过程控制仪表第7章检测电路、检测算法及抗干扰技术

1、1 8 检测电路、检测算法 及抗干扰技术 8.1 检测电路设计检测电路设计 8.2 检测算法检测算法 8.3 检测系统抗干扰技术检测系统抗干扰技术 2 8.1 检测电路设计 1）信号放大电路）信号放大电路 2）信号变换电路）信号变换电路 3）信号分离电路（滤波）信号分离电路（滤波） 4）信号调制电路）信号调制电路 3 8.2 检测算法 1） 数字滤波技术数字滤波技术 2） 克服系统误差的软件算法克服系统误差的软件算法 3） 量程自动切换及标度变换量程自动切换及标度变换 4 8.3 检测系统抗干扰设计 1） 干扰的类型及产生干扰的类型及产生 2） 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 3） 其他

2、抑制干扰的措施其他抑制干扰的措施 5 8.1 检测电路设计 1）信号放大电路 标准电信号：标准电信号： 420mA ，1 5V 其它标准电压、电流信号其它标准电压、电流信号 方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析 电压、电势、电位电压、电势、电位 电流、电荷电流、电荷 电阻、电容、电感电阻、电容、电感 光、磁信号光、磁信号 信号放大的目的：信号放大的目的： 传感器直接输出的信号：传感器直接输出的信号： 6 放大电路的主要类型 比例放大器比例放大器：通用型：通用型 差动放大器差动放大器：电势、电位式传感器：电势、电位式传感器 电桥放大电路电桥放大电路

3、：电阻应变、电感、差动变压器、电容式传感器：电阻应变、电感、差动变压器、电容式传感器 电荷放大器电荷放大器：电荷式传感器：电荷式传感器 仪用放大器仪用放大器：电位差、电势差：电位差、电势差 隔离放大电路隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电：噪声隔离、光电、磁电、电容容 7 同相比例放大电路 同相比例放大器是指输出信号与输入信号相比，同相比例放大器是指输出信号与输入信号相比， 相位相同相位相同，幅值成一定比例。，幅值成一定比例。 增益增益 输入阻抗输入阻抗 u12 A1R /R (1) ii rrAF 2 12 1/ u R FA RR 其中其中： A为运放的开环增益；为运放的开环增益； F为

4、电路的反馈系数；为电路的反馈系数； ri为运放的开环输入阻抗。为运放的开环输入阻抗。 8 反相比例放大电路 反相比例放大器是指输出信号与输入信号相反相比例放大器是指输出信号与输入信号相 比，比，相位相反相位相反，幅值成一定比例。，幅值成一定比例。 u1 A/ f RR 9 交流电压跟随电路 交流电压跟随电交流电压跟随电 路是同相放大电路的路是同相放大电路的 特例。为减小失调电特例。为减小失调电 流，常取流，常取R R3 3=R=R2 2 10 差动放大电路 n差动放大是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相差动放大是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相 端和反相端，然后在输出端取出二个信

5、号的差模成分，而端和反相端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而 尽量抑制二个信号的共模成分。尽量抑制二个信号的共模成分。 n特点：提高电路共模抑制比，减小温漂。特点：提高电路共模抑制比，减小温漂。 11 21 22 () OS RR UUUU RR 11 R VVV R VO R VV BF FFi ) 2 1 ( 01 R VV R VV R VO BTTST 而而 VTVF 则则 V01 = 2（Vi VS） 可列出两输入节点的电流方程：可列出两输入节点的电流方程： DDZ-调节器的输入电路调节器的输入电路 12 电桥放大电路 n 特点： 灵敏度高； 线性好； 测量范围宽； 容易实现温

6、度补偿。 直流电桥（电阻应变式测力称重传感器） 交流电桥（电感式、差动变压器式、电容 式传感器） n 分类： 13 直流电桥 直流电桥的桥臂为纯电阻，如图所示，图中直流电桥的桥臂为纯电阻，如图所示，图中UB为电桥电源电压。为电桥电源电压。 电桥输出接运放输入端，电桥的平衡条件为：电桥输出接运放输入端，电桥的平衡条件为：R1R4=R2R3 。 电桥输出为：电桥输出为： uO UB +- R1 R2 R3 R4 )( 4321 3241 21 2 43 4 RRRR RRRR UU RR R U RR R u BBBO () ()() oB R RRRd R uU RRRRd R 4 B UdR

7、R 令令 R1=R2=R3=R，R4=R+dR（单臂工作）有（单臂工作）有： 14 交流电桥 i 1 3241324 z zz z 和 1324132413312442 R RR RX XX XR XR XR XR X和 2413 1234 ()() os Z ZZ Z uu ZZZZ 或或 交流电桥的结构与工作原理和直流电桥基本相同。不同的是输入交流电桥的结构与工作原理和直流电桥基本相同。不同的是输入 输出为交流，其平衡条件应为输出为交流，其平衡条件应为Z1Z3=Z2Z4 由于由于 式中式中Ri、Xi为各桥臂电阻和电抗；为各桥臂电阻和电抗； zi、 为各桥臂复阻抗的模和辐角。为各桥臂复阻抗的

8、模和辐角。 因此，式中的平衡条件必须同时满足因此，式中的平衡条件必须同时满足： 输出输出 (1,2,3,4) i j iii ZRjXzei 15 电荷放大电路 n特点特点：把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，：把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源， 实现阻抗匹配，并使其输出电压与电荷成正比。实现阻抗匹配，并使其输出电压与电荷成正比。 n电荷放大电路可用于电荷放大电路可用于压电式传感器、压电式传感器、CCD传感器传感器 图（图（b）电荷放大器等效电路）电荷放大器等效电路图（图（a）电荷放大器电路原理框图）电荷放大器电路原理框图 f AQ Uo ACC （1+ ）+

