第10章-检测系统的信号处理技术课件.ppt

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1、第第1010章章 检测系统的信号处理技术检测系统的信号处理技术10.1 10.1 信号处理技术信号处理技术10.2 10.2 干扰抑制技术干扰抑制技术10.3 10.3 传感器的非线性补偿传感器的非线性补偿本章学习的主要内容：本章学习的主要内容：传感器的输出信号具有种类多、信号微弱、易衰传感器的输出信号具有种类多、信号微弱、易衰减、非线性、易受干扰等不利于处理的特点，所以检减、非线性、易受干扰等不利于处理的特点，所以检测系统的信号处理是传感器技术的一个重要环节。本测系统的信号处理是传感器技术的一个重要环节。本章简要介绍检测系统信号处理的一些基本方法及器件，章简要介绍检测系统信号处理的一些基本方

2、法及器件，如传感器信号的预处理、放大、干扰抑制技术、传感如传感器信号的预处理、放大、干扰抑制技术、传感器的非线性补偿等。器的非线性补偿等。第第1010章章 检测系统的信号处理技术检测系统的信号处理技术1.1.数据采集系统的组成数据采集系统的组成 在机电一体化产品中，对被测量的控制和信息处在机电一体化产品中，对被测量的控制和信息处理多数采用计算机来实现，因此传感器的检测信号一理多数采用计算机来实现，因此传感器的检测信号一般需要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所般需要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所需要的控制和显示信息。在用计算机对模拟信号进行需要的控制和显示信息。在用计算机对模拟信

3、号进行测量和控制时，必须首先把模拟信号转换成数字信号，测量和控制时，必须首先把模拟信号转换成数字信号，然后计算机按一定的处理要求对信号进行处理。实现然后计算机按一定的处理要求对信号进行处理。实现模拟信号转换成数字信号的电路系统称为数据采集系模拟信号转换成数字信号的电路系统称为数据采集系统，数据采集系统中最重要的器件便是模数转换器统，数据采集系统中最重要的器件便是模数转换器（A AD D转换器，也称转换器，也称ADCADC）。）。10.1 10.1 信号处理技术信号处理技术 10.1.1 10.1.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内的数据采集系统常

4、由包括放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样保持电路、信号调理电路、多路模拟开关、采样保持电路、A AD D转换器以及接口控制逻辑电路所组成。下图给出转换器以及接口控制逻辑电路所组成。下图给出了数据采集系统的典型构成方式。各组成部分的功能了数据采集系统的典型构成方式。各组成部分的功能简要介绍如下：简要介绍如下：（2 2）多路模拟开关）多路模拟开关 如果有许多独立的模拟信号源，都需要转换成数如果有许多独立的模拟信号源，都需要转换成数字量，在可能的条件下，为了简化电路结构、降低成字量，在可能的条件下，为了简化电路结构、降低成本、提高可靠性等，常常采用多路模拟开关，让这些本、提高可靠

5、性等，常常采用多路模拟开关，让这些信号共享采样保持电路和信号共享采样保持电路和A AD D转换等器件。多数模转换等器件。多数模拟开关在控制信号作用下、按指定的次序把各路模拟拟开关在控制信号作用下、按指定的次序把各路模拟信号分时地送至信号分时地送至A AD D转换器转换成数字信号。转换器转换成数字信号。（3 3）采样）采样 /保持电路（保持电路（S/HS/H电路）电路）由于由于A AD D转换器的转换需要一定的时间，如在转转换器的转换需要一定的时间，如在转换过程中输入的信号有所改变，则转换结果与转换之换过程中输入的信号有所改变，则转换结果与转换之初的模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。为初的

6、模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。为了保证转换的精度，需要在模拟信号源与了保证转换的精度，需要在模拟信号源与A AD D转换器转换器之间接入采样保持电路。在之间接入采样保持电路。在A AD D转换前，首先应使转换前，首先应使采样保持电路处于采样模式，采样后使采样保持采样保持电路处于采样模式，采样后使采样保持电路处于保持模式，即输出电压保持不变，接下来才电路处于保持模式，即输出电压保持不变，接下来才对这个输出信号进行对这个输出信号进行A AD D转换。显然，为了提高系统转换。显然，为了提高系统的测量速度，采样时间越短越好；为了有良好的转换的测量速度，采样时间越短越好；为了有良好的转换精度，

