上使用。电气测试技术1.4 测量系统4.电源干扰
39、的抑制 线路滤波器 线路滤波器的内部结构如图所示，由纵向扼流圈L和滤波电容C组成。1，2为交流电网电源输入端口，3为外部接地端，4，5为电源输出端。恰当地确定L和C的数值，可有效地抑制电网中100kHz以上的干扰与噪声。电气测试技术1.4 测量系统 切断噪声变压器 切断噪声变压器的结构、铁心材料、形状以及线圈位置都比较特殊，可以切断高频噪声磁通，使之不能感应到二次绕组，既能切断共模噪声又能切断差模噪声，如图所示。电气测试技术本章小结1.测量的概念：测量的基本方程、单位、测量仪表的基本功能、测量过程、手段、结果的表示。2.测量仪表的基本性能 精确度、稳定性、输入输出特性。3.测量方法 按测量方法分、按测量方式分。4.测量系统 测量系统的构成、特性选择与优化，抗干扰技术。电气测试技术本章作业：P25：1.1、1.2、1.4、1.6、1.7、1.9、1.11