9、 aei +CC C C输出回路电容 16 仪用放大器 仪用放大器又称仪用放大器又称测量放大器测量放大器，为抑制共模输入电压与增益调节和阻抗匹配之间互，为抑制共模输入电压与增益调节和阻抗匹配之间互 相牵连和矛盾而设计，电路如图所示。相牵连和矛盾而设计，电路如图所示。 左边部分由左边部分由运放运放A1、A2构成同相放大器，右边部分由运算放大器构成同相放大器，右边部分由运算放大器A3和电阻和电阻R3R6 组成减法器。设组成减法器。设R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，则有则有 IgO uRRu）（/21 仪用放大器仅仪用放大器仅调调Rg即可调整放大器即可调整放大器 增益，不需多电位器联动，不影

10、响电路增益，不需多电位器联动，不影响电路 的对称性，输入阻抗高、对称性好、共的对称性，输入阻抗高、对称性好、共 模抑制比高、增益设定调整方便，模抑制比高、增益设定调整方便，适用适用 于电势差、电位差输出型传感器。于电势差、电位差输出型传感器。 uI1 uI2 uI A1 A2 A3uO R1 R2 R3 R4 R5 R6 + - A B Rg iG 对称同相放大器减法器 17 隔离放大器 隔离放大器能在输入与输出信号之间保持隔离放大器能在输入与输出信号之间保持电气隔离电气隔离的同时，实现输的同时，实现输 出与输入电压的线性传输。其组成及符号如下图所示。隔离放大器出与输入电压的线性传输。其组成及

11、符号如下图所示。隔离放大器主要主要 用于噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号，适合于电感式、用于噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号，适合于电感式、 磁电式、电涡流式、光电式、霍尔式等传感器的信号调理与放大。磁电式、电涡流式、光电式、霍尔式等传感器的信号调理与放大。 18 隔离放大器 n 隔离的媒介隔离的媒介主要有主要有电磁电磁隔离（变压器隔离）、隔离（变压器隔离）、光电光电隔离隔离 和和电容电容隔离。隔离。 a）变压器隔离放大器原理框图b）光电隔离放大器原理框图 19 n变压器隔离放大器变压器隔离放大器：因变压器体积大，成本高，功耗：因变压器体积大，成本高，功耗 大，无法集成，使

12、器件价格高，体积大，一般为非标准大，无法集成，使器件价格高，体积大，一般为非标准 集成电路封装；但一般把隔离电源也固化在器件内，甚集成电路封装；但一般把隔离电源也固化在器件内，甚 至可实现三端隔离，且通过引脚将电源输出，可外接负至可实现三端隔离，且通过引脚将电源输出，可外接负 载，不需另配隔离载，不需另配隔离DC-DC变换器，使用方便。变换器，使用方便。 n光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器：全由半导体器件构成，便于集：全由半导体器件构成，便于集 成，成本低，体积小，性能稳定，不需外接任何器件，成，成本低，体积小，性能稳定，不需外接任何器件， 使用方便。但器件本身不带隔离电源，需另接隔离使用

13、方便。但器件本身不带隔离电源，需另接隔离DC- DC变换器。变换器。 n电容耦合隔离放大器电容耦合隔离放大器：引出线少，使用方便，但需使：引出线少，使用方便，但需使 用调制解调技术，频带宽度不及光电耦合型隔离放大用调制解调技术，频带宽度不及光电耦合型隔离放大 器。器。 三种隔离放大器的特点 20 2） 信号变换电路 n 电压电压- -电流转换电路电流转换电路 n 交流交流- -直流转换电路直流转换电路 n 电压电压- -频率转换电路频率转换电路 n 电压电压- -脉宽转换电路脉宽转换电路 21 电压-电流转换电路 在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、在成套仪表和计算机测控系统中，传

14、感器和仪表之间、 仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即1-5V直流电压直流电压 或或4-20mA直流电流。直流电流。 在传感器测量系统中，常用电压在传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、电流转换电路进行电压、 电流信号间的转换。例如，在电流信号间的转换。例如，在远距离测量远距离测量中，把电压信号转换中，把电压信号转换 成电流传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。测电流信号成电流传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。测电流信号 时，先将电流信号转换成电压，再由数字电压表测量，或经时，先将电流信号转换成电压，再由数字电压表测量，或经 A/

15、D转换后由计算机测控。转换后由计算机测控。 22 电压-电流(V/I)变换 输出负载中的电流正比于输入电压的电路，称为电压输出负载中的电流正比于输入电压的电路，称为电压- -电电 流变换器。流变换器。 （1）浮地负载的浮地负载的V-I变换电路变换电路 一个简单的一个简单的V-I变换电路如变换电路如 图图(1)所示。流过所示。流过RL两端的电流与两端的电流与 输入电压的关系为输入电压的关系为 i o 1w U I R +R 图图(1) 简单的简单的V-I变换器电路变换器电路 23 U/ I 转换电路 图图(2) 带三极管驱动的带三极管驱动的V-I变换器电路变换器电路 由上式可知，调节由上式可知，

