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1、 测量系统的智能化智能化特征：n就智能化仪表和装置来说，则应该具有以下特 征：（1）能自动完成某些测量任务或在程序 指导下完成预定动作；（2）具有进行各种复杂计算和修正误差 的数据处理能力；（3）具有自校准、自检测、自诊断功能 ；（4）便于通过标准总线组成个多种仪表 的复杂系统，实现复杂的控制功能，并能灵活 地改变和扩展功能”。意义：实现测量系统、仪器的智能化，建立具有智能化功能的测量系 统、仪器，是克服测量系统自身不足，获得高稳定性、高可靠 性、高精度以及提高分辨率与适应性的必然趋势。方法：以微型计算机、微处理器为核心的数据采集系统与传感器相结 合的测量系统、仪器，可以在最少硬件条件基础上，
2、采用强大 的软件优势，“赋予”测量系统、仪器智能化功能。智能化功能：非线性自校正、自校零与自校准、自动量程切换、自补偿功能 是最常用的智能化功能。n温度变化对检测系统的影响： （1）传感器材料具有线膨胀系数； （2）检测系统的电子电路中大量采用的半 导体器件工作点、增益随温度变化； （3）电阻、电容性能随温度改变。温度补偿基本原理n温度补偿就是利用检测系统自身的几个环节 受温度影响产生的变化相反而相互抵消的作 用，或在检测系统中附加一个环节、一个电 路或一段程序，用它去控制检测系统的输出 值，使之不随环境温度的变化而变化或控制 在测量误差允许的范围之内。自身补偿方式是利用检测系统自身的几个环节
3、或传感器的 几个部件受温度影响产生的变化互相抵消，显然必须对这 些环节或部件受温度影响而变化的规律性有充分的了解之 后才能做到恰当的配合,而使之互消。自补偿应变片1、自身补偿式温度补偿方式并联式温度补偿是在检测系统原有持性的基础上，人 为地加上一个补偿环节，构成方式如图所示。从这个 结构框图上看，被补偿环节与补偿环节成并联形式， 故称并联式温度补偿，如差动传感器。2、并联式温度补偿方式反馈式温度补偿是应用负反馈原理，通过自动调整过程， 保持检测系统的零点和灵敏度不随环境温度而变化，其原 理如图所示：3、反馈式温度补偿方式传感器温度误差修正的基本思路是：在传感器内靠近对 温度敏感的部件处，安装一
4、个测温元件，用以检测传感 器所在环境的温度。把测温元件的输出经过多路开关与 信号同一路径送入处理器，根据温度误差的数学模型去 补偿被测信号，以达到精确测量的目的，如图所示。4、检测系统中温度漂移的软件补偿法n一般希望测量仪表的输出量y与输入量x( 被测量)之间关系yf(x)呈线性关系。以 保证仪表在整个测量范围内灵敏系数为常 数，有利于读数和分析，也便于处理测量 结果。但在实际检测中，利用传感器把许 多物理量转换成电量时，大多数传感器的 输出电量与被测物理量之间的关系不是线 性的。非线性误差产生非线性的原因:n一方面是由于传感器变换原理的非线性；n另一方面是由于转换电路的非线性。因此，为了保证
5、测量仪表的输出与输入之间具 有线性关系，除了对传感器本身在设计和制造 工艺上采取一定措施外，还必须对输入参量的 非线性进行补偿，或称线性化处理。线性化处理的方法很多，目前经常使用的可分 成两大类：一类是模拟线性化：另一类是数字 线性化。模拟量线性化技术在模拟量中采用的线性化技术，包括采用小 范围线性化、差动结构补偿、最佳参数选 择和加入非线性校正环节等。 (1)小范围线性化当被测量x在大范围内变化时，传感器或 检测系统的输出y和输入x之间的函数关系 呈非线性,但着缩小x的变化范围，在较小范 围内可把一小段曲线近似成直线。(2)采用差动结构补偿通常总把传感器设计成差动结构工作方 式，二个特性完全
6、相同的传感器，一个 接受x的正变化(+x)一个接受负变化(- x)，以二个传感器输出之差y1y2来 反映x，比起单个工作不仅会使灵敏度 提高，而且线性也有明显改善。(3)最佳参数选择最佳参数选择是指用线性特性替代实际的非线性特 性时，选择合适的参数使二者之间的误差满足设定 值的要求。在非线性特性的线性标定中，寻找一条 直线取代整条曲线，取代的约束条件是根据需要设 定，例如要求取代后的某种误差(如相加误差、或 相乘误差等)符合某种限定(如处于最小等)，依据此 约束条件就能找出取代直线的最佳参数。(4)加入校正环节在整个检测系统中加入非线性校正环节的方式 ，可以是串联方式接入，即开环式；也可以是
