第7章检测技术的综合应用ppt课件

1、第7章检测技术的综合应用7.1检测系统的抗干扰技术7.2传感器的可靠性7.3传感器的标定7.4现代检测系统及其应用实例本章小结7.1检测系统的抗干扰技术7.1.1干扰的分类干扰来自干扰源。在工业现场和环境中，干扰源是各种各样的。按干扰的来源，可以将干扰分为外部干扰和内部干扰。1.外部干扰电气设备、电子设备、通信设施等高密度的使用，使得空间电磁波污染越来越严重。2.内部干扰内部干扰是指系统内部的各种元器件、信道、负载、电源等引起的各种干扰。(1)信号通道干扰计算机检测系统的信号采集、数据处理与执行机构的控制等，都离不开信号通道的构建与优化。1)共模干扰：共模干扰对检测系统的放大电路的干扰较大。2

2、)静电耦合干扰：静电耦合干扰的形成，是由于电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号变化，从而影响其他电路。7.1检测系统的抗干扰技术3)传导耦合干扰：计算机检测系统中脉冲信号在传输过程中，容易出现延时、变形，并可能接收干扰信号，这些因素均会形成传导耦合干扰。(2)电源电路干扰对于电子、电气设备来说，电源电路干扰是较为普遍的问题。(3)数字电路引起的干扰从量值上看，数字集成电路逻辑门引出的直流电流一般只有mA级。7.1.2干扰的引入干扰是一种破坏因素，但它必须通过一定的传播途径才能影响到测量系统。所以有必要对干扰的引入或传播进行必要的分析，切断或抑制耦合通道，降低接收电路对干扰的敏感程度或使用滤波

3、等手段有效地消除干扰。7.1检测系统的抗干扰技术1)静电耦合：又称静电感应，即干扰经杂散电容耦合到电路中去。2)电磁耦合：又称电磁感应，即干扰经互感耦合到电路中去。3)公共阻抗耦合：即电流经两个以上电路之间的公共阻抗耦合到电路中去。4)辐射电磁干扰和漏电流耦合：即在电能频繁交换的地方和高频换能装置周围存在的强烈电磁辐射对系统产生的干扰和由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流耦合到电路中去的干扰。1.串模干扰串模干扰等效电路如图7-1所示。SMR=20lg(7 2)2.共模干扰前面已经介绍信号通道间可能存在共模干扰。7.1检测系统的抗干扰技术(1)由被测信号源产生共模干扰如图7-2所示，具有双端输出的

4、差分放大器和不平衡电桥等不具有对地电位的形式，因而产生共模干扰。71.TIF7.1检测系统的抗干扰技术图7-1串模干扰等效电路7.1检测系统的抗干扰技术图7-2共模电压示意图(2)电磁场干扰引起共模干扰当高压设备产生的电场同时通过分7.1检测系统的抗干扰技术布电容耦合到无屏蔽的双输入线，而使之具有对地电位时，或者交流大电流设备的磁场通过双输入线的互感在双输入线中感应出相同大小的电动势时，都有可能产生共模电压施加在两个输入端。图7-3电磁场干扰引起共模电压a)高压设备产生的电场通过分布电容耦合所产生的共模电压b)交流大电流设备的磁场通过双输入线的互感所产生的共模电压7.1检测系统的抗干扰技术图7

5、-4地电位差形成共模干扰电压(3)由不同地电位引起的共模干扰当被测信号源与检测装置相隔7.1检测系统的抗干扰技术较远，不能实现共同的“大地点上接地时，由于来自强电设备的大电流流经大地或接地系统导体，使得各点电位不同，并造成两个接地点的电位差Uce，即会产生共模干扰电压，如图7-4所示。7.1.3干扰的抑制方法目前在计算机检测系统中，主要从硬件和软件两个方面来考虑干扰抑制问题。其中，接地、屏蔽、去耦，以及软件抗干扰等是抑制干扰的主要方法。1.计算机检测系统的接地在电子装置与计算机系统中，接地又有了新的内涵，这里的“地是指输入信号与输出信号的公共零电位，它本身可能是与大地相隔离。7.1检测系统的抗

