第四章系统设计的几个问题

1、第四章第四章 系统设计的几个问题系统设计的几个问题 本章对系统设计中的几个主要问题给于介绍。 4-1 传感器的选择传感器的选择4-2 非线性特性线性化非线性特性线性化4-3 温度补偿技术温度补偿技术4-4 智能化技术智能化技术 4-5 可靠性问题可靠性问题4-6 抗干扰技术抗干扰技术 4-1传感器的选择传感器的选择一、对传感器的要求由于传感器的精度高低、性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态。一般说来，对传感器的要求是全面的、严格的，它们是选用传感器的依据。1技术指标要求（1）静态特性要求。线性度及测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性等。（2）动态特性要求。快速性和稳定性等。（

2、3）信息传递要求。形式和距离等。（4）过载能力要求。机械、电气和热的过载。2使用环境要求 温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学腐蚀以及不有害于周围材料寿命及操作人员的身体健康等。3电源的要求 电源电压形式、等级、功率及波动范围；频率及高频干扰等。4基本安全要求 绝缘电阻、耐压强度及接地保护等。5可靠性要求 抗干扰、寿命、无故障工作时间等。6维修及管理要求 结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。 上述要求又可分成两类：上述要求又可分成两类： 一类共同的，如线性度及测量范围、一类共同的，如线性度及测量范围、动态特性、精确度、工作温

3、度等；动态特性、精确度、工作温度等； 另一类是特殊要求，如过载能力、另一类是特殊要求，如过载能力、防火及防化学腐蚀要求等。防火及防化学腐蚀要求等。 对于一个具体的传感器，仅满对于一个具体的传感器，仅满足上述部分要求即可。足上述部分要求即可。 二、选择传感器的一般原则 一个自动测试系统的质量优劣，关键在于传感器一个自动测试系统的质量优劣，关键在于传感器的选择的选择。选择传感器总的原则是，在满足对传感器所。选择传感器总的原则是，在满足对传感器所有要求的情况下，成本低廉、工作可靠和易维修，即有要求的情况下，成本低廉、工作可靠和易维修，即所谓性能价格比要大。所谓性能价格比要大。 选择传感器的一般原则可

4、按下列步骤进行：选择传感器的一般原则可按下列步骤进行： (1)借助于传感器分类表，按被测量的性质，从典型应借助于传感器分类表，按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器的类别。用中可以初步确定几种可供选用的传感器的类别。 (2)借助于几种常用传感器比较表，按被测量的范围、借助于几种常用传感器比较表，按被测量的范围、精度要求、环境要求等确定传感器的类别。精度要求、环境要求等确定传感器的类别。 (3)借助于传感器的产品目录、选型样本，最后查出传借助于传感器的产品目录、选型样本，最后查出传感器的规格、型号和性能、尺寸。感器的规格、型号和性能、尺寸。 以上三步不是绝对的，仅供经验少的

5、工程技术人员对以上三步不是绝对的，仅供经验少的工程技术人员对一般常用传感器选择时参考。一般常用传感器选择时参考。 4-2非线性特性线性化非线性特性线性化 一、概述一、概述 在自动测试系统中，应用大多数传感器的输入与输出在自动测试系统中，应用大多数传感器的输入与输出之间并非之间并非线性关系。这是由于不少传感器转换原线性关系。这是由于不少传感器转换原理并非线性，其次是由于采用电路的非线性。对于这理并非线性，其次是由于采用电路的非线性。对于这些问题的解决，些问题的解决，常采用三种办法常采用三种办法： 1.缩小测量范围，取近似值；缩小测量范围，取近似值； 2.采用非线性指示刻度；采用非线性指示刻度；

6、3.加非线性校正环节。加非线性校正环节。 但在目前，由于数字显示技术广泛使用，以及测但在目前，由于数字显示技术广泛使用，以及测量范围和测量精度的不断提高，对非线性校正的要求量范围和测量精度的不断提高，对非线性校正的要求显得更为迫切。显得更为迫切。二、非线性校正的方法二、非线性校正的方法 测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。 具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用以下框图表示。具有开

7、环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用以下框图表示。 传感器将被测量物理量转换成电量传感器将被测量物理量转换成电量u u，这种转换通常不是绝对非线，这种转换通常不是绝对非线性的。电量性的。电量u1u1经放大器放大后成为电量经放大器放大后成为电量u2u2，放大器一般是线性的。引入，放大器一般是线性的。引入线性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整线性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整台仪表的输出台仪表的输出u u和输入之间具有线性关系。和输入之间具有线性关系。这里解决的关键问题显然有两这里解决的关键问题显然有两个个： 一是一是在给定在给定u u线性关

8、系的前提下，根据已知的线性关系的前提下，根据已知的u u非线性关非线性关系和系和u u线性关系求出线性化器应当具有的线性关系求出线性化器应当具有的u1u1u2u2非线性关系。非线性关系。 二是二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上求取线性化器非线性特性的方法有两种。求取线性化器非线性特性的方法有两种。 1.解析计算法设传感器特性解析式为放大器特性的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，就得到线性化器非线性特性的解析式 根据上式即可设计线性化器的具体电路。)(11xfu 12Kuu sxu 0)(012sUK

