在线监测课件2教案资料

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1、第2章 在线监测系统及其组成,系统的组成和分类 常用传感器简介 信号处理系统 数据采集系统 数据处理 故障诊断 抗干扰技术,第三节 信号处理系统,经传感器出来的信号一般先经信号预处理、传输、信号处理部分再到A/D部分。因此，信号处理部分主要是对模拟信号进行处理，提高抗干扰能力和传送能力。,第三节 信号处理系统,信号经过长距离传送会产生衰减和畸变，同时在传输过程中还可能有干扰信号进入而降低信噪比，特别对于微弱信号，干扰影响更大。 预处理单元可安排在数据采集之前，甚至和传感器安排在一起。,一、信号预处理系统,预处理单元由放大倍数可调的程控放大器和抗干扰单元，如滤波器等构成，主要是对输入信号的电平作

2、必要的调整和采取抑制干扰的措施以提高信噪比。,第三节 信号处理系统,测量放大 对微小电信号，经高共模抑制比测量放大电路后，可提高抗干扰能力。常用精密测量放大器如AD524或3集成仪用放大器组成。 滤波提高抗干扰能力 分低通、高通、带通、带阻和全通（用于改变电路负载特性）等。 对幅频特性要求较高时可采用：二阶压控有源滤波器，如巴特沃斯滤波器 对相频特性要求较高时可采用：贝塞尔滤波,一、信号预处理系统,第三节 信号处理系统,二、信号转换及传输系统,电信号传送 光纤信号传送,第三节 信号处理系统,二、信号转换及传输系统,1、电信号传送,电信号传送一般采用同轴射频电缆，实用中可采用多芯合一的方法增大直

3、径，提高电缆的机械强度。 为提高电信号传送的抗干扰能力，可采用光电隔离等抗干扰措施。,第三节 信号处理系统,二、信号转换及传输系统,光电耦合器 信号通过电光转换，以光信号传送到下一单元，经光电转换后恢复为电信号，光电耦合器在电路上相互绝缘，隔离电位可从数百伏至数千伏 输入阻抗一般仅几百欧，干扰源的内阻一般在兆欧以上，故能馈送到光电耦台器输入端的噪声很小； 整个耦合器是密封的，不受外界光的影响。 耦合器输入和输出端之间寄生电容很小，仅0.52皮法而绝缘电阻为l012欧。故输出系统的干扰噪声很难通过藕合器反馈到输入系统。 光电耦合器本身的隔离效果和抗干扰能力是比较好的。特别适用于短距离信号的传送。

4、,第三节 信号处理系统,采用光电隔离方式来隔离两个系统之间的干扰。 光信号的传送用光纤来完成，特别适用于远距离的信号传输，抗干扰能力强。光纤分单模和多模两种； 光纤的耐压很高，1米光纤交流闪络电压大于100kV，可用于隔离很高的电位。,二、信号转换及传输系统,2、光纤信号传送,第三节 信号处理系统,光电光纤信号传输调幅式调制 由模拟信号直接对光载波进行光强度调制。 要求：光源的驱动电流与光功率输出二者之间有好的线性关系。 优点：线路简单、频带宽。 缺点：LED的温度特性会使光功率的输出随温度而变化，LED电源电压的变化以及LED的老化也会引起输出光功率的变化。,二、信号转换及传输系统,第三节

5、信号处理系统,光电光纤信号传输调频式调制 先将电信号调制为振幅不变而频率随调制信号（经过预处理后的监测信号）的幅度而变化的调频波，再通过发光二极管的光/电转换成和调频电压波相同的光信号的调频波，然后输入光纤。通过光纤输出的光信号经光/电转换恢复为电信号的调频波，再经解调DM、放大和低通滤波后复原为预处理后的电信号，而后送住数据采集单元。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,光电光纤信号传输调频式调制 频率调制FM一般由压控振荡器或电压频率变换器来完成，解调DM一般选用锁相环或鉴频器和频率一电压变换器。 光源通常选用工作在红外线范围的波长0.85m左右的发光二极管；光纤可选用阶跃型多模

