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1、G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 压力传感器系统中噪声的抑制与防止 Jon Wilson 由地回路和静电场、电磁场感应产生噪声的问题是冲击、振动测量系统中普遍存在的。本文评述了产生噪音的的机理，以及为抑制和防止噪声而建议采取的措施。 电容耦合噪声 两导体间存在着变化的静电场（电位差）时，则通过某些杂散电容耦合产生噪声就成为压电传感器系统中的主要噪声源。例如电接头的两根针就相当于电容的两个极板，安装绝缘子就相当于电介质。如果屏蔽不好它就很容易引入噪声。 磁场耦合噪声 几乎在所有的测量系统中信号通道附近的变化磁场都会构成噪声源。在上述两针中的
2、一根针通有交流电流时则在它周围就存在着磁场，则它就会在通有信号的另一根针中引入噪声。 电流耦合噪声 在信号电流与它的电流应用公共通路时也会构成主要的噪声源，在此通路中的任何阻抗都会形成非信号电流，从而在洗好电流中引入 噪声。例如一个导体在同时既作为传感器信号通道的低端，又作为另外一个交流激励源的低端时，则其公共电阻就会使信号出现交流分量。 对电容噪声的屏蔽 因为电荷 放大器具有许多的优点，所以在振动测量系统中被广泛的采用。但因为他们直接响应电荷输入量，所以对静电耦合式非常敏感度的。现在让我们考虑图 1 所示的典型的压电振动测量系统的方框图。 图 1、杂散电容 C1 将静电电压 e1 耦合到测量
3、系统中，从而导致静电噪声 G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 假定传感器的灵敏度为 10PC/g，要测的振级约为 1g。假定存在 100V 的交流静电压（ e1）（这是典型值）。电荷放大器测量其输入端的总电荷，在此情况下为： Q=Qa g+e1 C1 =10PC/g 1g+100V C1 =10PC+100 C1PC 此处 C1为干扰源和电荷放大器输入端之间的电容，单位为 PF。 上述方程说明仅有 0.01PF 的耦合电容就将给测量系统带来 10%的误差。为能保证剔除这种静电电压，在任何情况下信号线都必须是屏蔽线，并用屏蔽连接的办法接到放大
4、器的公共输入端。 对磁耦合的屏蔽： 一般说 来屏蔽磁场比屏蔽静电场困难。测试工程师必须认真对待这一问题，以保证仪器和电缆不要放在电源变压器、螺线管或电机的附近。为说清楚这一问题，请参阅图 2 图 2 载有电流的电缆（ a）或能使信号电缆感应噪声的电机（ b）会导致电磁噪声 电路（ a）中画出了通有电流的 i 的一根导线，它位于输入信号线的旁边。磁力线感应产生电压 e1 和 e2，其极性如图所示（在一种特定情况下）。 电压的幅度为： e1=d/dt(N1 1)； e2=d/dt(N2 2) d/dt=随时间的变化率 N=耦合匝数（一般等于 1，在信号导线打成圈时比 1 大） =与导线耦合的磁力线
5、数（它是电流幅度 i，靠近导体的程度，长度和磁屏蔽效G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 应的函数）。 如果电压 e1 和 e2 完全相等，则不会产生误差信号，但这种情况很少碰到。通常这两个电压是不等的，其差值就被引入测量信号中。因为高频电压的变化率大，所以引入的电压也大。 在容易产生感应的区域内将电缆拉直，而且不要打圈，这样会减少引入的电压。将载有电流的导线往返两股紧紧地绞合在一起时可大大地减低这种影响。这是因为靠的很近的正反两个电磁场互相抵消的缘故，这相当于减少了总 的 值。 同样地在传感器附近放一个远距离传输用电荷转换器，在转换器 与放
