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1、应变测量系统的设计（二）曹建安 博士/副教授2013.3.4复习根据被测对象，选择传感器和AD确定系统的输入和输出系统供电设计电磁兼容设计1、输入输出接口设计：体积和物理接口形式(1)应变检测：1、输入接口几线、插头形式2、输出接口几线、插头形式1、输入输出接口设计：体积和物理接口形式(2)供电形式直流供电：电池大小、容量和形状的选择、交流供电：模块功率和输出规格的选择1、输入输出接口设计：体积和物理接口形式(3)输入输出形式两线：单臂桥；三线：差动半桥；四线：全桥；是否带屏蔽线直流供电：充电端子，和通讯线交流供电：和通讯线分离，需要专用交流端子1、输入输出接口设计：调理电路(1) （）电桥:
2、 将电阻、电感、电容或阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 （）特点: 电路简单，较高的准确度和灵敏度，广泛使用 （）分类：（4种方法）按照激励电源的性质：直流与交流电桥；按照输出方式：平衡式电桥与不平衡式电桥。与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。按照电源供电的方式：恒压源供电、恒流源供电。按照电桥的结构：单臂电桥、差动半桥、差动全桥。1、输入输出接口设计：调理电路：测量电桥(1) Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。A，C两端接电压源，则在B，D两端输出不平衡电压UBD分别为：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2恒压源供电： 恒流源供电： Z0Z电源Z0Z电源ABCZ0Z0
3、Z0DUUZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD电源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU将电桥的一个桥臂阻抗将电桥的一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变接电参数型传感器的变换器换器(Z(Z0 0Z)Z)，其余，其余三个臂的阻抗均恒定三个臂的阻抗均恒定Z Z2 2=Z=Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0，单臂电桥单臂电桥 两个桥臂与电参数型传感器两个桥臂与电参数型传感器的两个差动变换器相接，则的两个差动变换器相接，则构成差动半桥，即两个桥臂构成差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动变化阻抗发生差动变化(Z(Z0 0ZZ，Z Z0 0 Z)Z)其余两个臂的阻抗其余两个臂的阻抗均恒定均恒定Z Z3 3=Z=Z4 4=Z
4、=Z0 0， 差动半桥差动半桥 若四个桥臂阻抗均为电若四个桥臂阻抗均为电参数型传感器的四个差参数型传感器的四个差动变换器，且四个桥臂动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动变化阻抗发生差动变化(Z(Z0 0ZZ，Z Z0 0 ZZ，Z Z0 0ZZ，Z Z0 0 Z) Z)，则构，则构成成差动全桥电路差动全桥电路 1、输入输出接口设计：调理电路：测量电桥(2)1、输入输出接口设计：调理电路：差动半桥输入差动变化：输入差动变化：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2差动半桥差动半桥可得：可得：输入差动变化：输入差动变化：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2差动半桥差动半桥输入差动变化：输入差动变化：1、输
5、入输出接口设计：调理电路：特性比较单臂电桥：单臂电桥：差动半桥：差动半桥：差动全桥：差动全桥： 输入量输入量ZZ相同的情况下，差动半桥的输出近似为单臂电桥的两倍，差相同的情况下，差动半桥的输出近似为单臂电桥的两倍，差动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电1、输入输出接口设计：调理电路：灵敏度比较单臂电桥：单臂电桥：差动半桥：差动半桥：差动全桥：差动全桥：灵敏度：灵敏度：差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动半桥的两差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动半桥的
6、两倍，近似为单臂电桥的四倍。倍，近似为单臂电桥的四倍。单臂电桥的灵敏度不为常数，具有非线性；单臂电桥的灵敏度不为常数，具有非线性；恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与Z无关且为常数，是理想的直线。无关且为常数，是理想的直线。反映输出响应的变化对输入激励变化的能力反映输出响应的变化对输入激励变化的能力单臂单臂 半桥半桥全桥全桥1、输入输出接口设计：调理电路：实际安装形式 差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具有更加优良的特性；有更加优良的特性； 与单臂电桥相比，差动电桥与单臂
7、电桥相比，差动电桥灵敏度更高、非线性灵敏度更高、非线性误差更小，对同符号干扰有低偿作用；误差更小，对同符号干扰有低偿作用； 恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，对于易对于易受温度影响传感器，可采用电流源供电。受温度影响传感器，可采用电流源供电。1、输入输出接口设计：调理电路：结论1、输入输出接口设计：调理电路：有源方式1、输入输出接口设计：常用输出接口RS232：RS485：USB：串行接口形式：SPI，UART，IIC.并行接口：远距离通讯12V电平、负逻辑，3线接口，典型物理接口为DB9.差分电压、2线接口，远距离通讯差分电压、4线专用接口，近距离高
8、速通讯1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS232(1)物理接口：1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS232(3)电路接口：电平变换信号变换单片机1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS232(2)物理对接：1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS232(4)缺点：通讯距离短，9600bps15m接口不方便：体积太大，不适合小模块没有电源接口优点：接口标准1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(1)物理接口：没有统一标准的接口，可采用以下类似的物理接插件1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(2)电路接口：信号变换接收器也与发送端相对的电平逻辑规定，收、发端通过平衡双绞线