7、保持时间越长越好。精度，保持时间越长越好。控制信号控制信号输入输入保持保持实际保持电压实际保持电压获得时间获得时间应保持电压应保持电压延时引入误差延时引入误差SC采样采样保持保持波形波形 采样采样保持保持原理原理 控制开关控制开关保持电容保持电容（5 5）接口电路及控制逻辑）接口电路及控制逻辑 由于由于A AD D转换器所给出的数字信号无论在逻辑电转换器所给出的数字信号无论在逻辑电平还是时序要求、驱动能力等方面与计算机的总线信平还是时序要求、驱动能力等方面与计算机的总线信号可能会有差别，因此，把号可能会有差别，因此，把A AD D转换器的输出直接送转换器的输出直接送至计算机的总线上往往是不行的

8、，必须在两者之间加至计算机的总线上往往是不行的，必须在两者之间加入接口电路以实行电路参数匹配。当然，对于为某类入接口电路以实行电路参数匹配。当然，对于为某类计算机特殊设计的计算机特殊设计的A AD D转换器来说，这种接口电路已转换器来说，这种接口电路已与与A AD D芯片集成为一体，无需增加额外的接口电路。芯片集成为一体，无需增加额外的接口电路。综上所述，一个数据采集系统必须按照规定的动综上所述，一个数据采集系统必须按照规定的动作次序进行工作。这样必须有一些电路受控于计算机作次序进行工作。这样必须有一些电路受控于计算机来产生一定时序要求的逻辑控制信号，逻辑控制电路来产生一定时序要求的逻辑控制信

9、号，逻辑控制电路便是完成这一功能的电路系统。便是完成这一功能的电路系统。LogLog25802580系列现场独立系列现场独立智能数据采集系统智能数据采集系统采样速率采样速率100100kHzkHz，1616bitbit分辨率分辨率 输入通道：输入通道：1616单端单端/8/8差差分模拟信号，可扩至分模拟信号，可扩至256256通道通道1414个可编程输入量程，个可编程输入量程，最大可到最大可到2020V V 可直接测试各种传感器可直接测试各种传感器信号信号 24 24路通用数字路通用数字I I/O O，1616路专用数字输入，可扩路专用数字输入，可扩至至208208通道通道 性能参数：性能参数

10、：Cerebus Cerebus 多通道数据采集系统多通道数据采集系统 2.2.传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法1 1）传感器输出信号的特点）传感器输出信号的特点（1 1）由于传感器种类繁多，故传感器的输出形式也）由于传感器种类繁多，故传感器的输出形式也是各式各样的。有开关信号型、模拟信号型（有电压是各式各样的。有开关信号型、模拟信号型（有电压型、电流型和阻抗型等）、数字信号型等。型、电流型和阻抗型等）、数字信号型等。（2 2）传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器）传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器输出电压仅有输出电压仅有0.1V0.1V。（3 3）传感器的输出阻抗都比较

11、高，这样使传感器信）传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰减。号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰减。（4 4）传感器的动态范围很宽。）传感器的动态范围很宽。（5 5）传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性）传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。关系。（6 6）传感器的输出量会受温度的影响。）传感器的输出量会受温度的影响。2 2）传感器信号的预处理方法）传感器信号的预处理方法 传感器信号预处理的主要目的是根据传感器输出传感器信号预处理的主要目的是根据传感器输出信号的特点，采取不同的信号处理方法来抑制干扰信信号的特点，采取不同的信号处理方法

12、来抑制干扰信号，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等号，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修正，从而提高检测系统的测量精度和线进行补偿和修正，从而提高检测系统的测量精度和线性度。性度。传感器的信号经预处理后，使其成为可供测量、传感器的信号经预处理后，使其成为可供测量、控制及便于向微型计算机输入的信号形式。常用的传控制及便于向微型计算机输入的信号形式。常用的传感器信号预处理方法有以下几种：感器信号预处理方法有以下几种：（1 1）阻抗变换电路：在传感器输出为高阻抗的情况）阻抗变换电路：在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感下，变换为低阻抗，