6、大器之间应用双股绞合电缆也可以减少感应引入的电压的幅度。经放大的输出信号也可以减少感应电压的影响。它可以减小静电耦合，所以使用这种仪器是有好处的，但又因为它们的最大输入信号是有限的，所以有可能降低了信噪比。 电流耦合的隔离 当将非振动信号的电流引入测量系统时就会出现电流耦合噪声。参阅图 3，如果在接地点 1 和 2 之间不存在电位差时，则没有电流流过电阻 Rc。但是接地总不会是十全十美的，通常总比要求的情况差。在仪表行业术语中把从接地端 1进过电阻 Rc 到接地端 2，然后又经过 eg 和 Rg 回到接地端 1 的迥路称之为地迥路。当传感器通过试件直接接地，且间接通过同轴电缆的屏蔽层接到放大器
7、上，则放大器的接地端被接到仪器的外壳和电源系统的接地端时就会出现这种地迥路。当出现这种情况时，地迥路中的电流将把噪声信号耦合到信号线的高端，然后进入放大器。 图 3 当测量系统在两点或多点接地时就会形成地迥路，使信号电缆中引入噪声 G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 在 A 点、 B 点或 C 点将电路断开，使系统只在 1 点接地，就可克服地回路的影响。应用绝缘螺钉或垫圈可使系统在 A 点与地断开。应用传感元件的低压端和电缆的屏蔽层均与传感器外壳绝缘的加速度计，就可使 B 点与地断开。应用放大器技术，而不是采用简单绝缘的办法，则可使系统在
8、C 点与地断开。在下面将介绍对系统接地技术的研究和所取得的成果。 放大器的结构形式 可以根据传感信号的接地方式来将放大器分类。单端放大器应用得最广泛。放大器的输入端与放大器的输出端，对信号源的一端来说有共同的通路。这一端可以看作低端、公共端或接地单。参阅图 4 （ A），这是放大器的低端“接地”，而图 4（ b）中是“浮地”的。 当传感器输出信号的低端接到壳体上，而且传感器与试件隔离时，则应采用单端接地的输入形式。可以采用绝缘安装螺钉作到与试件隔离。这样的系统可以有效地防止引入噪声。 当传感器输出信号的低端被接到外壳，然后又通过试件接地时，则在放大器部分该系统就不能再接地。采用单端浮地的放大器
9、可以解决放大器的接地问题，但这是与地之间将存在很大的电容，所以这不是一种很好的解决地回路办法。采用图 4（ c）中给出的放大器是一种很好的解决办法，这是隔离放大器将传感器与放大器公共端的 通路切断了。这样不仅切断了直流通路，而且也将交流通路（电容）减小到最小。浮地式放大器不能像单端接地的放大器那样提供很好的隔离，但有时它是唯一实用的提供隔离的办法。 如果传感器、电缆盒电荷放大器设计得很合适，接地正确，则整个测试系统可得到很好的信噪比。但是当存在过强的电磁噪声或使用很长的电缆时对小振级的测量来说这些防护措施还不够。在这种情况下就需要传感器附近加远距离传输电荷转换器，这样可使大部分导线是有低阻抗源
10、来驱动。类似于集成电路式加速度计中的电路，远距离传输电荷转换器具有有限的动态范围、有限的转换速率以及 温度局限性。当这些因素会限制整个测试系统的性能时，则要求使用所谓的差动电荷放大器。 G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 图 4 单端放大器的输入端与“接地端”或“浮地端”是想通的 G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 图 5 差动放大器能剔除共态信号，图 5(c）所示的设计型式最适合于工业应用 差动式放大器能剔除共态信号，也即信号线中两根导体上存在的无数据信号。也将输入端之间存在的总信号进
11、行放大的单端放大器不同，差动放大器值放大信号的差值。图 5（ a）和图 5 （ b）所示的传统的差动放大器使用的是对称的电容犯规电路，但它的对称性很容易被增益的变化、电缆的变化或传感器的变化所破坏。而 且这种放大器要求使用专门平横过的差动式加速度计。 图 5（ c）画出了差动电荷放大器。这种放大器可克服上述的对称问题，实践证明G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 它的特性是令人满意的。与实验室中使用的普通差动放大器不同，差动电荷放大器并不剔除共态信号。这种放大器将两路信号分别对地进行等量的放大，而将其结果进行求差相加。第一个放大器（电荷转换器