9、将AA与BB对应相连，当在接收端AB之间(DT)(D+) - (D-)有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(3)1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(4)应用原理1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(5)应用形式1：半双工多机通讯1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(6)应用形式2：1、输入输出接口设计：常用输出接口：RS485(7)优点：通讯距离长，9600bps3km接口比较方便新型RS485模块1、输入输出接口设计
10、：常用输出：USB接口(1)物理接口：统一标准接口1、输入输出接口设计：常用输出：USB接口(2)物理接口：统一标准接口1、输入输出接口设计：常用输出：USB接口(3)原理图：USB接口USB接口USB转UARTUART转RS232UART转RS485UART转RS4851、输入输出接口设计：常用输出：USB转接口(4)1、输入输出接口设计：常用输出：USB转接口(4)2、系统供电设计电池供电及其充电保护交流供电及其模块的安全考虑内部多种电源的转换电源之间的电磁兼容问题2、系统供电设计：电池供电及其充电保护（1）一般选择锂电池供电，单节锂电池的标称电压为3.7V。实际工作电压为3.2V4.2V
11、。锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过。目前使用比较普遍的是额定电压的电池，该电池的电终止电压为，那么允许的误差范围就是。 充电过程：恒流阶段、恒压阶段、涓流阶段2、系统供电设计：锂电池充电特性（1）2、系统供电设计：锂电池放电特性（2）C：容量，mAh，一般为8小时的放电量放电过程：1）放电电流不能太大，过大电流发热导致内部永久损坏2）放电电压过低也将导致永久性损坏。2、系统供电设计：锂电池充放电保护锂电池充放电保护2、系统供电设计：交流供电模块电源，一般为开关电源，而不是工频变压器实现的电源电源的输入与输出安全问题模块在测量设备中的安装问题2、系统供电设计：内部电源之间的转换（1）
12、电池电压3.2V4.2V升压变换器5V、12V降压变换器3.2VTPS60150LM26872、系统供电设计：内部电源之间的转换（2）数字电路和模拟电路供电问题信号回路和功率回路的隔离问题2、系统供电设计：电源的干扰2、系统供电设计：电源干扰抑制：差模滤波器一般有EMI滤波器、板级输入滤波、扁平电缆的磁珠等2、系统供电设计：电源干扰抑制：共模滤波器3、电磁兼容设计：电磁干扰（1）电磁干扰的三要素：噪声源向外发送干扰的源耦合途径传播电磁干扰的途径受扰设备承受电磁干扰的客体干扰源受扰设备耦合途径耦合途径耦合途径耦合途径3、电磁兼容设计：电磁干扰（2）抑制干扰的三条措施：消除或抑制噪声源的产生源上消
13、除低对噪声的敏感度。切断干扰途径： 噪声的耦合和辐射途径传导加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力。3、电磁兼容设计：干扰的表示内部噪声干扰内部噪声干扰外来噪声干扰外来噪声干扰 从来源上根据干扰进入仪器的测量电路方式串模干扰共模干扰3、电磁兼容设计：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。抗串模干扰能力的表示抗串模干扰能力的表示串模抑制比（串模抑制比（SMRR）串模干扰源串模干扰源电压的峰值电压的峰值 串模干扰引串模干扰引起的误差电起的误差电压的有效值压的有效值 3、电磁兼容设计：共模干扰相对公共地电位为基准点，在仪器的两输入端上同时出
14、现的干扰 。抗共模干扰能力的表示抗共模干扰能力的表示共模抑制比共模抑制比 （CMR）共模干扰源共模干扰源电压的峰值电压的峰值 共模干扰引起共模干扰引起的误差电压的误差电压 3、电磁兼容设计：干扰抑制：接地接地原则：单点接地接地原则：单点接地目的：为了消除各电路电流流经一个公共地线阻目的：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。抗产生的噪声电压以及避免形成回路。3、电磁兼容设计：干扰抑制：屏蔽（1）屏蔽的原理：屏蔽容器壳体对干扰信号的反射与吸收作用R1、R2反射能量P1 P2内部干扰能量3、电磁兼容设计：干扰抑制：屏蔽（2）屏蔽的结构形式：屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔
15、、隔离仓和导电涂料等。屏蔽的材料 ： 电场屏蔽材料：电导率较高的铜或铝材料 磁场屏蔽材料：磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材料屏蔽效能SE衡量：3、电磁兼容设计：干扰抑制：屏蔽线（1）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。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自信号源的地端。若信号源和电路均接地，则屏蔽线两端也须接地，这时靠屏蔽体分流电扰若远方一屏蔽与地断开，则该端接地也得断开，直接接屏蔽端。地线已断即变成单点接地，未形成干扰回路靠屏蔽体分流干扰 单地未形成干扰回路 3、电磁兼容设计：干扰抑制：屏蔽线（2）在高电压强磁场的环境下，测量仪器经
16、常采用浮地系统。为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地，而被测信号地以及外壳也必须是接大地系统。 机壳内有阻抗Z1 可使导线上的Icm1、Icm2减小。 3、电磁兼容设计：干扰抑制：屏蔽线（3）内外层屏蔽间的阻抗Z1 Z2，从而使得Icm1和Icm2值更小。串模干扰降到单层屏蔽的百万分之一 3、电磁兼容设计：干扰抑制：隔离 通常采用光电耦合器切断地线环路，即利用通常采用光电耦合器切断地线环路，即利用光电耦合光电耦合，将两个电路的电，将两个电路的电气连接隔开，两个电路用不同的电源供电，有各自的地点为基准，二者互气连接隔开，两个电路用不同的电源供电，有各自的地点为基准，二者互相独立而不会造成
17、干扰。此种方法常用于数字系统的隔离，而模拟系统常相独立而不会造成干扰。此种方法常用于数字系统的隔离，而模拟系统常用隔离放大器。用隔离放大器。3、电磁兼容设计：干扰抑制：其他措施采用滤波器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。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频率的两侧；选择器件选择器件常选择双积分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，从理论上可完全消除工频串模干扰。另外还可以选用高抗扰度的逻辑器件等。对信号进行预处理对信号进行预处理在测量前，对信号进行前置放大以提高测量通道的信噪比；还可以将信号进行变换，如将信号变换为数字量、频率量；把电压信号变换为电流量等，以减小干扰对测量系统通道的影响。
