哈工大课件微弱信号检测1

微弱信号检测技术——第二部分主讲：赵永平智能测试及信息处理技术研究所微弱信号检测技术——第二部分微弱信号检测技术——第二部分参考教材：1、高晋占.《微弱信号检测》，清华大学出版社，20042、戴逸松.《微弱信号检测方法及仪器》，国防工业出版社,19943、曾庆勇.《微弱信号检测》（第二版），浙江大学出版社,19944、中国仪器仪表学会.《全国微弱信号检测学术会议论文集》5、顾洪涛.《特殊电量测量》，机械工业出版社,2000第一讲干扰噪声及其抑制技术工业现场干扰会造成检测电路失去测量精度甚至测量结果失常。将讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰抑制方法。干扰噪声及其抑制技术把那些不需要的电压和电流，并在一定条件下形成危害电路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声”，或者“干扰”。通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声”这个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时，多使用“干扰”这个词。我们把设备或系统中除去有用信号以外的所有电磁信号称为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果，称为电磁干扰（简称干扰）。噪声是原因，干扰是后果。第1节环境干扰噪声一、常见的干扰类型（1）外部干扰自然界干扰周围电气设备干扰（2）内部干扰：固定干扰动态干扰干扰噪声及其抑制技术二、干扰噪声源1、电力线噪声尖峰脉冲工频电磁场电网电压波动微弱信号检测技术——应用部分3、地电位差噪声2、射频噪声（无线通信设备等）如果检测系统的不同部件采用不同的接地点，则这些接地点之间往往存在或大或小的地电位差。4、电器设备噪声弧光放电辉光放电火花放电电晕放电（最常见的辉光放电是荧光灯和霓虹灯。离子碰撞而产生辉光放电。）（最典型的弧光放电是电焊，这是一种金属雾放电。）（在电气设备触点通断的瞬间，触点处的断续电流会引起火花放电。）（当高压输电线绝缘失效时会产生间歇脉冲电流，形成电晕放电。）干扰噪声及其抑制技术5、雷电雷电发生时的一次电流可达106A，云与地面之间的感应电场可达1-10kV/m，上升时间为μs数量级。会产生高强度的电磁辐射波，频率范围从几十千赫兹到几十兆赫兹。此外，在云与地雷电的附近，大地的地电位差也会发生剧烈变化，可高达几千伏。6、天体噪声由于宇宙射线和太阳黑子的电磁辐射，大气中普遍存在天体噪声。天体噪声的频率很高，一般在吉赫兹量级以上，对普通检测仪表影响不大。干扰噪声及其抑制技术7、机械起源的噪声例如，电路板、导线和触点的振动，有可能通过某种机一电传感机理转换为电噪声。8、其他噪声源（1）电化学噪声（2）温度变化引起的噪声（3）触点噪声干扰噪声及其抑制技术三、干扰噪声的频谱分布干扰噪声及其抑制技术图1干扰噪声的频谱分布图第2节干扰的耦合与传输途径干扰形成的三个条件：（1）干扰源；（2）对干扰敏感的接收电路；（3）从干扰源到接收电路之间的传输途径。传导耦合与公共阻抗耦合：经导线或不同电路之间存在公共阻抗引起的电压耦合。例如两个电路合用一个电源。电源耦合：由供电电源通路引入的干扰噪声。电场耦合：因寄生电容引起的电荷耦合。磁场耦合：因两个电路的互感引起的磁链耦合。电磁辐射耦合：导体接收空间电磁辐射耦合。干扰噪声及其抑制技术一、传导耦合与公共阻抗耦合1、传导耦合传导耦合是经导线传导引入的干扰噪声。例如．交流电源线会将工频电力线噪声引入到检测装置，长信号线会把工频和射频电磁场、雷电等感应出的噪声引入信号系统，噪声源和检测电路之间的电气连接是噪声藕合的直接途径。解决传导耦合的一种方法是使信号线尽量远离噪声源，另一种方法是在干扰噪声传导到检测系统之前，采取有效的去耦和滤波措施。干扰噪声及其抑制技术2、公共阻抗耦合cnncZIU干扰源电流干扰电压共有阻抗共阻抗耦合等效电路电源内阻引起的共阻抗干扰用合适的接地措施可以有效地克服公共阻抗耦合噪声。使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压。