13、以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。器的输出信号。（2 2）放大电路：将传感器输出的微弱信号放大。）放大电路：将传感器输出的微弱信号放大。（9 9）非线性校正电路）非线性校正电路 传感器的特性是非线性时，传感器的特性是非线性时，进行非线性校正。进行非线性校正。（1010）对数压缩电路）对数压缩电路 当传感器输出信号的动态范围当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩。较宽时，用对数电路进行压缩。传感器信号的预处理应根据传感器输出信号的特传感器信号的预处理应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的预处理电点及后续检测电路对信号的要求选择不同的预处理电路。路。1

14、0.1.2 10.1.2 信号放大技术信号放大技术1.1.仪表放大器及选择仪表放大器及选择 由传感器送来的测量信号往往很微弱，因而对放由传感器送来的测量信号往往很微弱，因而对放大器的精度要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变大器的精度要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变化，进行缓冲、隔离、放大和电平转换等处理，这些化，进行缓冲、隔离、放大和电平转换等处理，这些功能大多可用运算放大器来实现。功能大多可用运算放大器来实现。然而传感器的工作环境往往是较复杂和恶劣的，然而传感器的工作环境往往是较复杂和恶劣的，在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号（噪声）

15、，有时是完全相同的干扰，称为共模干扰。（噪声），有时是完全相同的干扰，称为共模干扰。运算放大器往往不能消除各种形式的共模干扰信号，运算放大器往往不能消除各种形式的共模干扰信号，因此，需要引入另一种形式的放大器，即仪表放大器，因此，需要引入另一种形式的放大器，即仪表放大器，它广泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有它广泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。较大共模干扰的场合。1 1）仪表放大器）仪表放大器 仪表放大器又称数据放大器。一般是由三只高精仪表放大器又称数据放大器。一般是由三只高精度运放及精密电阻一起组装而成。其中两只高精度运度运放及精密电阻一起组装而成。其中

16、两只高精度运放参数对称，构成电路对称的差分输入级。整个组件放参数对称，构成电路对称的差分输入级。整个组件输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，稳定性好。它输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，稳定性好。它主要用于微小信号的精确测量。主要用于微小信号的精确测量。在工业自动控制、多点数据采集系统、航空及生在工业自动控制、多点数据采集系统、航空及生态研究中，广泛用于传感器信号放大、高阻电桥、光态研究中，广泛用于传感器信号放大、高阻电桥、光电管、生物电放大及高阻比较器等各种场合。电管、生物电放大及高阻比较器等各种场合。差分输入级差分输入级仪表放大器原理图仪表放大器原理图增益调增益调整电阻整电阻总的电压放大倍数

17、为总的电压放大倍数为 放大器所采用的上述电路形式，使它具有放大器所采用的上述电路形式，使它具有输入输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不阻抗高、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包含共模信号等一系列优点。调节调节R R1 1可改变放大倍数。可改变放大倍数。下面简要介绍国产仪表放大器组件下面简要介绍国产仪表放大器组件ZF603ZF603ZF605ZF605，它对应美国，它对应美国ADAD公司的公司的AD605AD605，其参数性能表见表，其参数性能表见表10 10 1 1。ZF603ZF603是一种体积小、价格低的仪表放大器，是一种体积小、价格低的仪表放大器，

18、内部有有源调零线路，可在内部有有源调零线路，可在10V10V范围内调节零输入范围内调节零输入时的输出电压，且不影响共模抑制比，它按温漂参数时的输出电压，且不影响共模抑制比，它按温漂参数不同分为不同分为A A、B B两档，可用于需扩展输出电流的场合。两档，可用于需扩展输出电流的场合。表表10 10 1 1中的增益精度是指实际曲线的增益标中的增益精度是指实际曲线的增益标准误差与平均增益之比的相对值，用以衡量整个输出准误差与平均增益之比的相对值，用以衡量整个输出范围内闭环增益的精确程度。此外，实际曲线是指测范围内闭环增益的精确程度。此外，实际曲线是指测试得到放大器的输入输出对应值的连线。增益标准误试