16、调节R Rw w可改可改 变输入电压与输出电流之间的变输入电压与输出电流之间的 变换系数。变换系数。 为为降低降低运算放大器运算放大器功耗功耗， 扩大输出电流，在运算放大器扩大输出电流，在运算放大器 的输出端可加一个三极管驱动的输出端可加一个三极管驱动 电路，如图电路，如图(2)(2)所示。所示。 24 接地负载V-I变换电路 图图(3)中中Al为同相加法器，为同相加法器，A2为跟随器，所以为跟随器，所以 V02=VL=ILRL A1的同相端电压为：的同相端电压为： V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4) A1的同相端电压经放大后输出为：的同相端电压经放大后输出为： Vo

17、l=V+(R1+R2)/R1=ILR5+ILRL 选择元件参数值满足：选择元件参数值满足： R3(Rl+R2)Rl(R3+R4)， 可得负载中的电流可得负载中的电流IL与负载与负载RL无关。无关。 为此选取为此选取R3R1，R4R2，则输出负载中的电流为：，则输出负载中的电流为： IL=ViR2/(R1R5) 图图(3)接地负载的接地负载的V-I变换电路变换电路 25 差动式V-I变换电路 图图a：理想条件下：理想条件下：V-=V+=Vi2，RL中的电流：中的电流：IL=(Vi1-Vi2)/R1 图图b：若满足条件：若满足条件：R3/R5=R1/(R2+R4)，则浮地负载中的总电流为：，则浮地

18、负载中的总电流为： IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4) 图图c：负载中的电流为：负载中的电流为IL=I3-I4， ，为使负载的电流与 为使负载的电流与RL无关，电阻选无关，电阻选 择须满足：择须满足：R1R4=R2R3， ，相应的接地负载电流为： 相应的接地负载电流为：IL=(Vi2-Vil)/R3 a） b） c） 图(4)差动式V-I变换电路 26 电流-电压转换电路 在远程监控中，电流信号常常经长距离导线传送到数据采集接口，在远程监控中，电流信号常常经长距离导线传送到数据采集接口， 需需I-V比例转换后再进行比例转换后再进行A/D转换转换。如图。如图(5

19、)所示。所示。 最简单的电流最简单的电流-电压变换电路如图电压变换电路如图(6)所示。常用高输入阻抗运放组成所示。常用高输入阻抗运放组成 电流电流-电压变换电路，一种简单的方案如图电压变换电路，一种简单的方案如图(7)所示。所示。 oi UI R 图(5) 图(6)图(7) 27 交流-直流变换电路 把交流电压变换成直流电压亦称把交流电压变换成直流电压亦称AC-DC变换。图变换。图(10)是使用是使用 二极管的整流电路，利用半波整流把交流电变成直流电。二极管的整流电路，利用半波整流把交流电变成直流电。 从图从图(11)所示硅二极管的正向伏安特性可知，用硅二极管做半所示硅二极管的正向伏安特性可知

20、，用硅二极管做半 波整流时，若波整流时，若Um mXm。 。 sm uU cos() c wmx t （4） 67 调频信号的波形 x t O O t us a) 调制信号调制信号 b) 调频信号调频信号 调频信号的波形调频信号的波形 68 n优点优点：抗干扰能力强。：抗干扰能力强。 调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，调频信号所携带的信息包含在频率变化之中， 并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表 现在振幅之中现在振幅之中。 n缺点缺点：占频带宽度大，复杂。：占频带宽度大，复杂。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要调频波通常要求很宽的频带，

21、甚至为调幅所要 求带宽的求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，倍；调频系统较之调幅系统复杂， 因为频率调制是一种非线性调制。因为频率调制是一种非线性调制。 调频调制的特点 69 传感器调频电路实例 n与调幅情况一样，为提高测量信号抗干扰能力，常要求信号形成与调幅情况一样，为提高测量信号抗干扰能力，常要求信号形成 时已是已调信号。因此，常在传感器中进行调频。时已是已调信号。因此，常在传感器中进行调频。 测力或压力的振弦式传感器测力或压力的振弦式传感器 n实例实例：测力或压力的振弦式传感器：测力或压力的振弦式传感器 n振弦振弦3的一端与支承的一端与支承4相连，另一端与相连，另一端与 膜片膜片1

22、连接，振弦连接，振弦3的固有频率随张力的固有频率随张力 T变化变化。振弦变化变化。振弦3在磁铁在磁铁2形成的磁形成的磁 场内振动时产生感应电动势，其输出场内振动时产生感应电动势，其输出 为调频信号。为调频信号。 70 调相鉴相电路 n调相调相：利用：利用调制信号调制信号x控制高频载波信号的相位。控制高频载波信号的相位。 n常用方法：常用方法：线性线性调相，即使得被调相信号的相位按调制调相，即使得被调相信号的相位按调制 信号信号x的线性函数变化。的线性函数变化。 n调相信号调相信号us的一般的一般表达式表达式： us=Umcos(wc t +mx) 式中，式中，wc为载波信号的角频率；为载波信号

23、的角频率；Um为调相信号中载波为调相信号中载波 信号的幅度；信号的幅度；m为调制度。为调制度。 71 a) b) c) t x O t t uc us O O 调相信号的波形 调相信号的波形调相信号的波形 a）调制信号；）调制信号；b）载波信号；）载波信号；c）调相信号）调相信号 72 n同调幅、调频的情况一样，为提高测量信号抗干扰能力，常要求同调幅、调频的情况一样，为提高测量信号抗干扰能力，常要求 从信号刚一形成就已经是已调信号，因此常在传感器中进行调制。从信号刚一形成就已经是已调信号，因此常在传感器中进行调制。 n实例实例：感应式扭距传感器感应式扭距传感器 1 3 2 4 5 M 传感器调