6、干扰技术通过正确的接地，可消除各电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压，避免磁场和地电位差的影响，不使其形成地环路，避免噪声耦合的影响。我们知道，作为导体，地球的体积非常大，其静电容量也是非常大的，故其电位比较恒定。在实际的工程应用中，常将地球电位作为基准电位，即零电位。此外，通过导体与大地相连时，即使有少许的接地电阻，只要没有电流导入大地，就可以认为导体的各部分以及与该导体连接的其他导体全都和大地一样为零电位。2.接地的类型检测系统的接地主要有两种类型：保护接地和工作接地。(1)一点接地和多点接地一般来说，系统内印制电路板接地的基本原则是高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。7.1

7、检测系统的抗干扰技术(2)交流地与信号地在一段电源地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压。(3)浮地与接地多数的系统应接大地，有些特殊的场合，如飞行器或船舰上使用的仪器仪表不可能接大地，则应采用浮地方式。(4)数字地数字地又称逻辑地，主要是逻辑开关网络，如TTL、CMOS印制电路板等数字逻辑电路的零电位。(5)模拟地在进行数据采集时，利用A-D转换为常用方式，而模拟量的接地问题是必须重视的。图7-5A-D转换器的屏蔽a)三线采样双层屏蔽浮地技术抗共模干扰示意图b)等效电路7.1检测系统的抗干扰技术(6)信号地(传感器地)检测系统中，传感器是重要的组成部分，但一般的传感器输出的信号都比较微弱，传输

8、线较长，这是很容易受到干扰影响的。(7)屏蔽地屏蔽的目的是避免电场、磁场对系统的干扰。1)电场屏蔽。2)电磁场屏蔽。3)磁路屏蔽。4)放大电路的屏蔽。(8)电缆和接插件的屏蔽测量系统中，信号的传输距离可能较远，因而广泛采用带屏蔽体的电缆线传输的方式。1)高电平线和低电平线不要走同一条电缆。2)高电平线和低电平线不走同一接插件。7.1检测系统的抗干扰技术3)系统的出入电缆部分应保持屏蔽完整。4)低电平电缆的屏蔽层要实施一端接地，屏蔽层外面要有绝缘层，以防与其他地线接触。(9)其他接地1)功率地。2)小信号前置放大电路与内存放大电路接地。3.隔离与耦合在抗干扰措施中，还采用各种隔离与耦合的方式来提

9、高系统的抗干扰能力。7.1检测系统的抗干扰技术常用的隔离方法有光耦合器件隔离、继电器隔离、隔离放大器隔离和隔离变压器隔离等。光耦合器件响应速度比变压器、继电器要快得多，对周围电路无影响，并且体积小、重量轻、价格便宜、便于安装，线性光耦合器用在模拟电路中的信号线性变换场合，也用在放大器的隔离中。图7 6所示为采用光耦合器隔离前级放大电路和后级放大电路的方法。其中，Ib为偏置电流，两个光耦合器组成互补的形式，以改变放大电路的线性度，减少温度影响。虽然线性光耦合器的线性度好，但其转换准确度较低，信号的动态范围也较小。所以现在大量使用的是用于数字量、开关量变换的光耦合器。图77所示为几种使用光耦合器进

10、行隔离的方式。7.1检测系统的抗干扰技术图7-6放大器间的光电隔离7.1检测系统的抗干扰技术图7-7采用光耦合器隔离的方法a) OC门和光耦合器的连接b)接点和光耦合器的连接c)与门和光耦合器的连接7.1检测系统的抗干扰技术4.布线抗干扰措施在检测系统中，印制电路板上电力线、信号线等电路的布局、板上元器件空余引脚安排、测试设备与仪器仪表的信号传输线的连接等，都是实际应用中要考虑的问题。(1)走线原则长线传输中，为了防止窜扰，行之有效的办法是采用交叉走线法。(2)元器件空余输入端的处理电路设计中常常会出现元器件引脚空余的现象，一般不能将这些引脚随意处置，特别是元器件空余输入端，处理不好往往可能造