干扰噪声及其抑制技术二、电源耦合图3a电源滤波器抑制射频干扰图3b电源变压器绕组屏蔽干扰噪声及其抑制技术电源干扰噪声抑制方法三、电场耦合电场耦合示意图等效电路图nimnimimncEZCjEZCjZCjU1寄生电容干扰电压干扰源电压输入阻抗干扰噪声及其抑制技术当噪声源为高压小电流时，它对周围电路元件及设备的干扰主要表现为电容性干扰。结论：（1）干扰源的频率越高，电场耦合干扰越强。（2）减小接收电路阻抗Zi，有利于抑制电场耦合干扰。（3）合理布线，减小分布电容Cm，有利于抑制电场耦合干扰。电场耦合对放大器的干扰等效电路图在干扰频率1MHz，干扰源电压5V，寄生电容0.01pF的情况下，干扰输入电压为31.4mV。100倍3.14V干扰噪声及其抑制技术干扰噪声及其抑制技术进一步的讨论下图中，表示两个平行导线之间的电容耦合，其中C12是导线1与导线2之间的杂散电容，电容C1g和C2g分别是导线1和2与地之间的总电容，R为导体2对地的外接电阻。设干扰源V1加在导线1上，导线2为被干扰电路。导线1在导线2上产生噪声电压VN。干扰噪声及其抑制技术212212211212211212211111()1()1gNgggSjggRSCVVRRSCSCSCRSCVRSCRSCCjVRCjRCC导线1在导线2上产生噪声电压VN为：121NVjCRV1221()gRjCC当时，上式表明，由电容耦合而产生的噪声电压与干扰源频率ω、被干扰电路的输入电阻R、干扰源与被干扰电路之间的杂散电容C12以及噪声电压V1成正比。若V1、ω不变，减小R和C12可以减小电容耦合干扰。121122NgCVVCV1221()gRjCC当时，这时电容耦合产生的噪声电压仅取决于C12与C2g的分压比，与频率无关。四、磁场耦合载有电流i的单一导线会在导线周围产生磁场，对于长直导线，在距离导线r处的磁感应强度为：1、电流的磁场式中，μ0为空气的导磁率，μ0=4πX10-7H/m；I为流过导线的电流，单位为A。例如，对于载有1A电流的长直导线，在距离导线1cm处的磁感应强度约为20μWb/m2。70210/2iBirr（Wb/m2）干扰噪声及其抑制技术2、电磁感应耦合对于磁场中的导体回路，当穿越它的磁通Φ发生变化时，在该回路中感应出的感应电动势为：v=-d/dt如图7所示，在回路面积A上对磁感应强度B进行积分，可以计算得出磁通Φ。A=B.dAAdv=-B.dAdt干扰噪声及其抑制技术nncMIjU互感干扰电压干扰源电流电磁耦合示意图等效电路图3、经互感耦合干扰噪声及其抑制技术互感耦合对交流电桥的干扰在干扰频率10kHz，干扰源电流10mA，互感0.1µH的情况下，干扰电压为62.8µV。干扰噪声及其抑制技术4、磁场耦合干扰的抑制（a）双绞线相邻结产生的感应电动势相互抵消（b）利用大面积的地线减少互感（c）减小干扰源di/dt干扰噪声及其抑制技术图11利用铁磁物质屏蔽抑制磁场干扰(a)屏蔽干扰源；(b)屏蔽敏感电路高导磁材料干扰噪声及其抑制技术5、电磁辐射耦合任何载有交变电流的电路都会向远场辐射电磁波，高频电路的辐射作用更为明显，因为高频辐射源波长更短，辐射源距离其远场与近场分界点更近。任何导体都可能接收电磁波而产生噪声。微弱信号检测电路中的任何导体都会像天线一样拾取电磁辐射噪声，而且，检测电路中的非线性器件又可能对接收到的电磁辐射噪声进行解调或变频，所以电磁辐射噪声不但会影响高频电路，还会影响中频和低频检测电路。因为导体对于电磁辐射噪声具有反射和吸收的作用，所以用导体屏蔽罩来屏蔽发射源或敏感电路都能有效地衰减电磁辐射噪声。干扰噪声及其抑制技术第3节屏蔽屏蔽可以用来控制电场或磁场从空间的一个区域到另一个区域的传播，这是克服电场耦合干扰、磁场耦合干扰以及电磁辐射干扰最有效的手段。屏蔽的目的是利用导电材料或高导磁率材料来减少磁场、电场或电磁场的强度。屏蔽可以应用于噪声源，屏蔽也可以应用于需要抑制噪声的检测电路。屏蔽对于削弱或切断电场、磁场和电磁辐射3种干扰耦合方式都是行之有效的。干扰噪声及其抑制技术屏蔽的概念：屏蔽是防止辐射干扰的主要手段，所谓屏蔽就是采用一定的技术手段，把电磁场限制在一定的空间范围之内。①、主动屏蔽：把干扰源置于屏蔽体之内，防止电磁能量和干扰信号泄漏到外部空间。②、被动屏蔽：把敏感设备置于屏蔽体内，使其不受外部干扰的影响。