24、相电路实例 感应式扭距传感器感应式扭距传感器 73 n影响鉴相影响鉴相误差误差的主要的主要因素因素：非线性、信号幅值、占空比、门电路：非线性、信号幅值、占空比、门电路 与时钟脉冲频率等。与时钟脉冲频率等。 n RS触发器触发器鉴相精度最高，线性好，对鉴相精度最高，线性好，对Us和和Uc的占空比没有要求。的占空比没有要求。 鉴鉴 相范围接近相范围接近2 ； n 相敏检波器相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。 鉴相范围为鉴相范围为 /2 ； n脉冲采样脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差

25、。鉴相范围接近鉴相范围接近2 ； n异或门异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为鉴相范围为0 ； n通过通过相位相位 - 脉宽变换脉宽变换鉴相：门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对鉴相：门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对 精度有影响，但一般误差较小。精度有影响，但一般误差较小。 各种鉴相方法及其比较 74 n脉冲调制脉冲调制指用脉冲作为载波信号的调制方法。指用脉冲作为载波信号的调制方法。 n在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。 n脉冲调宽脉冲调宽的数学表达式为：的数学表达式为：B=b+mx， n波形图：波形

26、图： 脉冲调制电路 U a) 调制信号调制信号 b) 脉冲调宽信号脉冲调宽信号 t x O x T B t O 脉冲调宽信号的波形脉冲调宽信号的波形 75 用电压变化实现脉宽调制的电路 电压调宽电压调宽 uC u R3R4 C R2 R R1 ux VS uo u+ - + + N 用电压变化实现脉宽调制的电路用电压变化实现脉宽调制的电路 43 43 4 x 3 o RR RR R u R u u )( ux为正使为正使u+升高。升高。u+升高升高 使使uo处于高电平的脉宽加大，处于高电平的脉宽加大， uo处于低电平的时间缩短；处于低电平的时间缩短； u+下降，使下降，使uo处于低电平处于低电

27、平 的脉宽加大，的脉宽加大，uo处于高电平的脉处于高电平的脉 宽减小，使脉宽受到调制。宽减小，使脉宽受到调制。 76 8.2 检测算法 1） 数字滤波技术数字滤波技术 2） 克服系统误差的软件算法克服系统误差的软件算法 3） 量程自动切换及标度变换量程自动切换及标度变换 77 1）数字滤波技术数字滤波技术 n优点优点： （1）不需增加硬件，只是一个计算程序，）不需增加硬件，只是一个计算程序，可靠性可靠性高，高， 数字滤波可对频率很高或很低的信号滤波；数字滤波可对频率很高或很低的信号滤波； （2）用软件算法实现，可以使多个输入通道共享一个）用软件算法实现，可以使多个输入通道共享一个 软件软件“滤

28、波器滤波器”，降低硬件，降低硬件成本成本； （3）改变软件滤波器程序和参数，即可改变滤波特）改变软件滤波器程序和参数，即可改变滤波特 性，对于抑制低频脉冲干扰、随机噪声特别有效。性，对于抑制低频脉冲干扰、随机噪声特别有效。 n不足不足：需要计算时间：需要计算时间 78 数字滤波方法 n程序判断滤波（限幅滤波）程序判断滤波（限幅滤波） n中（位）值滤波法中（位）值滤波法 n算术平均滤波法算术平均滤波法 n递推平均滤波法递推平均滤波法 n加权递推平均滤波法加权递推平均滤波法 n一阶惯性滤波法一阶惯性滤波法 n复合滤波法复合滤波法 79 程序判断滤波（限幅滤波） 程序判断滤波算法程序判断滤波算法：

29、: 相邻两个采样值之差的最大可能变化范围相邻两个采样值之差的最大可能变化范围 211 1 2 nnnnn nn nnn yyyyya yya yyy 或 n程序判断滤波又称限幅滤波，很容易用程序判断方法实现。程序判断滤波又称限幅滤波，很容易用程序判断方法实现。 n过程的动态特性决定其输出参数的变化速度，可根据检测实过程的动态特性决定其输出参数的变化速度，可根据检测实 践经验或按参数可能的最大变化速度践经验或按参数可能的最大变化速度Vmax及采样周期及采样周期T来决定来决定 值，即：值，即： =TVmax 80 对某一被测参数连续采样对某一被测参数连续采样n次次(一般一般n取奇数取奇数)，把，把

30、n次采样值按大小次采样值按大小 排队，取中间值作为本次有效采样值。排队，取中间值作为本次有效采样值。 对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此算法能收到良好滤波效对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此算法能收到良好滤波效 果，能有效抑制脉冲干扰，但对于压力等快变参数一般不宜采用。果，能有效抑制脉冲干扰，但对于压力等快变参数一般不宜采用。 中（位）值滤波法：中（位）值滤波法： 连续取几个采样值进行算术平均，其数学表达式为连续取几个采样值进行算术平均，其数学表达式为 N i i y N y 1 1 算术平均滤波法：算术平均滤波法： 适用于一般有随机干扰的信号的滤波，对信号的平滑程度完全取适用于一般有

31、随机干扰的信号的滤波，对信号的平滑程度完全取 决于决于N。N大，平滑度高，灵敏度低；大，平滑度高，灵敏度低；N小，平滑度低，灵敏度高。小，平滑度低，灵敏度高。 中值滤波法与算术平均滤波法 81 只需一次测量，就能得到当前算术平均滤波值。此方法是把只需一次测量，就能得到当前算术平均滤波值。此方法是把N个测个测 量数据看成一个队列。计算滤波值时，只要把队列中的量数据看成一个队列。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算个数据进行算 术平均，就得到新的滤波值。术平均，就得到新的滤波值。 递推平均滤波法：递推平均滤波法： 1 0 1 N i inn y N y 加权递推平均滤波法：加权递推平均滤波法

