第十二章-检测装置的信号处理技术

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第十二章检测装置的信号处理技术12.1信号处理技术12.2噪声及其耦合方式12.3干扰抑制技术第一节信号处理技术一、信号的放大技术1．基本测量放大器N1、N2构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同相输入，所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大。这个电路的电压放大倍数为：)21(RRK1234uRR具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。U0R1R2+-R2+-+-R3R3R4R4N2N1Ui2．实用测量放大器采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。如AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是最常用的两种单片测量放大器。（1）AD521测量放大器计算公式为：放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100KΩ时，可以得到较稳定的放大倍数。Gs0uRRUUKiAD521的管脚功能与基本接法U0UiRG+IN-IN１81013127116453214Rs=1000KΩ10KΩa)管脚功能b)基本接法１２３４５６７８９1011121314+-+IN-INRGRGRsOFFSETOFFSETOUTPUTVRsV+COMDREFSENSE（2）AD522AD522也是单芯片集成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0.005%，杂波0.1Hz到100Hz频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR120dB（K0=1000时）AD522的管脚功能１２３４５６７８９1011121314+-+IN-INRGRGDATAGUARDNULLOUTPUTV-空V+GNDREFSENSENULL二、线性化处理技术模拟量自动检测系统中采用三种方法来消除非线性影响：一是缩小测量范围，取近似值；二是采用非均匀的指示刻度；三是增加非线性校正环节。具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理图解决的关键问题显然有两个：1、寻找非线性校正的方法；2、完成非线性校正的电路传感器放大器线性化器xu1u2u3开环式非线性校正结构原理框图1．非线性校正的方法（1）解析计算法传感器、放大器特性解析式为：要求测量工具有的刻度方程为：将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就可以得到线性器非线性特性的解析式：)(11xfu12Kuu23Kuu)(012sUKfu即可设计线性化器的具体电路。（2）图解法当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，我们可用图解法求取线性化器的输入—输入特性曲线。x0u1u0u2u1=f1(x)123n1211131n2221232n4241434nu2=Ku1u0=f2u2u0=sx（3）非线性反馈补偿法对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理可由图18-6给出的框图表示。传感器放大器非线性反馈xu1u0Δuuf-2．非线性校正电路最常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入—输出特性曲线由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得到非线性校正环节所需要的特性曲线。转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但太多了则会因电路本身误差而影响精度。在校正电路中通常采用运算放大器，输入电压为不同范围时，相应改变运算放大器的增益获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器3．非线性特性软件线性化处理0xyxk-1xkxiyiykYk-1M1M2第二节噪声及其耦合方式一、噪声源分析1．放电噪声1）电晕放电噪声：电晕放电噪声主要来源于高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，从而成为一种干扰噪声。伴随电晕放电过程产生的高频振荡也是一种干扰。这种噪声主要对电力线载波电话、低频航空无线电台及调幅广播等产生影响，对电视和调频广播则影响不大。2）放电管放电噪声：放电管（如日光灯、霓虹灯）放电噪声属于辉光放电和弧光放电通常放电管具有负阻抗特性，所以与外屯路连接时容易引起高频振荡，有时可达很高的频段，对电视也有影响。一、噪声源分析1．放电噪声3）火花放电噪声：雷电、电气设备中电刷和整流子间周期性放电火花式高频焊机、继电器触点的通断（电，流很大时则会产生弧光放电）汽车发动机的点火装置等都属于火花放电噪声只要在哪里电流是断续的，则此时在触点间引起的火花放电都将成为噪声源。2．电气干扰源噪声1）工频干扰：大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只要一段距离与输电线相平行，就会受到明显的干扰即使是一般室内的交流电源线，对于输入阻抗和灵敏度很高的检测仪器来说也是威力很大的干扰源。在电子装置的内部，由于工频感应也会产生交流噪声如果工频的波形失真较大（如供电系统接有大容量的晶闸管设备），由于高次谐波分量的增多，产生的干扰更大。2．电气干扰源噪声2）射频干扰：高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播机、雷达等通过辐射或通过电源线给附近的电子测量仪器带来的干扰。3）电子开关：电子开关虽然在通断时并不产生火花，但由于通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，成为噪声干扰源。在一定电路参数条件下，电子开关的通断还会带来相应的阻尼振荡，从而构成高频干扰源。3．固有噪声源1）热噪声：又称电阻噪声，是由于电阻中电子的热运动所形成的。因为电子的热运动是无规则的，因此电阻两端的噪声电压也是无规则的，它所包含的频率成分是十分复杂的。2）散粒噪声：散粒噪声存在于电子管和晶体管中，是通过晶体管基区的载流子的无规则扩散以及电子—空穴对的无规则运动和复合形成的。