6、光纤；压控振荡器的中心频率比信号的最高频率应至少高十倍，中心频率必须保持稳定；光检测器(OE)可用PIN结构的光电二极管。 优点：当调频波的波形和振幅受到干扰，波形发生畸变时，只要其基波频率不变，则通过限幅线路的处理仍可获得好的解调效果。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,光电光纤信号传输脉码调制 将模拟信号通过模数转换器ADC转换为数字信号，再将数字信号转换为数字光信号后经光纤传送。 优点：可以长距离传送，抗干扰能力强，对信噪比的要求低，动态范围宽，准确度好。省去了调制、解调、滤波等诸多部件，使信号传输系统大为简化，避免了由于调制器件的中心频率不稳定(例如受环境温度的影响)而引起

7、信号失真等问题。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,光电光纤信号传输光电器件的选择 光源（电光变换） 发光二极管LED：发光功率不大，发散角大，出纤功率小。结构工艺简单，寿命长 线性度好。适宜于短波长、短距离、小容量的光纤信号传输。 激光二极管LD：发光功率大、出纤功率大、耦合效率高，工作寿命短，适用于中、长距离和大、中容量的通信。 光检测器件（光电变换） PIN型光电二极管：输出功率小，线性关系好。 雪崩光电二极管(APD)：输出功率大，内部有放大作用，易受温度、偏压的影响，适用于要求高灵敏度的场所,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,光电光纤信号传输光电器件的选择 光

8、纤 多模光纤：纤芯直径较大(60微米)，适用于发散角大的LED光源，可保证较好的耦合效率，损耗大，带宽小，适合中容量、中、短距离的传输。 单模光纤：纤径较小(3微米)，要求光源发散角小，带宽极大，适合于长距离、大容量传输。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,光电光纤信号传输信号解调 根据调幅、调频调制方式分别确定相应的解调电路。 对于脉码调制方式，信号接收后即可进行数字信号处理。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,信号的多路复用 频分复用：将多路信号调制成不同中心频率的调频波，而后进入合成单元、电光转换为合成的光信号，通过一路光纤系统传送到另一端，经光电转换为合成的电信

9、号，通过带通滤波器分解为原来的多路调频波，再分别经解调、低通滤波复原为调制前的多路信号。复用路数越多则中心频率越高些，频分复用适用于模拟信号的传输 时分复用：在不同时间上分别传送不同的信号，适用于数字信号(脉码调制方式)的传送，结构简单，传输时间较长。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,数据的传送 并行传送：通过微机的并行接口传送。可同时传送多位数据，传送速度快。 程序查询传送 程序中断传送 直接存储器存取传送(又称DMA方式) 串行传送：通过微机的RS232异步串行通讯端口传送，传输时间长。,二、信号转换及传输系统,第三节 信号处理系统,程控放大或衰减 对传送过来的信号进行自动放

10、大或衰减，以满足计算机A/D转换幅值的需要。可采用程控放大集成电路。 滤波 对在传输过程中可能带来的干扰再次滤波。 信号变换 对信号进行方波变换或锁相倍频跟踪等特殊处理，以便进行A/D转换、数据处理。,三、信号处理,信号处理电路框图,第四节 数据采集系统,数据采集系统的主要功能是将模拟信号数字化,数据采集系统框图,模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的元件或电路。该开关由开关元件和控制（驱动）电路两部分组成。 按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关 机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继 电器等。 电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模

11、拟开关等。,第四节 数据采集系统,一、多路转换单元,第四节 数据采集系统,一、多路转换单元,多路转换器可对各单元信号进行切换。 多路开关接通时，其导通电阻一般有几十几百欧姆。 多路模拟开关的主要要求 多路开关接通时，要求其静态导通电阻无穷小 多路开关断开时，要求开路静态电阻无穷大，即开关的漏电流越小越好 开关的切换速度越快越好,第四节 数据采集系统,一、多路转换单元,典型多路转换开关,第四节 数据采集系统,二、采样保持电路,采样保持器通常由保持电容、输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、模拟开关等组成 采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态 采样保持器可分为三类：通用型（如AD582、AD5