19、得到放大器的输入输出对应值的连线。增益标准误差是指各测试点增益与平均增益之差的方均根值。非差是指各测试点增益与平均增益之差的方均根值。非线性畸变是实际曲线与拟合直线之间的最大偏差与输线性畸变是实际曲线与拟合直线之间的最大偏差与输出满幅度之比的相对值，它反映输出的实际值可能偏出满幅度之比的相对值，它反映输出的实际值可能偏移理想直线的最大范围。移理想直线的最大范围。ZF605 ZF605仪表放大器原理图及管脚排列图如下图仪表放大器原理图及管脚排列图如下图(a)(a)、(b)(b)所示，图中所示，图中2 2、3 3端接增益调整电阻端接增益调整电阻R RG G。(a)ZF605(a)ZF605仪表放大

20、器原理图仪表放大器原理图(b)ZF605(b)ZF605仪表放大器引脚图（引脚向上）仪表放大器引脚图（引脚向上）反向输入2 2）仪表放大器的选择）仪表放大器的选择 仪表放大器应具有如下性能要求：仪表放大器应具有如下性能要求：（1 1）低噪声。采用低噪声放大器件并采取有效的减）低噪声。采用低噪声放大器件并采取有效的减小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中。小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中。（2 2）高稳定性、低漂移，减小温度漂移和防止自激）高稳定性、低漂移，减小温度漂移和防止自激振荡等。振荡等。（3 3）高抗干扰性能。放大器的前级最易受干扰，要）高抗干扰性能。放大器的前级最易受干扰，要尽量

21、缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。施等。（4 4）高输入阻抗。由于传感器输出信号很微弱，要）高输入阻抗。由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接入，尽可能对传感器影响小。特别是当求放大器的接入，尽可能对传感器影响小。特别是当传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。（5 5）高共模抑制比。一方面是由于许多被测量本身）高共模抑制比。一方面是由于许多被测量本身是差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因是差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。

22、此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。（6 6）高线性度。在较大量程内有良好的线性。）高线性度。在较大量程内有良好的线性。（7 7）适宜的频率特性。为使放大后的信号不失真，）适宜的频率特性。为使放大后的信号不失真，要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。的频带。仪表放大器应在考虑以上性能要求后进行选择，仪表放大器应在考虑以上性能要求后进行选择，当然在满足要求时还应考虑价格、生产厂商的信誉等当然在满足要求时还应考虑价格、生产厂商的信誉等问题。问题。（4 4）必须浮地连接的信号源，例如在低电平信号测）必须浮地连接的信号源，例如在低电平信号测

23、量中避免地线环路和噪声的影响。量中避免地线环路和噪声的影响。现在已有隔离集成运放产品出现，它不仅保持了现在已有隔离集成运放产品出现，它不仅保持了通用集成运放的性能，而且输入公共端（信号接地端）通用集成运放的性能，而且输入公共端（信号接地端）与输出公共端（负载接地端）之间保持良好的绝缘。与输出公共端（负载接地端）之间保持良好的绝缘。右图所示为隔离集成运右图所示为隔离集成运放的符号和基本引线端。隔放的符号和基本引线端。隔离集成运放的引线端与通用离集成运放的引线端与通用集成运放不同。反馈信号不集成运放不同。反馈信号不能从输出端取出，而由输入能从输出端取出，而由输入部分反馈端取出加在隔离集部分反馈端取

24、出加在隔离集成运放的反相输入端。成运放的反相输入端。输入公共端为输入信号电位的接地端，而输出公输入公共端为输入信号电位的接地端，而输出公共端实际上是供电电源公共端，又是输出信号电平的共端实际上是供电电源公共端，又是输出信号电平的公共端。公共端。2 2）隔离放大器的隔离指标）隔离放大器的隔离指标 隔离放大器的技术指标有两类：放大器的性能指隔离放大器的技术指标有两类：放大器的性能指标和隔离指标。放大器的性能指标与运算放大器或仪标和隔离指标。放大器的性能指标与运算放大器或仪表放大器的指标类似。隔离指标一般有以下几项：表放大器的指标类似。隔离指标一般有以下几项：（1 1）绝缘阻抗：指输入公共端与输出公

25、共端之间的）绝缘阻抗：指输入公共端与输出公共端之间的等效阻抗，即上图虚线所示的等效阻抗，即上图虚线所示的R R1 1与与C Cc c的并联阻抗值。的并联阻抗值。（2 2）绝缘电压范围：在保持隔离集成运放特性参数）绝缘电压范围：在保持隔离集成运放特性参数不超过允许值的情况下，输入公共端与输出公共端之不超过允许值的情况下，输入公共端与输出公共端之间允许加的最大电压（包括脉冲电压）值。间允许加的最大电压（包括脉冲电压）值。10.2 10.2 干扰抑制技术干扰抑制技术 自动检测系统在工作的过程中，有时可能会出现自动检测系统在工作的过程中，有时可能会出现某些不正常的现象，这表明，存在着来自外部和内部某些