3．固有噪声源3）接触噪声：接触噪声是由于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、电位器的滑动接点等。由于接触噪声功率密度正比于频率的倒数，因此在低频时接触噪声可能是很大的。接触噪声通常是低频电路中最重要的噪声源。4．噪声电压的叠加若是两个相关噪声电压（或噪声电流）可用下式迭加而成总噪声电压：式中，γ—相关系数，它的取值范围在+1～-1间。当γ＝0时，为非相关，表示噪声电压的产生若是彼此独立的；当γ在0和+1或者0和-1间时，则两电压为部分相关。212221UU2UUU二、噪声耦合方式检测装置受到噪声源干扰的途径叫做噪声的耦合方式通常把噪声耦合方式归纳为：静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合、漏电流耦合1．静电耦合EnUNZiCmUNInM2．电磁耦合电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在有互感，使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一个电路。在一般情况下，电磁耦合可用图18-9表示其等效电路。图中In表示噪声干扰的噪声电流源，M表示两个电路之间的互感系数，UN表示通过电磁耦合在被干扰电路中感应出的噪声电压。根据交流电路理论，按图18-9可将UN写成下式：式中：ω—噪声源电流的角频率。由此可以得出：干扰电压UN正比于噪声源电流角频率ω、互感系数M和噪声电流In。nNMIjU3．共阻抗耦合En表示噪声电动势R表示漏电阻Zi表示被干扰电路的输入阻抗UN表示干扰电压等效电路EnUNZiRUNInZcZL4．漏电流耦合由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流所引起的噪声干扰叫做漏电流耦合。一般情况下的漏电流耦合可用上图等效电路表示。则等效电路中UN的表达式：漏电流耦合经常发生在：用仪表测量较高的直流电压时、在检测装置附近有较高的直流电压源时、在高输入阻抗的直流放大器中。niiNEZRZU第三节干扰抑制技术一、共模与差模干扰各种噪声源产生的噪声，必然要通过各种耦合方式进入检测装置，对其产生干扰。根据噪声进入信号测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰共模干扰1．差模干扰差模干扰又称串模干扰、正态干扰、常态干扰、横向干扰等，它使检测仪器的一个信号输入端子相对另一个信号输入端子的电位差发生变化，即干扰信号与有用信号按电压源形式串联起来作用于输入端。esRsRiZnUnesRsRiInZna)b)EIa)ΦRaRib)＋1．差模干扰2．共模干扰共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等，它是相对于公共的电位基准点（通常为接地点），在检测仪器的两个输入端子上同时出现的干扰。UnZcm1Zcm2Z1Z2Zs1Zs2RsRi热电偶共模干扰工频共模干扰ecma)b)＋Zcm＋～220Vecma)b)＋Zcm＋～220V～220V放大整流滤波2．共模干扰3．共模干扰抑制比UnZ1Z2R1UsU0R2二、常用的干扰抑制技术利用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是用导磁性良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种方法主要是防止静电或电磁干扰，称之为屏蔽。（1）静电屏蔽在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。1．屏蔽技术（2）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体，内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。（3）低频磁屏蔽在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少磁阻。1．屏蔽技术（4）驱动屏蔽•驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等•若1：1电压跟随器是理想的，即在工作中导体B与屏蔽层D之间的绝缘电阻为无穷大，并且等电位。•那在导体B与屏蔽层D之间的空间无电力线，各点等电位。EnABDCs1Cs2ZiR1．屏蔽技术2．接地技术（1）接地线的种类在自动检测装置中，接地线按照功能分，共有以下四种。这四种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的相互干扰。1）信号地线：信号地线只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，除特别情况之外，一般与真正大地是隔绝的。信号地线分为模拟信号地线及数字信号地线，因前者信号较弱，故对地线要求较高，而后者则要求可低些。2．接地技术2）保护接地线：保护接地线是出于安全防护的目的，将检测装置的外壳和电缆屏蔽层接地用的地线。3）信号源地线：信号源地线是传感器本身的信号电位基准公共线。4）交流电源地线。（2）检测装置的接地线系统通常在检测装置中至少要有三种分开的地线。若设备使用交流电源时，则交流电源地线应和保护地线相连。3．浮置技术浮置又称浮空、浮接，它指的检测装置的输入信号和放大器公共线（模拟信号地）不接机壳或大地。这种被浮置的检测装置的测量电路与机壳或大地之间无直流联系，阻断了干扰电路的通路，明显地加大宁测量电路放大器公共线与地（或机壳）之间的阻抗，因此浮置与接地相比能大大减小共模干扰电流。4．平衡电路技术平衡电路又称对称路。它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其他导线电路结构对称，对应阻抗相等。UN2Rs1Us1ULRi+IN1RiUN1Us2Rs2+--IN2Rs1Usa)b)Rs1UsRLRL5．滤波技术滤波器是一种只允许某频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的电路，是抑制噪声干扰的最有效手段之一。（1）交流电源进线的对称滤波器5．滤波技术100μH100μH0.1μFa)100μH100μH0.1μF0.1-0.2μF0.1-0.2μF0.05μFb)c)16-32μF0.5-2H0.5-2H0.5-2mH100μFa)0.01-0.1μFC1C2+直流电源2000μFb)0.01μFC1C2+直流电源、（2）直流电源输出的滤波器5．滤波技术16-32μF0.5-2H0.5-2H0.5-2mH100μFa)0.