12、83）、高速型（如HTS0025、AD585采样时间3s）高分辨率型（如DAC1138、SHAll44等）,第四节 数据采集系统,二、采样保持电路,反映采样保持器性能的主要指标 孔径时间：从保持命令发出后，模式控制开关从由导通到完全断开所需的时间 采样时间，捕捉时间：采样命令发生后，采样保持电路由保持状态转到采样状态，保持电容上的电压由所保持的值到达输人信号的当前值所需的时间。 保持电压的衰减速率：在保持状态中，由于保持电容漏电流而使保持电压下降。,第四节 数据采集系统,典型采样保持电路,二、采样保持电路,第四节 数据采集系统,三、A/D转换器,A/D转换器用于将模拟量转换成相应的数字量 常用

13、的转换方法：计数式、逐次逼近法和双积分法 分辨率：A/D转换器能测量的最小模拟输人量 转换速度（采样速度或采样率）：低速采样如200kHz，高速采样如1O0MHz等； 量化误差：等于1/2LSB，其大小也取决于ADC的位数。,第四节 数据采集系统,三、A/D转换器,逐次逼进式A/D转换器,第四节 数据采集系统,三、A/D转换器,并行比较式A/D转换器,第四节 数据采集系统,三、A/D转换器,1）分辨率：指A/D转换器可转换成数字量的最小电压，是反映A/D转换器对最小模拟输入值的敏感度。 2）转换时间：指从输入启动转换信号到转换结束，得到稳定的数字量输出的时间。 3）量化和量化误差。 4）精度：

14、 5）线性度：当模拟量变化时，A/D转换器输出的数字量按比例变化的程度 6）量程：指能够转换的电压的范围：,第四节 数据采集系统,典型模数转换器,第五节 数据处理,数据处理是对监测信号进行分析的工作，更准确地获得反映设备绝缘状态的特征量 去伪存真 通过处理抑制干扰信号，提高信噪比，以防止对故障作出“误报”或“漏报”，关键是要完善抗干扰措施。 由表及里 对采集到的数据进行由表及里的分析处理，使之成为在线诊断设备故障的可靠判据，所能反映的信息更好地显示出来。,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,干扰的分类 平均技术 逻辑判断 软件开窗 数字滤波技术,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,

15、1、干扰的分类,不同特征和性质的干扰信号，需采取不同的措施抑制。 监测系统安装在不同场合其干扰信号的构成也不同，需针对现场的具体情况采取综合性措施予以抑制。,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,2、平均技术,用软件即数据处理的方法抑制干扰，主要是随机性干扰。 随机性噪声一般遵从正态分布，故将数据样本多次代数和相加并取其平均值，即可减弱随机性干扰影响而提高信噪比，若样本数为N，则信噪比的改善为 (因为样本均值的标准偏差为 是样本的标准偏差的 )。 采用平均技术需确定采样率、每次采样样本的容量以及样本数，而这些采样值的采样周期必须是严格相同的。,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,3、

16、逻辑判断,从逻辑推理上设定一些判据去判断测得的是真实信号还是干扰信号。例如监测过程中仅测得一次幅值很高的信号，那么该信号很可能是一个随机干扰信号，可在数据处理时舍弃。,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,4、开窗,对一些已知的且相位固定的干扰可运用电子技术或软件方法对这些信号不予采集或显示或置零。,励磁变压器电流传感器原始信号,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,5、数字滤波技术,数字滤波对数字信号按一定要求进行运算、处理，而后以数字形式输出。 数字滤波是一个计算程序，运用软件的方法来抑制干扰，主要是连续的周期性干扰，可用于局部放电放电脉冲信号的监测中。 可任意改变滤波阶数，中心频率和带宽。,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,5、数字滤波技术理想滤波器,基本原理：对时域信号采用FFT频域化，在频域内将不合理的突出干扰谱去掉，再IFFT反变换即测得时域内去除干扰后的信号。,理想滤波器流程,第五节 数据处理,一、抗干扰数字处理技术,5、数字滤波技术理想滤波器,放电信号为理想的狄拉克冲激函数，干扰信号为纯正弦函数