26、不正常的现象，这表明，存在着来自外部和内部影响其正常工作的各种因素，尤其是当被测信号很微影响其正常工作的各种因素，尤其是当被测信号很微弱时，问题就更加突出。这样一些因素，总称为弱时，问题就更加突出。这样一些因素，总称为“干干扰扰”。干扰不但会造成议量误差，有的甚至会引起系。干扰不但会造成议量误差，有的甚至会引起系统的紊乱，导致生产事故。因此，在自动检测系统的统的紊乱，导致生产事故。因此，在自动检测系统的设计、制造、安装和使用中都必须充分注意干扰抑制设计、制造、安装和使用中都必须充分注意干扰抑制问题。我们应首先了解干扰的种类和来源，形成干扰问题。我们应首先了解干扰的种类和来源，形成干扰的途径，从

27、而才能有针对性地采取有效措施消除干扰的途径，从而才能有针对性地采取有效措施消除干扰的影响。的影响。干扰的例子：干扰的例子：电磁信号干扰器电磁信号干扰器手机干扰器手机干扰器10.2.1 10.2.1 干扰的来源干扰的来源1.1.机械的干扰机械的干扰 机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使传感器机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使传感器装置中的元件发生振动、变形，使连接导线发生位移，装置中的元件发生振动、变形，使连接导线发生位移，使指针发生抖动，这些都将影响其正常工作。声波的使指针发生抖动，这些都将影响其正常工作。声波的干扰类似于机械振动，从效果上看，也可以列入这一干扰类似于机械振动，从效果上看，也

28、可以列入这一类中。对于机械的干扰主要是采用减振措施来解决，类中。对于机械的干扰主要是采用减振措施来解决，例如应用减振弹簧或减振橡皮垫等。例如应用减振弹簧或减振橡皮垫等。2 2热的干扰热的干扰 在工作时传感器系统产生的热量所引起的温度波在工作时传感器系统产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化等都会引起检测电路元器件参数动和环境温度的变化等都会引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等，从而影响了传发生变化，或产生附加的热电动势等，从而影响了传感器系统的正常工作。对于热的干扰，工程上通常采感器系统的正常工作。对于热的干扰，工程上通常采用：热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构和温度补偿元用

29、：热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构和温度补偿元件等方法进行抑制。件等方法进行抑制。3.3.光的干扰光的干扰 在传感器装置中人们广泛使用着各种半导体器件，在传感器装置中人们广泛使用着各种半导体器件，但是半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，但是半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响检测系统正常工作。响检测系统正常工作。闪电击中摩天楼闪电击中摩天楼战斗机发射曳光干扰弹战斗机发射曳光干扰弹4 4湿度变化的影响湿度变化的影响 湿度增加会使元器件的湿度增加会使元器件的绝缘电阻下降，漏电流增加，绝缘电阻

30、下降，漏电流增加，高值电阻的阻值下降，电介高值电阻的阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架膨胀，等等。这样线圈骨架膨胀，等等。这样必然会影响传感器系统的正必然会影响传感器系统的正常工作，尤其是在南方潮湿常工作，尤其是在南方潮湿地带、船舶及锅炉等地方，地带、船舶及锅炉等地方，更应注意密封防潮措施。例如，电气元件印制电路板更应注意密封防潮措施。例如，电气元件印制电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等均是强有力的的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等均是强有力的防湿措施。防湿措施。下雨的路面下雨的路面 因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内，因此，半导体元器件应封装在

31、不透光的壳体内，对于具有光敏作用的元件，尤其应注意光的屏蔽问题。对于具有光敏作用的元件，尤其应注意光的屏蔽问题。5 5化学的干扰化学的干扰 化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会通过化化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会通过化学腐蚀作用损坏传感器装置，因此，良好的密封和注学腐蚀作用损坏传感器装置，因此，良好的密封和注意清洁是十分必要的。意清洁是十分必要的。金属的腐蚀金属的腐蚀铜晶界的腐蚀铜晶界的腐蚀6 6电和磁的干扰电和磁的干扰 电和磁可以通过电路和磁路对传感器系统产生干电和磁可以通过电路和磁路对传感器系统产生干扰作用；扰作用；闪电是很强的闪电是很强的电磁干扰信号电磁干扰信号电焊也是很强的电焊也