32、： 1 0 1 N i inin yC N y 0 1 110 110 N N CCC CCC 其中其中 设设 为对象的纯滞后时间，且为对象的纯滞后时间，且 )1(2 1 N eee )1( 110 , 1 N N e C e CC则则 递推平均滤波与加权递推平均滤波 82 以数字形式通过算法实现一阶惯性（动态）以数字形式通过算法实现一阶惯性（动态）RC滤波，能很好地克滤波，能很好地克 服上述模拟滤波器的缺点。适用于波动频繁的参数滤波，但带来了相服上述模拟滤波器的缺点。适用于波动频繁的参数滤波，但带来了相 位滞后位滞后(取决于取决于a值值)，灵敏度低。，灵敏度低。 一阶惯性滤波法：一阶惯性滤波

33、法： 复合滤波法：复合滤波法： 如果如果yly2yn，其中，其中，3n14 (y1和和yn分别是采样值中的最小分别是采样值中的最小 值和最大值值和最大值)，则，则 1 )1 ( nnn yayay )/(TTTa ff ，其中其中 不能滤除频率高于采样频率二分之一不能滤除频率高于采样频率二分之一(奈奎斯特频率奈奎斯特频率)的干扰信号。的干扰信号。 高于奈奎斯特频率的干扰信号，应采用模拟滤波器。高于奈奎斯特频率的干扰信号，应采用模拟滤波器。 )2/()( 132 nyyyy nn 一阶惯性滤波法与复合滤波法 a由实验定，只要使被测信号不产生明显纹波。由实验定，只要使被测信号不产生明显纹波。 ，T

34、f为滤波时间常数，为滤波时间常数， T为为采样周期采样周期 83 校正系统误差的关键是建立误差模型。多数情况下误差模型未知， 只能通过测量数据建立反映测量值变化的近似数学模型，即校正模型。 系统误差的模型校正法（非线性校正）系统误差的模型校正法（非线性校正） 2）克服系统误差的软件算法 代数插值法：代数插值法： 设有n+1组离散点：(x0，y0)，(xl，y1)，(xn，yn)，x a，b和未 知函数f(x)，并有 f(x0)=y0 f(x1)=y1 f(xn)=yn，找到一个函数g(x)，使 g(x)在xi(i=0，n)处与f(xi)相等。满足这个条件的函数g(x)，称为f(x)的 插值函数

35、，xi称为插值节点。 用一个次数不超过n的代数多 项式 Pn(x)=anxn+an-1xn-1+ +a1x+a0 去逼近f(x)，使Pn(x)在节点xi处满足 Pn(xi) = f(xi) = yi i=0,2, ,n nn n nn n nn n n n n n n n n yaxaxaxa yaxaxaxa yaxaxaxa 01 1 1011 1 00 0001 1 010 84 通常给出离散点总是多于求解插值方程所需的离散数，因通常给出离散点总是多于求解插值方程所需的离散数，因 此，用多项式插值法求解离散点的插值函数时，先必须根据所此，用多项式插值法求解离散点的插值函数时，先必须根据所

36、 需的逼近精度决定多项式次数，该次数与所要逼近的函数有关需的逼近精度决定多项式次数，该次数与所要逼近的函数有关 。一般最常用。一般最常用线性插值线性插值和和抛物线抛物线(二次二次)插值插值。 线性插值：线性插值： 在一组数据在一组数据(xi , yi )中选取两个具有代表性的点中选取两个具有代表性的点(x0 , y0), (x1 , y1)， 然后根据插值原理求出插值方程：然后根据插值原理求出插值方程： 011 01 0 0 10 1 1 axay xx xx y xx xx P 0100 01 01 1 ,xaya xx yy a 其其 中中 线性插值 85 非线性特性的直线方程校正图非线性

37、特性的直线方程校正图 实际测量中，每采样一个值，就用校正方程计算实际测量中，每采样一个值，就用校正方程计算P1 (x)，并把，并把P1 (x)当当 做被测量值的校正值。做被测量值的校正值。 当当(x0 , y0)、(x1 , y1)为非线性特性曲线为非线性特性曲线f (x)或数组的两端点或数组的两端点A、B时，时， 如图所示，线性插值是常用的直线方程校正法如图所示，线性插值是常用的直线方程校正法(端点连线法端点连线法)。当拟合。当拟合 误差小于允许的拟合误差时，则直线方程是理想的校正方程。误差小于允许的拟合误差时，则直线方程是理想的校正方程。 线性插值 86 抛物线插值是在数据中选取三点抛物线

38、插值是在数据中选取三点(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，相，相 应的插值方程为：应的插值方程为： 2 1202 10 1 2101 20 0 2010 21 2 )( )( )( )( )( )( )(y xxxx xxxx y xxxx xxxx y xxxx xxxx xP 抛物线插值 87 当很难建立合适的误差校正模型时，可用实验手段求得校正曲线，当很难建立合适的误差校正模型时，可用实验手段求得校正曲线， 然后把曲线上的各校正点的数据以表格形式存入内存。一个校正点的数然后把曲线上的各校正点的数据以表格形式存入内存。一个校正点的数 据对应一个据对应一个(或几个或几个)内存单元