11、成较大的干扰输入，所以应采取一定的处理方法，以降低干扰。1)把空余的输入端与使用输入端并联。2)把空余的输入端通过一个电阻接高电平。3)把空余的输入端悬空，或用一反相器接地。7.1检测系统的抗干扰技术(3)数字电路的抗干扰措施一块数字电路组件上，都有高频去耦电容，一般为0.010.02F。5.软件抗干扰措施干扰不仅影响检测系统的硬件，而且对其软件系统也会形成破坏。目前在计算机检测系统中普遍采用的软件抗干扰措施主要有以下几种：1)数字滤波。2)软件陷阱。3)“Watchdog技术。7.2传感器的可靠性7.2.1可靠性技术基础1.可靠性技术定义及其特点所谓可靠性，就是指产品在规定条件下、规定时间内

12、，完成规定功能的能力。(1)时间性产品的技术性能指标可以通过仪器直接测量，如灵敏度、重复性、准确度等。(2)统计性产品的可靠性指标则是通过产品的抽样试验(试验室或现场)，利用概率统计理论估计整批产品的可靠性，它不是对某单一产品，而是对整批产品的统计指标。(3)两重性影响产品可靠性的因素是多方面的，既与零件、资料、加工设备和产品设计等技术性问题有关，也与科学管理水平有关。(4)可比性7.2传感器的可靠性1)“规定条件”。2)“规定时间”。3)“规定功能”。(5)突出可用性产品的可靠性与产品的寿命有关，但它和传统的寿命概念不同。2.可靠性的指标为了综合反映出产品的耐久性、无故障性、维修性、可用性和

13、经济性，可以用各种定量的指标表示，这就形成了一个指标系列，具体的一个产品采用什么指标要根据产品的复杂程度和使用特点而定。(1)可靠度R(t)产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率称之为产品的可靠度函数，简称可靠度，往往用R(t)表示。7.2传感器的可靠性(2)寿命分布函数F(t)产品在规定条件下和规定时间内失效的概率称之为寿命分布函数(有的书中称为累积失效概率、失效(故障)分布函数、不可靠度)，可用F(t)表示。(3)寿命概率密度f(t)图7-8R(t)、F(t)、f(t)之间的关系7.2传感器的可靠性(4)失效率(t)工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率称

14、之为失效率，常以(t)表示。(5)寿命一批产品中某特定产品的寿命，在其失效前是难以确定的，但掌握一批产品的寿命统计规律后，就可以估计出产品寿命小于某一值的概率，或其寿命在某一范围内的概率。7.2.2提高可靠性的措施图7-9典型的浴盆曲线7.2传感器的可靠性(1)可靠性设计首先要尽量简单，元器件少、结构简单、工艺简单、使用简单、维修简单。(2)利用失效的规律来提高可靠性在长期实践中，人们发现许多产品的失效率曲线具有典型的两头高中间低的特点，习惯称之为浴盆曲线，典型的浴盆曲线如图7-9所示。(3)采用重复备用系统来提高可靠性在采用上述措施后仍不能满足要求时，可以采用重复备用系统来提高系统的可靠性。

15、图7-10重复备用系统a)串联系统b)并联系统c)并串联系统7.2传感器的可靠性7.2.3传感器的可靠性试验1.传感器的环境试验环境试验是将传感器暴露在人工模拟(或大气暴露)环境中试验，来评价传感器在实际的运输、贮存、使用环境下的性能。(1)环境试验及试验程序环境试验可分为自然暴露试验和人工模拟试验两大类。1)自然暴露试验：自然暴露试验是指传感器在各类典型的自然环境条件下进行暴露和定期测试，这种试验具有周期长、不同地区重复性差等缺点。2)人工模拟试验：人工模拟试验是敏感元件及传感器在模拟运输、贮存、使用过程中遇到的环境条件进行试验。3)试验步骤：传感器环境试验有下列步骤：7.2传感器的可靠性预

16、处理。指样品在正式试验前进行的处理过程。一般指表面清洁、定位、预紧和稳定性处理，而这又通常在标准大气压下进行。初始检测。产品(样品)放在规定的大气压条件下(一般温度为1535，相对湿度为45%75%RH，气压为86106kPa)，进行电性能、机械性能测量和外观检查。试验。它是环境试验的核心，将产品暴露在规定的条件下，既可在工作条件下进行，也可在非工作条件下进行，还可以进行中间电器性能和机械性能的测量。恢复。试验结束后和再测量前，样品的性能要恢复稳定。恢复一般在标准大气压下进行，同时要确保样品在恢复过程中不能使其表面产生凝露。7.2传感器的可靠性最后检测。最后检测与初始检测一样，是将样品放在标准

