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1、第13章 检测系统的抗干扰技术,13. 1 干扰的类型及产生 13. 2 检测系统的抗干扰技术 13. 3 自动检测系统的可靠性 13. 4 传感器的标定与校准 13. 5 传感器的合理选用,第13章 检测系统的抗干扰技术,测量仪表或传感器工作现场的环境条件常常是很复杂的，各种干扰通过不同的耦合方式进入测量系统，使测量结果偏离准确值，严重时甚至使测量系统不能正常工作，为保证测量装置或测量系统在各种复杂的环境条件下正常工作，就必须要研究抗干扰技术。 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，测量中必须对各种干扰给予允分的注意，并采取有关的技术措施，把
2、干扰对测量的影响降低到最低或容许的限度。,返回,13. 1 干扰的类型及产生,测量中来自测量系统内部和外部，影响测量装置或传输环节正常工作和测试结果的各种因素的总和，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。 13. 1.1干扰的类型 根据干扰产生的原因，通常可分为以下几种类型 1.电和磁干扰 电和磁可以通过电路和磁路对测量仪表产生干扰作用，电场和磁场的变化在测量装置的有关电路或导线中感应出干扰电压，从而影响测量仪表的正常工作。这种电和磁的干扰对于传感器或各种检测仪表来说是最为普遍、影响最严重的干扰。,下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,2.机
3、械干扰 机械干扰是指由于机械的振动或冲击，使仪表或装置中的电气元件发生振动、变形，使连接线发生位移，使指针发生抖动，仪器接头松动等。 对于机械类干扰主要是采取减振措施来解决，例如采用减振弹簧、减振软垫、隔板消振等措施。 3.热干扰 设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动以及环境温度的变化都会引起仪表和装置的电路元器件的参数发生变化，另外某些测量装置中因一些条件的变化产生某种附加电动势等，都会影响仪表或装置的正常工作。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,对于热干扰，工程上通常采取下列几种方法进行抑制。 热屏蔽:把某些对温度比较敏感或电路中关键的元器件和部件，用导热性能良
4、好的金属材料做成的屏蔽罩包围起来，使罩内温度场趋于均匀和恒定。 恒温法:例如将石英振荡晶体与基准稳压管等与精度有密切关系的元件置于恒温设备中。 对称平衡结构:如差分放大电路、电桥电路等，使两个与温度有关的元件处于对称平衡的电路结构两侧，使温度对两者的影响在输出端互相抵消。 温度补偿元件:采用温度补偿元件以补偿环境温度的变化对电子元件或装置的影响。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,4.光干扰 在检测仪表中广泛使用各种半导体元件，但半导体元件在光的作用下会改变其导电性能，产生电动势与引起阻值变化，从而影响检测仪表正常工作。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
5、用的元件，尤其应注意光的屏蔽问题。 5.湿度干扰 湿度增加会引起绝缘体的绝缘电阻下降，漏电流增加;电介质的介电系数增加，电容量增加;吸潮后骨架膨胀使线圈阻值增加，电感器变化;应变片粘贴后，胶质变软，精度下降等。通常采取的措施是:避免将其放在潮湿处，仪器装置定时通电加热去潮，电子器件和印刷电路浸漆或用环氧树脂封灌等。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,6.化学干扰 酸、碱、盐等化学物品以及其他腐蚀性气体，除了其化学腐蚀性作用将损坏仪器设备和元器件外，还能与金属导体产生化学电动势，从而影响仪器设备的正常工作。因此，必须根据使用环境对仪器设备进行必要的防腐措施，将关键的元器件密封并
6、保持仪器设备清洁干净。 7.射线辐射干扰 核辐射可产生很强的电磁波，射线会使气体电离，使金属逸出电子，从而影响到电测装置的正常工作。射线辐射的防护是一种专门的技术，主要用于原子能工业等方面。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,13. 1. 2干扰的产生 1.放电干扰 大体和大电干扰:大体干扰是由太阳或其他恒星辐射电磁波所产生的干扰。大电干扰是由雷电、大气的电离作用、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。 电晕放电干扰:电晕放电干扰主要发生在超高压大功率输电线路和变压器、大功率互感器、高电压输变电等设备上。电晕放电具有间歇性，并产生脉冲电流。随着电晕
7、放电过程将产生高频振荡，并向周围辐射电磁波。其衰减特性一般与距离的平方成反比，所以对一般检测系统影响不大。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,火花放电干扰:如电动机的电刷和整流子间的周期性瞬间放电，电焊、电火花、加工机床、电气开关设备中的开关通断的放电，电气机车和电车导电线与电刷间的放电等。 辉光、弧光放电干扰: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。如大量使用荧光灯、霓虹灯等。 2.电气设备干扰 射频干扰:电视、广播、雷达及无线电收发机等对邻近电子设备造成的干扰。 工频干扰:大功率配电线与邻近检测系统的传输线通过耦合产生的干扰。,上一页 下一页 返回,1
8、3. 1 干扰的类型及产生,感应干扰:当使用电子开关、脉冲发生器时，因为其工作中会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，会在其周围产生交变电磁场，从而引起感应干扰。 13. 1. 3信噪比和干扰叠加 1.信噪比 干扰对测量的影响必然反映到测量结果中，它与有用信号交连在一起。衡量干扰对有用信号的影响常用信噪比(S/N)表示：,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,2.干扰的叠加 (1)非相关干扰源电压相加 各干扰电压或干扰电流各自独立地互不干扰时，它们的总功率为各干扰功率之和。其电压之和为 (2)两个相关干扰电压之和 当两个干扰电压并
9、非各自独立，存在相关系数y时，其总干扰电压为,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,13. 1. 4干扰的途径与作用方式 噪声通过一定的途径侵入测量装置才会对测量结果造成影响，因此有必要讨论干扰的途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干扰。干扰的途径有“路”和“场”两种形式。凡噪声源通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属于“路”的干扰，如通过漏电流、共阻抗耦合等引入的干扰;凡噪声源通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的，都属于“场”的干扰，如通过分布电容、分布互感等引入的干扰 1.通过“路”的干扰 (1)漏电流耦合形成的干扰 它是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的