39、，以后实时测量时，通过查表来求得修正内存单元，以后实时测量时，通过查表来求得修正 后的测量结果。后的测量结果。 查表法 88 传感器、测量电路等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，这给传感器、测量电路等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，这给 整个测量系统引入零位误差和增益误差。这类误差均属系统误差。整个测量系统引入零位误差和增益误差。这类误差均属系统误差。 零位误差的校正方法：零位误差的校正方法： 在每个测量周期中或中断正常的测量过程中，使输入接地在每个测量周期中或中断正常的测量过程中，使输入接地(输入为输入为 零零)，此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出，此时包括传感器在内的

40、整个测量输入通道的输出即为零位输出 ( 一般该值不为零一般该值不为零)N0；再把输入接基准电压；再把输入接基准电压VR测得数据测得数据NR，并将，并将N0和和 NR存于内存。然后输入接存于内存。然后输入接Vx，测得，测得Nx，则测量结果可用下式计算。，则测量结果可用下式计算。 Vx =VR (Nx-N0) / (NR-N0) 即在正常测量过程中，即在正常测量过程中，每次测量后均从采样值中减去原先存入的每次测量后均从采样值中减去原先存入的 零位输出值，实现零位校正零位输出值，实现零位校正。但在对温度、流量、压力等的工业测量。但在对温度、流量、压力等的工业测量 中，很难提供零位输入状态，因此零位误

41、差很难补偿。中，很难提供零位输入状态，因此零位误差很难补偿。 系统零位误差的校正方法 89 基本思想基本思想：系统开始工作后或每隔一定时间测一次基准参数，然后建立：系统开始工作后或每隔一定时间测一次基准参数，然后建立 误差校正模型，确定并存储校正模型参数。正式测量时，根据测量结果误差校正模型，确定并存储校正模型参数。正式测量时，根据测量结果 和校正模型求取校正值，消除误差。有两种常用方法。和校正模型求取校正值，消除误差。有两种常用方法。 （1） 全自动校正全自动校正 用这种方法测得的信号与放大器的漂移和增益变化无关，可大大提高用这种方法测得的信号与放大器的漂移和增益变化无关，可大大提高 测量精

42、度，降低对电路器件的要求。测量精度，降低对电路器件的要求。 电路的输入部分有一个多路电路的输入部分有一个多路 开关，由主机控制。校正时，先开关，由主机控制。校正时，先 将开关接地，测出这时的输入将开关接地，测出这时的输入x0 。然后把开关接。然后把开关接VR，测出输入，测出输入x1 ，存放，存放x0, x1，得校正方程，得校正方程 y=a1x+a0 式中，式中，a1=VR/(x1-x0), a0=VRx0/(x0-x1)。 系统增益增益误差的校正方法1 90 （2）人工自动校正人工自动校正 由人工在需要时接入标准参数进行校正测量，存放测得的数据，由人工在需要时接入标准参数进行校正测量，存放测得

43、的数据， 供以后使用。一般人工自动校正只测一个标准信号供以后使用。一般人工自动校正只测一个标准信号yR，零位信号的补，零位信号的补 偿由数字调零完成。设数字调零后测得的数据分别为偿由数字调零完成。设数字调零后测得的数据分别为xR(接标准输入接标准输入 yR时时) 和和x (接被测输入接被测输入y时时)，则可计算出，则可计算出y。 y= yRx/xR 人工自动校正特别人工自动校正特别适于传感器特性随时间变化适于传感器特性随时间变化的场合。例如常用的场合。例如常用 的湿敏电容等湿度传感器，其特性随时间变化而变化。的湿敏电容等湿度传感器，其特性随时间变化而变化。 全自动校正只适用于基准参数是电信号的

44、场合，且不能校正由传全自动校正只适用于基准参数是电信号的场合，且不能校正由传 感器引入的误差。感器引入的误差。 系统增益增益误差的校正方法2 91 只需建立较精确的温度误差数学模型，就可实现完善的补偿。只需建立较精确的温度误差数学模型，就可实现完善的补偿。 一个可行方法是在传感器内靠近敏感元件处，安装一一个可行方法是在传感器内靠近敏感元件处，安装一测温元件测温元件，感，感 受传感器的工作环境温度。常用测温元件为受传感器的工作环境温度。常用测温元件为PN二极管、热敏电阻等，二极管、热敏电阻等， 它们的某些特性随温度变化，经测温电路、它们的某些特性随温度变化，经测温电路、A/D转换电路，转换为与温

45、转换电路，转换为与温 度有关的数字量度有关的数字量 ， 作为计算温度误差时的作为计算温度误差时的补偿量补偿量。 对某些传感器，可采用较简单的温度误差校正数学模型对某些传感器，可采用较简单的温度误差校正数学模型 yC=y(1+a0 )+a1 式中：式中：y -未经温度误差校正的测量值；未经温度误差校正的测量值； yC -经校正后的测量值；经校正后的测量值； -实验工作环境温度与标准温度之差；实验工作环境温度与标准温度之差； a0、a1-温度变化系数，温度变化系数，a1用于补偿零位漂移，用于补偿零位漂移， a0用于补偿传用于补偿传 感器灵敏度的温度变化（温漂）。感器灵敏度的温度变化（温漂）。 传感