12、）是浮地的，它相对于输出的接地端是屏蔽的，对第二个放大器来说他是一个稳定的离电平的信号源，第二个放大器是一个“差动输入、单端输出”的电压放大器。因为这两个放大器被组成为一个整体，它仍然是一种对称式结构，而且较 高的工作电平是的整个电路在低阻抗下工作，所以由于反馈造成的对称性被破坏便大大地减少了。因此与通常所用的差动放大器系统相比，用这种线路可以很容易地获得高度的共态信号抑制。在恩德福克 2735 和 6633 型电荷放大器中就是使用的这种线路。这种放大器也可以在输入端单端接地的状态下工作。 接地方式的研究 传感器以外壳为地 /绝缘安装 /单端接地的放大器。 一般说来对以外壳为地的加速度计采用绝
13、缘安装可以最有效地防止传感器有地回路电流引入噪声。这种系统的终端应当是一个单端接地的放大器，图 6 给出了该系统的等效电路图。 图 6 对外壳接地的加速度采用绝缘螺钉安装，并采用单端接地的放大器， 则可以最有效地防止地回路和电容耦合引入噪声。 加速度计的外壳与晶体的另一端之间的电容为 Ch（实际上这是晶体的电容）。通常由于这个电容的存在会使得对静电场非常敏感，但绝缘安装可把地迥路电流限制到G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 很小的值，且使它通过图上所示的信号接地端通地。所引入的误差可以忽略不计，对于频率为 60 赫和 400 赫的电源来说其
14、典型值小于 0.001g（等效） /v。 生产厂家提供了各种各样的绝缘安装螺钉可以将这种螺钉粘接到试件上。某些型号的外壳接地的加速度计本身就带有绝缘螺钉 或垫圈。 由于采用绝缘螺钉降低了安装共振频率，因此与采用接地螺钉相比上线频率下降了 15-30%，因此有时必须采用接地螺钉。另外在高温环境下也不能使用绝缘粘接剂。 与外壳隔离的传感器 /接地安装 /单端接地的放大器。 电连接端与外壳隔离的加速度计比以外壳为地的加速度计更容易引入噪声。图 7 给出了这种系统的电的方框图。通过 Cin 耦合入 Eg 并没有很大的影响。但外壳与晶体的信号端之间的电容 Ch 却使电路对 Eg 引入的噪声非常敏感，这就
15、要求在设计这种加速度计时要非常小心，以便将 Ch减到最小。 图 7 与外壳隔离的加速度计采用接地安装，后接单端接地的放大器， 则通过内部的杂散电容很容易引入噪声。 传感器以外壳为地 /接地安装 /单端接地的放大器 。 图 8 所示的系统有两个接地点，因此对地迥路是相当敏感的。这是一种最容易感应噪声的安装和连接加速度计的办法。如果在这两个接地点之间存在电位 Eg（这是经常出现的情况），则除非切断地回路，别无其他解决的办法。 G&P Technology Endevco TP270 冠标科技有限公 司 技术 论文 图 8 在传感器和放大器两处同时接地的测量系统对地迥路引入的噪声最敏感 传感器以外壳
16、为地 /接地安装 /浮地放大器。 如果以外壳为地的传感器必须通过试件接地，则应当使用浮地放大器，以保证如图 9 所示的系统旨在单点接地。除非使用图 4（ c）所示的隔离放大器，否则因为放大器输出端接地不好，该系统对地迥路将仍然是很敏感的。恩德福克的 2735 型电荷放大器就具有这个特点，图 5（ c）所示的差动放大器还可以防止共态噪声。对于包括以外壳为地的传感器、绝缘安装和单端接地放大器的系统来说，这是一种最好的可采用的变通办法。 图 9 以外壳为地的传感器采用接地安装时则要求用浮地的或差动的电荷放大器 与外壳隔离的传感器 /绝缘安装 /浮地放大器。 这种系统 没有接地点，因此自然就成为同一电源线上的仪器、电机和其他电力设备的寄生噪声和地迥路的接收器。 传感器以外