10、噪声干扰。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,漏电流耦合干扰经常发生在下列情况下:当用传感器测量较高的直流电压时，在传感器附近有较高的直流电压源时，在高输入阻抗的直流放大电路中。 (2)传导耦合形成的干扰 噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。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造成干扰。传导耦合的主要现象是噪声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在生产现场的分布，实际上构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声可十分方便地以电路传导的形式传到各处，并经过电源引线进入各种电子装置，造成干扰。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,(3)
11、共阻抗耦合形成的干扰 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，通过共有阻抗在另一个电路上产生干扰电压。 2.通过“场”的干扰 (1)静电耦合形成的干扰 电场耦合实质上是电容性耦合，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到另一个电路 (2)电磁耦合形成的干扰 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，通过磁铰链会影响到另一个电路。,上一页 下一页 返回,13. 1 干扰的类型及产生,(3)辐射电磁场耦合形成的干扰 辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。如果在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正
12、比于电场强度的感应电动势。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，并通过供电线路侵入传感器造成干扰。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感应出较大的干扰电动势。,上一页 返回,13. 2 检测系统的抗干扰技术,13. 2.1抑制干扰的基本措施 干扰的形成必须同时具备三项因素，即干扰源、干扰途径以及对噪声敏感性较高的接收电路检测装置的前级电路。三者之间的关系如图13-1所示。 要想抑制干扰，首先应对干扰有全面而深入的了解，然后从形成干扰的三要素出发，在三个方面采取措施。 1.消除或抑制干扰源 消除干扰源是积极主动的措施，继电器、
13、接触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。对难以消除或不能消除的干扰源，如某些自然现象的干扰、邻近工厂的用电设备的干扰等，就必须采取防护措施来抑制干扰源。,下一页 返回,13. 2 检测系统的抗干扰技术,2.破坏干扰途径 对于以“路”的形式侵入的干扰，可以采取提高绝缘性能的办法来抑制漏电流的干扰;采用隔离变压器、光电耦合器等切断地环路的干扰途径，引用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去;改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等;对于数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径。 对于以“场”的形式侵入的干扰，一般采取各种屏蔽措施。 3.削弱接收电路对干
14、扰信号的敏感性 根据经验，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易受干扰;布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外来干扰;模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。,上一页 下一页 返回,13. 2 检测系统的抗干扰技术,由此可见，电路设计、系统结构等都与干扰的形成有着密切关系。因此，系统布局应合理，且设计电路时应采用对干扰信号敏感性差的电路。 13. 2. 2抗干扰技术 1.装置配线技术与信号电缆的选择 正确设计布线系统、正确选择传感器和正确设计信号处理装置是一个重要的问题。目前国内外工业控制技术的发展动向主要有3个方面: 趋向计算机化，即智能化; 工业控制系统体积小型化; 采用标准化、通用化的组合系
15、统。,上一页 下一页 返回,13. 2 检测系统的抗干扰技术,对于电磁感应噪声，配线应尽量使信号线远离强电线，以便减小互感，减小电磁感应噪声。信号电缆还可用导磁体来屏蔽，并使屏蔽的两端接地。 除此之外，采用双绞信号线对抑制噪声也很有效，因为它们能产生方向相反的感应电压，所产生的磁通相互抵消。 一般说来，从传感器输出的微弱信号需用放大器先进行放大，理想的方法是将这些放大器用双屏蔽层加以防护，即让输入信号的模拟地“浮空”，不与任何点连接，而在它们的外面套上一个屏蔽盒，外屏蔽盒并不与屏蔽线的屏蔽层连接。 降低外部噪声或混入噪声的方法举例:降低外部噪声和传感器电路噪声的方法是在它们之间实行静电屏蔽，具
16、体做法如图13 -2所示。,上一页 下一页 返回,13. 2 检测系统的抗干扰技术,下面主要讨论设备内部抗干扰的布线问题。 布线包括印制电路板的布线和电气控制箱走线。合理的走线就是要设法减小电路的分布电容、杂散的电磁场所引起的干扰。 (1)强弱信号线分开，高低压电路分开 强电信号线与弱电信号线捆扎在一起或互相平行且走线距离过长，都可能把50 Hz的干扰信号传给回路。在一般仪器或设备中都将交流220 V电源通过板面开关又返回变压器。在这种情况下采用双绞线结构或用屏蔽线将电源线屏蔽。这时一般采用双芯屏蔽线，且金属网一端接地。,上一页 下一页 返回,13. 2 检测系统的抗干扰技术,(2)大、小电流分开 电路中有电流流过就会产生磁场，流过的电流越大，产生的电磁场越强。有大电流工作的回路，必将是一个大的电磁干扰源，特别是在频率较高时，这种影响更为显著。因此，在设计电路时，应注意将大电流与弱电流回路分开走线，以避免强信号对弱信号产生干扰。在无法完全分开的情况下，应尽量缩短大电流回路的长度和减