46、器温度误差的校正方法1 92 对环境温度变化不大的场合，用上式补偿可收到比较好的效对环境温度变化不大的场合，用上式补偿可收到比较好的效 果；对于环境温度变化比较大，且补偿精度要求很高的场合，这果；对于环境温度变化比较大，且补偿精度要求很高的场合，这 种补偿会带来很大误差。为此，需采用更复杂的公式进行修正：种补偿会带来很大误差。为此，需采用更复杂的公式进行修正： yC = y(1+a0 + a1 2)+a2 +a3 2 式中，式中， a0、a1用于补偿传感器灵敏度的变化；用于补偿传感器灵敏度的变化； a2、a3用于补偿零位漂移。用于补偿零位漂移。 对于传感器的灵敏度及零漂温度呈非线性变化的情况，

47、上式对于传感器的灵敏度及零漂温度呈非线性变化的情况，上式 可收到较好的效果。可收到较好的效果。 传感器温度误差的校正方法2 93 3）量程自动切换及标度变换 量程自动切换：量程自动切换： 如果传感器和显示器的分辨率一定，而系统如果传感器和显示器的分辨率一定，而系统(仪表仪表)的测量范的测量范 围很宽，为提高测量精度，系统应具有量程自动切换功能。自动围很宽，为提高测量精度，系统应具有量程自动切换功能。自动 切换量程有采用切换量程有采用程控放大器程控放大器和和不同量程传感器不同量程传感器两条途径。两条途径。 （1）采用程控放大）采用程控放大 通过控制放大器增益，对小幅值信号用大增益，对大幅值信号小

48、幅值信号用大增益，对大幅值信号 用小增益用小增益，使A/D转换器信号满量程达到均一化，程控放大器的反 馈回路中包含一个精密梯形电阻网络或权电阻网络，使增益可按二 进制或十进制规律进行控制。 程控放大器量程切换原理图 94 量程自动切换及标度变换 （2）采用不同量程传感器）采用不同量程传感器 采用不同量程传感器进行切换的方案，由微机通过多路转换器采用不同量程传感器进行切换的方案，由微机通过多路转换器 进行切换。进行切换。1#传感器的最大测量范围为传感器的最大测量范围为M1，2#为为M2，且，且M1 M2， 设它们的满量程输出相同。设它们的满量程输出相同。 启动时，总是启动时，总是1#传感器先接入

49、工作，传感器先接入工作，2#处于过载保护，待软处于过载保护，待软 件判别确认量程后，再置标志位，选取件判别确认量程后，再置标志位，选取M1或或M2。 95 标度变换 实用中，被测模拟量被检测出来并转为数字量后，常需要转换实用中，被测模拟量被检测出来并转为数字量后，常需要转换 成操作员熟悉的工程量。因为被测对象的各种数据的量纲与成操作员熟悉的工程量。因为被测对象的各种数据的量纲与A/D转换转换 的输入值不同，这些参数经传感器和的输入值不同，这些参数经传感器和A/D转换后得到一系列数码，这转换后得到一系列数码，这 些数码并不等于原来带有量纲的参数值，仅对应于参数大小，必须些数码并不等于原来带有量纲

50、的参数值，仅对应于参数大小，必须 把它转换成带量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换把它转换成带量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换 是是工程量变换工程量变换，又称，又称标度变换标度变换。有线性系统标度变换和非线性参数。有线性系统标度变换和非线性参数 标度变换。标度变换。 在非线性参数的标度变换中，其变换式应根据具体问题分析。首在非线性参数的标度变换中，其变换式应根据具体问题分析。首 先求出其对应的标度变换公式，然后进行程序设计或在测量范围内实先求出其对应的标度变换公式，然后进行程序设计或在测量范围内实 测一些典型数据制作一张数据表，再用查表程序实现标度变换，对那测一些典型数

51、据制作一张数据表，再用查表程序实现标度变换，对那 些中间数据可用插值法计算得到。些中间数据可用插值法计算得到。 96 标度变换-线性系统 （1）线性系统）线性系统 标度变换公式标度变换公式 ： 0 0 00 )( NN NN AAAA m x mx 式中：式中：A0测量范围最小值；测量范围最小值； Am测量范围最大值；测量范围最大值； NmAm所对应的数字量；所对应的数字量； N0A0所对应的数字量；所对应的数字量； Nx被测量工所对应的数字量。被测量工所对应的数字量。 例：已知某热处理炉温度测量系统的量程为例：已知某热处理炉温度测量系统的量程为200800，在某一时刻计算，在某一时刻计算 机

52、采样并经数字滤波后的数字量机采样并经数字滤波后的数字量(8位位)为为0CDH，此时的温度值是多少，此时的温度值是多少? 解：已知解：已知A0=200， Am=800，Nx =0CDH=205，Nm=0FFH=255， 此时温度此时温度Ax= Nx (Am-A0 )/ Nm + A0=205(800-200)/255+200 = 628 97 标度变换-非线性参数 （2）非线性参数的标度变换非线性参数的标度变换 被测量为非线性刻度时，则其变换式应根据具体问题分析，首先被测量为非线性刻度时，则其变换式应根据具体问题分析，首先 求出它所对应的标度变换公式，然后进行程序设计。求出它所对应的标度变换公式

53、，然后进行程序设计。 实例：在流量测量中，其流量和压差的公式为实例：在流量测量中，其流量和压差的公式为 PKQ 式中：式中： Q - 流量；流量； P - 节流装置前后的差压；节流装置前后的差压； K - 刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸形状有关。刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸形状有关。 流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压差的平方根成流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压差的平方根成 正比，于是得到测量流量时的标度变换式为正比，于是得到测量流量时的标度变换式为 0 0 0 0) (Q NN NN QQQ m x mx 98 标度变换-流量测量 上式中，上式中，Qx