32、是很强的电磁干扰信号源电磁干扰信号源 电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电压，从而影响传感器系统的正常工作。这种电和磁电压，从而影响传感器系统的正常工作。这种电和磁的干扰对于传感器系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰对于传感器系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰，因此，必须认真对待。的干扰，因此，必须认真对待。7 7射线辐射的干扰射线辐射的干扰 射线会使气体电离，半射线会使气体电离，半导体激发电子导体激发电子-空穴对，金空穴对，金属逸出电子，等等，因而用属逸出电子，等等，因而用于原子能、核装置等领域内于原子能、核装置等领域内的传感器系统，尤其要

33、注意的传感器系统，尤其要注意射线辐射对传感器系统的干射线辐射对传感器系统的干扰。射线辐射的防护是一门扰。射线辐射的防护是一门专门技术，可参阅有关书籍。专门技术，可参阅有关书籍。切尔诺贝利核泄漏事切尔诺贝利核泄漏事故现场的资料照片故现场的资料照片 受到核污染的患者受到核污染的患者 宇宙中超大质量的黑洞天体发宇宙中超大质量的黑洞天体发生高能离子辐射时的效果图生高能离子辐射时的效果图 用于原子能、核装置等领用于原子能、核装置等领域内的传感器系统，尤其要注域内的传感器系统，尤其要注意射线辐射对传感器系统的干意射线辐射对传感器系统的干扰。扰。10.2.2 10.2.2 信噪比和电磁兼容性信噪比和电磁兼容

34、性1.1.信噪比信噪比 各种干扰在传感器系统的输出端往往反映为一些各种干扰在传感器系统的输出端往往反映为一些与检测量无关的电信号，这些无用的信号称为噪声。与检测量无关的电信号，这些无用的信号称为噪声。当噪声电压使检测电路元件无法正常工作时，该噪声当噪声电压使检测电路元件无法正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压。噪声对检测装置的影响必须与电压就称为干扰电压。噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。有用信号共同分析才有意义。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（S SN N）来表示，它是指在信号通道中，有用信号功率来表示，它是指在信号通道中，有用信号功

35、率P PS S与噪与噪声功率声功率P PN N之比，或有用信号电压之比，或有用信号电压U US S与噪声电压与噪声电压U UN N之比。之比。它表示噪声对有用信号影响的大小。信噪比常用对数它表示噪声对有用信号影响的大小。信噪比常用对数形式来表示，单位：分贝（形式来表示，单位：分贝（dBdB），即），即（1010 1 1）由上式可知，信噪比越大，表示噪声测量结果的由上式可知，信噪比越大，表示噪声测量结果的影响越小，在测量过程中应尽量提高信噪比。影响越小，在测量过程中应尽量提高信噪比。2 2电磁兼容性电磁兼容性 随着科学技术、生产力的发展，高频、宽带、大随着科学技术、生产力的发展，高频、宽带、大功

36、率的电气设备几乎遍布地球的所有角落，随之而来功率的电气设备几乎遍布地球的所有角落，随之而来的电磁干扰也越来越严重地影响检测系统的正常工作。的电磁干扰也越来越严重地影响检测系统的正常工作。在前述干扰源中电磁干扰是最普遍和最难解决的干扰在前述干扰源中电磁干扰是最普遍和最难解决的干扰因素。因素。对于检测系统来说，主要考虑在恶劣的电磁干扰对于检测系统来说，主要考虑在恶劣的电磁干扰环境中系统必须能正常工作，并能取得精度等级范围环境中系统必须能正常工作，并能取得精度等级范围内的正确测量结果，即提高信噪比。为此在内的正确测量结果，即提高信噪比。为此在2020世纪世纪4040年代人们提出了电磁兼容性的概念，但