7、作为系统的反馈回路接入，即闭环式。非线性校正环节本身的持性是非线性的，用它 的非线性去补偿检测系统的非线性。非线性校 正环节持性，由检测系统的非线性持性用解析 法或图解法求得。上面介绍的线性化方法是在模拟量的输入通道中加非 线性补偿电路。在非电量电测系统中，非线性校正装 置也可以放置在AD转换之后。随着计算机技术的 广泛应用，尤其是微型计算机的迅速发展，人们想到 了充分利用计算机处理数据的能力。数字线性化用软件进行传感器特性的非线性补偿，使输出的 数字量与被测物理量之间呈线性关系。这种方法 有许多优点，（1）首先它省去了复杂的补偿硬件电路，简化了 装置；（2）可以发挥计算机的智能作用，提高了检
8、测的 准确性和精度；（3）适当改变软件内容，可对不同的传感器特性 进行补偿，也可利用一台微机对多个通道、多个 参数进行补偿。1、 计算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。计算法就是在软件中编制一 段完成数学表达式的计算程序，当被测 参量经过采样、滤波和变换后，直接进 入计算程序进行计算，计算后的数值即 为经过线性化处理的输出量。这是一种分段线性插值法。它是根据精度要求对 反非线性特性曲线（如图52）进行分段，用若 干段折线逼近曲线。将折点座标值（ui，xi）存入 数据表中，测量时首先要判断输入被测量xi的电压 值ui是在哪一段，然后根据那一段的
9、斜率进行线性 插值，即得输出值yi=xi。以三段为例，折点座标值为：(ul，xl），（u2，x2 ），(u3，x3)，(u4，x4），如图53所示。2、查表法（插值法）测量仪器、系统在输入为零时其输出往往不为零，即存 在零点误差，这属于固定系统误差。如果在某些干扰因 素如温度、电源电压波动作用下，测量系统的增益、零 点发生漂移，将引入可变系统误差。具有自校零与自校准智能功能的测量仪器、系统，在软 件程序的导引下进行三步测量法，自动校正零点以及自 动消除因零点漂移、增益漂移(又称灵敏度漂移)而引入 的误差，从而提高了整个系统的精度与稳定性。自校零与自校准二标准值实时自校法自校准功能实现的原理框图
10、如图所示：第一步校零，输入信号为零点标准值，输出值为y0a0；第二步标定，输入信号为标准值VR，输出值为yR；第三步测量，输入信号为传感器的输出Vx，输出值为yx，则被 校环节的增益a1为：量程的自动切换也就是增益的自动选择，要 综合考虑被测量的数值范围，以及对测量精 度、分辨率的要求诸因素来确定增益(含衰 减)档数的设定和确定切换档的准则，这些 都依具体问题而定。量程自动切换改变电压的量程，最简单的方法是在电压的输入电路中带有电阻 衰减器，如图所示。设图中有四个量程，每个量程相差10倍。为 了能自动选择合适的量程，我们在每个量程设置了两个数据限， 上限称升量程限，下限称降量程限。上限通常在满
11、刻度值附近取 值，下限一般取为上限的1/10。例1 被测对象为5个电压值：6.67V，33.3V，57.7V ，100V，150V，要求测量系统的相对量化误差小于 0.05；试设定增益衰减档数和换挡准则。已知 测量系统采用12位A/D转换器，满量程输入电压VF.S 5V。例 2 欲测量温度上限值为160，要求分辨率为 0.1，采用10位A/D转换器的测量系统，是否需要 换档?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。三、抗干扰技术噪声：指在信号检测的领域内，检测系统检测和传输的 有用信