54、：被测液体的流量值；：被测液体的流量值； Qm：流量仪表的上限值；：流量仪表的上限值； Q0：流量仪表的下限值；：流量仪表的下限值； Nx：差压变送器所测得的差压值：差压变送器所测得的差压值(数字量数字量)； Nm：差压变送器上限所对应的数字量；：差压变送器上限所对应的数字量； N0：差压变送器下限所对应的数字量。：差压变送器下限所对应的数字量。 对于流量仪表，一般下限皆为对于流量仪表，一般下限皆为0，即，即Q0=0，所以上式可简化为，所以上式可简化为 0 0 NN NN QQ m x mx 99 标度变换-流量测量 若取流量表下限对应的数字量若取流量表下限对应的数字量N0=0，则上式可进一步

55、简化为，则上式可进一步简化为 m x mx N N QQ 前述三式即为不同初始条件下的流量标度变换公式。前述三式即为不同初始条件下的流量标度变换公式。 与线性刻度标度变换公式一样，由于与线性刻度标度变换公式一样，由于Qm，Q0，Nm，N0都是常数，都是常数， 所以公式就可分别记作：所以公式就可分别记作： 0 0 10011 , NN QQ KQNNKQ m m xx 其中 0 2022 , NN Q KNNKQ m m xx 其中 m m xx N Q KNKQ 333 ,其中 上述三式即为各种不上述三式即为各种不 同条件下的流量标度变换同条件下的流量标度变换 公式，同样可以设计出流公式，同样

56、可以设计出流 量标度变换程序。量标度变换程序。 100 8.3 检测系统抗干扰设计 1） 干扰的类型及产生干扰的类型及产生 2） 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 3） 其他抑制干扰的措施其他抑制干扰的措施 101 抗干扰技术 由于干扰的普遍存在，任何检测系统的检测结果总是达不到百分由于干扰的普遍存在，任何检测系统的检测结果总是达不到百分 之百的准确，严重的干扰甚至会使检测系统不能正常工作。因此，在之百的准确，严重的干扰甚至会使检测系统不能正常工作。因此，在 设计、制造和使用检测系统的过程中，都不能回避干扰的影响，尤其设计、制造和使用检测系统的过程中，都不能回避干扰的影响，尤其 是高精度的

57、检测系统，必须花很大的精力和成本去抑制干扰。是高精度的检测系统，必须花很大的精力和成本去抑制干扰。 测量中测量中, ,来自测量系统内部和外部、影响测量装置或传输环节正来自测量系统内部和外部、影响测量装置或传输环节正 常工作和测试结果的常工作和测试结果的各种因素的总和各种因素的总和，称为，称为干扰干扰( (噪声噪声) )。消除或削弱。消除或削弱 各种干扰影响的全部技术措施总称为抗干扰技术或称为防护各种干扰影响的全部技术措施总称为抗干扰技术或称为防护。 形成形成干扰干扰有有三个要素三个要素: 干扰源、干扰通道和受感系统干扰源、干扰通道和受感系统。 102 干扰的类型 根据干扰产生的原因，干扰通常可

58、分为以下几种类型。根据干扰产生的原因，干扰通常可分为以下几种类型。 （1）电和磁干扰）电和磁干扰 电和磁的干扰对于传感器或各种检测仪表来说是最为普遍和影电和磁的干扰对于传感器或各种检测仪表来说是最为普遍和影 响最严重的干扰，必须认真对待这种干扰。响最严重的干扰，必须认真对待这种干扰。 （2）机械干扰）机械干扰 对于机械干扰主要是采取减振措施来解决，例如采用弹簧减振、对于机械干扰主要是采取减振措施来解决，例如采用弹簧减振、 减振软垫及隔板等措施。减振软垫及隔板等措施。 （3）热干扰）热干扰 对于热干扰，工程上通常采取热屏蔽、恒温法、对称平衡结构对于热干扰，工程上通常采取热屏蔽、恒温法、对称平衡结

59、构 和温度补偿元件等方法进行抑制。和温度补偿元件等方法进行抑制。 103 （4） 光干扰光干扰 对于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽问题对于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽问题。 （5） 湿度干扰湿度干扰 通常采取的措施是避免将检测装置放置在潮湿处，仪器装置定 时通电加热去潮，电子器件和印刷电路浸漆或用环氧树脂封灌等。 （6） 化学干扰化学干扰 必须根据使用环境对仪器设备采取必要的防腐措施，将关键的必须根据使用环境对仪器设备采取必要的防腐措施，将关键的 元器件密封并保持仪器设备清洁。元器件密封并保持仪器设备清洁。 （7） 射线辐射干扰射线辐射干扰 干扰的类型 104 干扰的来源 （1） 自

60、然干扰自然干扰 由大气层发生的自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁辐由大气层发生的自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁辐 射干扰统称为自然干扰，如雷电、大气低层电场的变化，电离层变射干扰统称为自然干扰，如雷电、大气低层电场的变化，电离层变 化，太阳黑子的电磁辐射等。化，太阳黑子的电磁辐射等。 （2） 电气设备干扰电气设备干扰 电气设备所产生的干扰包括放电干扰、工频干扰、开关干扰及电气设备所产生的干扰包括放电干扰、工频干扰、开关干扰及 射频干扰等。射频干扰等。 （3） 内部干扰内部干扰 设备内部由于设计不良或某些器件工作会形成干扰。内部干扰设备内部由于设计不良或某些器件工作会形成干扰。内部干