37、直到年代人们提出了电磁兼容性的概念，但直到2020世纪世纪7070年代人们才越来越强调对电子设备、检测控制系统的年代人们才越来越强调对电子设备、检测控制系统的电磁兼容性问题。所谓电磁兼容是指电子设备在规定电磁兼容性问题。所谓电磁兼容是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰信号。通俗地说，电磁兼容是指允许范围的电磁干扰信号。通俗地说，电磁兼容是指电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常工作的能力，电子系统在规定的电磁干扰环

38、境中能正常工作的能力，而且还不允许产生超过规定的电磁干扰信号。而且还不允许产生超过规定的电磁干扰信号。电磁干扰源可分为自然界干扰源和人为干扰源。电磁干扰源可分为自然界干扰源和人为干扰源。自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的雷电噪声等。人为干太阳耀斑辐射噪声以及大气层的雷电噪声等。人为干扰源又分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。前者扰源又分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。前者如广播、电视、通信雷达和导航等无线电设备，后者如广播、电视、通信雷达和导航等无线电设备，后者是各种工业、交通、医疗、家电、办公设备在完成自是各

39、种工业、交通、医疗、家电、办公设备在完成自身任务的同时，附带产生的电磁能量辐射。身任务的同时，附带产生的电磁能量辐射。检测系统的电磁干扰可以来自系统外部，也可以检测系统的电磁干扰可以来自系统外部，也可以来自系统内部的元器件、电路、装置等。为了提高检来自系统内部的元器件、电路、装置等。为了提高检测系统的电磁兼容性，必须了解电磁干扰的途径、防测系统的电磁兼容性，必须了解电磁干扰的途径、防护措施以及抗电磁干扰的有关技术。护措施以及抗电磁干扰的有关技术。10.2.3 10.2.3 电磁干扰的途径电磁干扰的途径 电磁干扰必须通过一定的途径侵入传感器装置才电磁干扰必须通过一定的途径侵入传感器装置才会对测量

40、结果造成影响，因此有必要讨论电磁干扰的会对测量结果造成影响，因此有必要讨论电磁干扰的途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干扰。电磁干扰的途径有扰。电磁干扰的途径有“路路”和和“场场”两种形式。凡两种形式。凡电磁噪声通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属电磁噪声通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属于于“路路”的干扰，如通过漏电流、共阻抗耦合等引入的干扰，如通过漏电流、共阻抗耦合等引入的干扰；凡电磁噪声通过电场、磁场的形式作用于被的干扰；凡电磁噪声通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的，都属于干扰对象的，都属于“场场”的干扰，如通过分布电容、

41、的干扰，如通过分布电容、分布互感等引入的干扰。分布互感等引入的干扰。1 1通过通过“路路”的干扰的干扰1 1）漏电流耦合形成的干扰）漏电流耦合形成的干扰 漏电流耦合形成的干扰是由于绝缘不良，由流经漏电流耦合形成的干扰是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。漏电流耦合干绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。漏电流耦合干扰经常发生在下列情况下：扰经常发生在下列情况下：（1 1）当用传感器测量较高的直流电压时；）当用传感器测量较高的直流电压时；（2 2）在传感器附近有较高的直流电压源时；）在传感器附近有较高的直流电压源时；（3 3）在高输入阻抗的直流放大电路中。）在高输入阻抗的直流放大电

42、路中。2 2）传导耦合形成的干扰）传导耦合形成的干扰 噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而造成干扰。传导耦合的主要现象是噪线传送到电路而造成干扰。传导耦合的主要现象是噪声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在生声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在生产现场的分布，实际上构成了一个吸收各种噪声的网产现场的分布，实际上构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声可十分方便地以电路传导的形式传到各处，络，噪声可十分方便地以电路传导的形式传到各处

43、，并经过电源引线进入各种电子装置，造成干扰。并经过电源引线进入各种电子装置，造成干扰。3 3）共阻抗耦合形成的干扰）共阻抗耦合形成的干扰 共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，当一个电共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，当一个电路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另一个电路上路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。例如，几个电路由同一个电源供电时，产生干扰电压。例如，几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰，在放大器中，各放大级通会通过电源内阻互相干扰，在放大器中，各放大级通过接地线电阻互相干扰。过接地线电阻互相干扰。2 2通过通过“场场”的干扰的干扰1 1）静电耦合形成