屏蔽的分类（按场的类型可分为）①、电场屏蔽②、磁场屏蔽③、电磁屏蔽干扰噪声及其抑制技术由静电学可知，处于静电平衡状态下的导体内部无电力线，即各点等电位。利用金属导体的这一性质，并加上接地措施，则静电场的电力线就在接地金属导体处中断，从而起到隔离电场的作用。电场屏蔽可以防止静电耦合干扰，用它可消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。干扰噪声及其抑制技术一、屏蔽技术1、电场屏蔽电磁屏蔽的基本原理是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中，利用高频电磁场对屏蔽金属的电磁感应作用，在屏蔽金属内产生涡流，用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而得到屏蔽的效果。它主要用来防止高频电磁场的影响，对于低频磁场干扰的屏蔽效果很小。干扰噪声及其抑制技术2、电磁屏蔽图12电磁屏蔽干扰噪声及其抑制技术图13屏蔽盒的电磁屏蔽作用示意图干扰噪声及其抑制技术下面用实例来分析电磁屏蔽的效果。图13是屏蔽盒的电磁屏蔽作用示意图。屏蔽导体中的电流方向与线圈中的电流方向相反。在屏蔽盒的外部，屏蔽导体涡流产生的磁场与线圈产生的磁场抵消，从而抑制了泄露到屏蔽盒外部的磁力线，起到了电磁屏蔽的作用。若将电磁屏蔽导体看作是匝数的线圈，其电阻、电感分别为rs、Ls，流过的电流为is；线圈的匝数为Wc，电感为Lc，流过的电流为ic；线圈与屏蔽导体的互感为M，则cjsssjMIIrL在高频情况下，可以认为rsωLs，所以ccscccccsssLWMIIKIKIKWILLW但在低频时，rsωLs，所以scsjMIIr由上式可知，在低频时ω值很小，故Is值也很小，这样一来对低频的屏蔽效果就很小，所以电磁屏蔽只适用于防止高频电磁场的影响。干扰噪声及其抑制技术cjsssjMIIrL低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场或固定磁场(也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场)耦合干扰的有效措施。任何通过电流的导线或线圈周围都存在磁场，它们可能对检测仪器的信号线或仪器造成磁场耦合干扰。电磁屏蔽对这种低频磁通干扰的屏蔽效果是很差的，这时必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层中通过，使内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。干扰噪声及其抑制技术3、低频磁屏蔽为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时要有一定的厚度以减小磁阻。由铁氧体压制成的罐形磁芯可作为磁屏蔽使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用。为提高屏蔽效果可采用多层屏蔽。第一层用低导磁率的铁磁材料，作用是使场强降低；第二层用高导磁率的铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用。干扰噪声及其抑制技术驱动屏蔽又称“电位跟踪屏蔽”，就是用被屏蔽导体的电位通过1∶1电压跟随器来驱动屏蔽导体的电位，其原理如图14所示。干扰噪声及其抑制技术4、驱动屏蔽图14驱动屏蔽示意图若1∶1电压跟随器是理想的，则导体B与屏蔽层C二者等电位，于是在二者之间无电力线，各点等电位。这说明，噪声源导体A的电场影响不到导体B。尽管导体B与屏蔽层C之间有寄生电容存在，但因B与C等电位，故此寄生电容不起作用。因此驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。此电压跟随器的输入阻抗与Zi相并联，为减小其并联作用，则要求电压跟随器的输入阻抗值应当足够高，驱动屏蔽属于有源屏蔽。驱动屏蔽的实用例子很多，图15是对电容传感器接收信号的驱动屏蔽示意图。这实际上是一种等电位屏蔽法。由于传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，从而消除了芯线对内层屏蔽的容