12、号以外的一切信号均称为噪声。干扰：指具有一定幅值和一定强度能影响检测系统正常 工作的噪声为干扰。固有噪声是指噪声由电子设备本身原因而产生的 ，可分为以下三种：（1）热噪声 指任何电阻既使不与电源相接，在它的两端 也存在着微弱的电压。这种电压是由于电阻中电子热运动 所形成的，故称为热噪声。由于电子热运动具有随机性质 ，所以电阻两端的热噪声电压也具有随机性质，而且它几 乎覆盖整个频谱，故又称之为白噪声。1、 干扰的类型（2） 散粒噪声 散粒噪声存在于电子管和半导体两种元器件中。在 电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发射；在 半导体内，散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随 机扩散以及电子空穴对的随机
13、发生及其复合形成 的。（3） 接触噪声接触噪声是由两种材料之间不完全接触，从而形成 电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的 地方，如继电器的接点、电位器的滑动触点等。人为噪声源：人为噪声源主要是指各种电气设备所产 生的噪声，主要有以下几种：工频噪声：大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平 的信号线只要有一定长度与输电线平行，就会受到明显的干扰 ；即使一般室内的交流电源线，对输入阻抗和灵敏度均高的检 测系统来说也全是很大的干扰源。在检测系统内部，也会因工 频感应而产生交流噪声。射频噪声：高频感应加热，高频焊接等工业电子设备以 及广播、电视、雷达及通讯设备等通过电磁辐射给附近的检测 系统带来
14、干扰。电子开关 ：由于电子开关通断的速度 极快，使电路中的电压和电流发生急剧的 变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰 源。 自然噪声源和放电噪声：自然噪声主 要来自于各种自然放电现象。上述干扰的耦合方式主要有以下四种： 静电耦合：即经杂散电容耦合到电路中去。 电磁耦合：即经互感耦合到电路中去。 共阻抗耦合：即电流经两个以上电路之间的公共阻抗耦 合到电路中去。 漏电流耦合：即由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流耦 合到电路中去。干扰的耦合方式抑制耦合电容减小输入阻抗电容耦合互感耦合减弱UN的主要途径是减小互感M值 。 电路远离 干扰线绞合 减少接收回路面积共阻抗耦合 电源内阻抗耦合干扰抑制接地线公共
15、阻抗，尽量缩短并加粗地 线，以降低公共地线阻抗。地线阻抗耦合干扰漏电耦合大功率的高频电气设备、广播、电视、 通讯发射台等，不断地向外发射电磁波。 检测系统若置于这种辐射场中，就会感应 到与辐射电磁场成正比的感应电势，这种 感应电势进入电路就形成干扰。辐射电磁场耦合抑制干扰的两个主要方法是接地和屏蔽。用低电阻材料或高磁导率材料制成容器，将需要防护的 部分包围起来，这种防止静电的或电磁的相互感应所采 用的措施称为“屏蔽”，屏蔽的目的是隔断“场”的耦合，即 抑制各种场的干扰。干扰的抑制电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频 干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，再利用涡流磁场抵消高
16、 频干扰磁场的影响，从而达到抗高频电磁场干扰的效果。电磁屏蔽依靠涡流产生作用，因此必须用良导体如铅、铝等 做屏蔽层。考虑到高频趋肤效应，高频涡流仅在屏蔽层表面一 层, 因此屏蔽层的厚度只须考虑机械强度。将电磁屏蔽妥善接地后，具有电场屏蔽和磁场屏蔽两种功能 。隔离是破坏干扰途径、切断噪声耦合通道，从而达到 抑制干扰目的的一种技术措施。常用的电路隔离方法 有变压器隔离法和光电耦合器方法。A、 变压器隔离左图是一个两端接地的系统，地电位差Un通过地环回 路对测量系统形成干扰。减小或消除类似这种干扰的一种方法是在信号传输通 道中接入一个变压器，如右图所示，使信号源和放大 器两个电路在电气上相互绝缘，断开地环回路从而 切断了噪声电路传输通道，有效地抑制了干扰。隔离措施两点接地的地环回路采用隔离变压器B、光电耦合器隔离光电耦合器隔离方法如图所示。它是在电路上接入一个 光耦合器，即用一个光耦合器代替上图中的变压器，用光 作为信号传输的媒介，则两个电路之间既没有电耦合，也 没有磁耦合，切断了电和磁的干扰耦合通道，从