17、(或规定的)大气压下进行电性能、机械性能测量和外观检查，其目的是对样品的试验结果做出评价。(2)低温试验进行低温试验的目的是为了确定敏感元件及传感器产品在低温条件下贮存或使用能否保持完好或正常工作。1)低温试验类型：IEC现行的低温实验有非散热样品的温度突变、温度渐变以及散热样品的温度渐变等三种。2)低温试验的严酷等级：在各国标准中，低温试验条件(严酷等级)往往以试验温度和持续时间来规定，同时各国标准还规定了试验温度容许的误差(简称容差)。3)试验条件的选择和非散热样品的试验：如果产品在贮存或使用中会遇到低温条件，则必须考虑进行低温试验。7.2传感器的可靠性(3)温度变化试验温度变化试验分为产

18、品在贮存、运输、使用和安装过程中常遇到的温度变化，有自然温度变化和人类的实践诱发的温度变化两种类型。(4)湿热试验湿热试验的目的是为了评价产品在高温高湿条件下贮存和使用的适应性或耐温性。2.传感器的可靠性试验实例敏感元件及传感器产品的可靠性试验与其他可靠性试验一样，包括环境试验和寿命试验两部分。这里讨论的是以半导体工艺制成非集成化的硅霍尔元件和微型硅霍尔元件。原则上也适用于GaAs霍尔元件。(1)可靠性特征量和失效判据硅霍尔元件是用半导体平面工艺制成的磁敏传感器件，它属失效后不可修复产品，其可靠性特征量是平均寿命(MTTF)、失效率、可靠寿命和可靠度等。7.2传感器的可靠性图7-11温度变化试

19、验示意图(2)环境试验方法7.2传感器的可靠性1)温度变化试验：如图7-11所示，保持在高温80下30min；保持在低温-40下30 min。2)恒定湿热试验：霍尔元件处于非工作状态下，湿热试验温度为(402)，湿度为(953)%RH，试验持续时间为72h。3)高温贮存试验：元件处于非工作状态，试验温度为120，试验持续时间为48h。4)振动试验：将非工作状态的霍尔元件固定于台上，引出线要加以保护。5)冲击试验：元件所处状态与振动试验相同。(3)应力试验方法硅霍尔元件的寿命试验应力为电应力。7.2传感器的可靠性(4)可靠性筛选硅霍尔元件的可靠性筛选方法是将硅霍尔元件置于工作状态下，施加额定控制

20、电流，筛选温度为(602)，筛选时间为7天。7.3传感器的标定7.3.1传感器的静态特性标定1.静态标准条件传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。2.标定仪器设备准确度等级的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量准确度，所以在标定传感器时，所用的测量仪器的准确度至少要比被标定传感器的准确度高一个等级。3.静态特性标定的方法对传感器进行静态特性标定，首先是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的准确度要求相应的一定等级的标定用仪器设备，然后才能开始对传感器进行静态特性标定。标定过程的步骤如下：7.3传感器的标定1)将传感器全量程(

21、测量范围)分成若干等间距点。2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下各输入值相对的输出值。3)将输入值由大到小一点一点地减少下来，同时记录与输入值相对的输出值。4)按2)、3)所叙述过程，对传感器进行正、反行程反复循环多次测试，将得到的输出-输入测试数值，用表格列出或画成曲线。5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。7.3.2传感器的动态特性标定7.3传感器的标定传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率n和阻尼比两个参数。

22、图7-12求一阶装置时间常数的方法7.3传感器的标定图7-13二阶装置(1)的阶跃响应7.3传感器的标定图7-14与M的关系7.3传感器的标定图7-15由幅频特性求时间常数7.3传感器的标定图7-16欠阻尼二阶装置和7.4现代检测系统及其应用实例7.4.1计算机检测系统概述图7-17典型计算机检测系统的组成7.4.2计算机检测系统的设计7.4现代检测系统及其应用实例在学习、掌握现有的检测技术基本原理及计算机检测系统基本组成的基础上，针对实际的测试问题而设计一个实用的检测系统，是非常重要的。当然，实际的计算机检测系统，其总体结构的复杂程度和各环节的设计参数要根据测试任务和对系统的性能指标等要求具