44、的干扰）静电耦合形成的干扰 电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。当有几个噪声源同时经静电耦合干扰到另一个电路。当有几个噪声源同时经静电耦合干扰同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以使用叠同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以使用叠加原理分别对冬噪声源干扰进行分析。加原理分别对冬噪声源干扰进行分析。2 2）电磁耦合形成的干扰）电磁耦合形成的干扰 电磁耦合又称互感耦合，它是在两个电路之间存电磁耦合又称互感耦合，它是在两个电路之间存在互感，一个

45、电路的电流变化，通过磁交链会影响到在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。例如，在传感器内部，线圈或变压器的另一个电路。例如，在传感器内部，线圈或变压器的漏磁是对邻近电路的漏磁是对邻近电路的种很严重干扰；在电子装置种很严重干扰；在电子装置外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁耦合干扰。产生电磁耦合干扰。3 3）辐射电磁场耦合形成的干扰）辐射电磁场耦合形成的干扰 辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台和电视发射台等。如果在辐射电磁场中放置播发射台和电视发射台等。如

46、果在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度的感应电一个导体，则在导体上产生正比于电场强度的感应电动势。动势。输配电线路，特别是架空输配电线路都将在辐射输配电线路，特别是架空输配电线路都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并通过供电线路侵入传电磁场中感应出干扰电动势，并通过供电线路侵入传感器，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁感器，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能场中，传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。例如，当中波广播发射的垂感应出较大的干扰电势。例如，当中波广播发射的垂直极化波的强度为直极化波

47、的强度为100mV100mVm m，长度为，长度为10cm10cm的垂直导体的垂直导体可以产生可以产生5mV5mV的感应电动势。的感应电动势。10.2.4 10.2.4 抑制电磁干扰的基本措施抑制电磁干扰的基本措施 电磁干扰的形成必须同时具备三个要素，即干扰电磁干扰的形成必须同时具备三个要素，即干扰源、干扰途径以及对电磁噪声敏感性较高的接收电路源、干扰途径以及对电磁噪声敏感性较高的接收电路检测装置的前级电路。三者之间的关系如图检测装置的前级电路。三者之间的关系如图10 10 4 4所示。所示。要想抑制电磁干扰，首先应对电磁干扰有全面而要想抑制电磁干扰，首先应对电磁干扰有全面而深入的了解，然后从

48、形成电磁干扰的三要素出发，在深入的了解，然后从形成电磁干扰的三要素出发，在三个方面采取措施。三个方面采取措施。1.1.消除或抑制干扰源消除或抑制干扰源 消除干扰源乃是积极主动的措施，继电器、接触消除干扰源乃是积极主动的措施，继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。接插件接触不的干扰源，可以采取触点消弧电容等。接插件接触不良，电路接头松脱、虚焊等也是造成干扰的原因，对良，电路接头松脱、虚焊等也是造成干扰的原因，对于这类可以消除的干扰源要尽可能消除。于这类可以消除的干扰源要尽可能消除。图图10 10

49、4 4 形成电磁干扰的三要素之间的联系形成电磁干扰的三要素之间的联系干干 扰扰 源源干干 扰扰 途途 径径接接 收收 电电 路路 对难于消除或不能消除的干扰源，例如，某些自对难于消除或不能消除的干扰源，例如，某些自然现象的干扰、邻近工厂的用电设备的干扰等，就必然现象的干扰、邻近工厂的用电设备的干扰等，就必须采取防护措施来抑制干扰源。须采取防护措施来抑制干扰源。2 2破坏干扰途径破坏干扰途径（1 1）对于以）对于以“路路”的形式侵入的干扰，可以采取提的形式侵入的干扰，可以采取提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压器、光电耦合器等切断地环路干

50、扰途径，引用滤波器、器、光电耦合器等切断地环路干扰途径，引用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；改变接地形式以消扼流圈等技术，将干扰信号除去；改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等；对于数字信号可采用整形、限除共阻抗耦合干扰等；对于数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径。幅等信号处理方法切断干扰途径。（2 2）对于以）对于以“场场”的形式侵入的干扰，一般采取各的形式侵入的干扰，一般采取各种屏蔽措施。种屏蔽措施。3 3削弱接收电路对电磁干扰的敏感性削弱接收电路对电磁干扰的敏感性 根据经验，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易根据经验，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易受干扰；布局松散的电子装