23、体确定。此外，还要充分运用实际工程知识和实践经验，使设计的系统达到最佳的性能价格比指标。以下仅从传感器选择、主计算机选型、输入输出通道设计和软件设计等几个方面阐述一些设计时需要考虑的问题。1.传感器的选择由于传感器技术的研制和发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，对选用传感器带来了很大的灵活性。7.4现代检测系统及其应用实例例如，测量某一对象的温度，要求适应015温度范围，测量准确度为1，且要多点测量，可以选择各种热敏电阻、半导体PN结温度传感器、IC温度传感器等，它们都能满足测量范围、准确度等条件。在这种情况下，如果主要考虑成本、测量电路、相配设备是否简单等因素，则选用半导体PN结温度传感

24、器最为合适。倘若上述测量范围为0400，其他条件不变，一般选用E型热电偶或铂热电阻。如需要长时间连续使用传感器时，就必须重点考虑那些稳定性好的传感器。而对于化学分析等时间比较短的测量过程，则需要考虑灵敏度和动态特性好的传感器。总之，选择使用传感器时，应根据几项基本标准，具体情况具体分析，选择性价比高的传感器。选择传感器时应从以下几方面的条件考虑：7.4现代检测系统及其应用实例1)与测量条件有关的因素：输入信号的幅值，频带宽度、准确度要求、测量所需要的时间。2)与传感器有关的技术指标有：准确度、稳定度、响应特性、模拟量与数字量、输出幅值、对被测物体产生的负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号保

25、护等。3)与使用环境条件有关的因素有：安装现场条件及情况、环境条件(湿度、温度、振动等)、信号传输距离、所需现场提供的功率容量等。4)与购买和维修有关的因素有：价格、零配件的储备、服务与维修制度、保修时间、交货日期等。2.主计算机选型微型计算机是计算机检测系统的核心，对系统的功能、性能价格以及研发周期等起着至关重要的作用。7.4现代检测系统及其应用实例适合计算机检测系统使用的计算机类型很多，一般可考虑单片机、微型机等。而单片机因其性价比高、开发方便、应用成熟等优点，在检测系统中被广泛使用。单片机是将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路甚至A D、D A电路等集成在一个芯片上的超大规模

26、集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计并常常将其用于工业检测及控制，因而也称为微控制器(Micro Control Unit，MCU)。目前市场上的单片机型号和种类很多。在我国应用最多、普及最广的应属美国Intel公司的8位MCS 51系列单片机和16位MCS96(196)系列单片机。7.4现代检测系统及其应用实例尽管不同型号的单片机在其结构、字长、指令系统、存储器组织、制造技术乃至功耗和封装等诸多方面存在着很大差别，但需重点考虑以下几个主要方面：1)中央处理单元(Control Processing Unit，CPU)，亦称微处理

27、器单元(Micro Processor Unit，MPU)。2)存储器。3)定时/计数器和通用输入输出I/O接口。3.输入、输出通道设计输入通道数应根据需要检测参数的数目来确定。7.4现代检测系统及其应用实例在检测系统中，传感器是第一环节，对系统性能的影响较大。传感器的选用应参考前面所述的原则。若各测点检测的物理量不同，使用了不同原理的传感器，则各传感器输出电压的范围会有所不同。因而，在信号进入A D转换器之前，信号应经过不同增益的放大器进行调理。此外，还应考虑A D转换器与其前置环节的阻抗匹配问题，以消除负载效应的影响。对公共的A D转换器，其分辨率和位数应根据所有被测参数中的最高准确度要求来确定。所采用的A D转换原理主要考虑转换时间的要求，转换时间根据数据采样时间间隔确定。在转换时间满足要求的前提下，应尽可能考虑线性度、抑制噪声干扰能力等方面的要求。A D转换器的极性方式由传感器输出电压变化的极性确定。7.4现代检测系统及其应用实例4.软件设计计算机检测系统的软件应具有两项基本功能：其一