9、fu 2 .2 .图解法图解法 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，可用图解法求取线性化器的输入比较困难时，可用图解法求取线性化器的输入- -输入特性曲输入特性曲线。图解法的步骤如下。线。图解法的步骤如下。1)1)将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1(x)u1=f1(x)。2)2)将放大器线性特性作于第二限，将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1u2=Ku1。3) 3) 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sxu0=sx。4)

10、4)将将x x轴轴n n段，段数段，段数n n由精度要求决定。由点由精度要求决定。由点1 1、2 2、33、n n各各作作x x轴垂线，分别与轴垂线，分别与u1=f(x)u1=f(x)曲线及第四象限中的曲线及第四象限中的u0=sxu0=sx直线直线交于交于1 11 1、1 12 2、1 13 3、1n1n及及4 41 1、4 42 2、4 43 3、4n4n各点。以后以第各点。以后以第一象限中这些点作一象限中这些点作x x轴平行线与第二象限轴平行线与第二象限u2=Ku1u2=Ku1直线交于直线交于2 21 1、2 22 2、2 23 3、2n2n各点。各点。5)5)由第二象限各点作由第二象限各

11、点作x x轴垂线，再由第四象限各点作轴垂线，再由第四象限各点作x x轴平轴平行线，两者在第三象限的交点连线即为校正曲线行线，两者在第三象限的交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)u0=f2(u2)。这也是线形化器的非线性特性曲线。这也是线形化器的非线性特性曲线。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，其原理如图。三、非线性校正电路三、非线性校正电路 当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入- -输出特性输出特性曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线

12、性元件或者利用某种元件的非显然在这类电路中需要有非线性元件或者利用某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成的对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，路中构成的对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线性校正电路中。目前最常用的是利用二极管组成非线性电阻性校正电路中。目前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网络，配合运算放大器产生折线形式的输入- -输出特性曲线。输出特性曲

13、线。由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正环节（线性化器）所需要的特性曲线。环节（线性化器）所需要的特性曲线。 折线逼近法如图所示。折线逼近法如图所示。将非线性校正环节所需要的特将非线性校正环节所需要的特性曲线用若干有限的线段代替，性曲线用若干有限的线段代替，然后根据各转折点然后根据各转折点xi和各段折和各段折线的斜率线的斜率ki来设计电路。来设计电路。四、非线性特性软件线性化处理四、非线性特性软件线性化处理 对测量系统非线性环节的线性化处理，除了采用硬件电路来实现外，在有微对测量系统非线性环节的线性化处理，除了采用硬件电路来实

14、现外，在有微机的智能化检测系统中可利用软件功能方便地实现非线性的线性变化。这种方法机的智能化检测系统中可利用软件功能方便地实现非线性的线性变化。这种方法精度高，成本低，应用灵活。精度高，成本低，应用灵活。 设某传感器非线性校正曲线如图所示。它是一个非线性函数关系。我们将输设某传感器非线性校正曲线如图所示。它是一个非线性函数关系。我们将输入量入量x按一定要求分为按一定要求分为N个区间，每个个区间，每个xk都对应一个输出都对应一个输出yk。把这些（。把这些（xk,yk）编制）编制成表格存贮起来。实际的输入量成表格存贮起来。实际的输入量xi一定会落在某个区间（一定会落在某个区间（xk-1，xk）内，

15、即）内，即xk-1xi xk.软件法的含义是用一段直线近似地代替这段区间里的实际曲线，然后通软件法的含义是用一段直线近似地代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似插值公式计算出过近似插值公式计算出yi这种方法称为线性插值法。这种方法称为线性插值法。 由图可以看出，通过由图可以看出，通过M1、M2两点的直线斜率两点的直线斜率k为：为： ；而而yi的计算公式为：的计算公式为： 11kkkkxxyyxyk111111)()(kkkikkkkikixxxxyyyxxkyy 软件线性插值法的线性化精度软件线性插值法的线性化精度由折线的段数决定，所分段数越多，由折线的段数决定，所分段数越多，精度越高，但数表

16、所占内存越多。具精度越高，但数表所占内存越多。具体分段数，可视非线性特性曲线形状体分段数，可视非线性特性曲线形状而顶，可以是等分的，也可以是不等而顶，可以是等分的，也可以是不等分的。右图为此法程序框图，由该图分的。右图为此法程序框图，由该图可知，当可知，当xi确定后首先通过查表确定确定后首先通过查表确定xi所在区间，查出后顺序取出区间两所在区间，查出后顺序取出区间两端点端点xk-1，xk及其对应的及其对应的yk-1，yk,然然后利用式计算出后利用式计算出yi。这样，得到的输。这样，得到的输出量出量yi和传感器所检测的被测量之间和传感器所检测的被测量之间成线性关系。成线性关系。4-3温度补偿技术

17、温度补偿技术 一、概述 测试系统的基本环节特性随温度变化，必然造成整个测试系统的特性随环境温度而变化。为了满足生产对测试系统性能在温度方面的要求，就需要在测试系统的研究、设计、制造过程中采取一系列具体的技术措施，以抵消或削弱环境温度变化对测试系统特性的影响，从而保证其特性基本上不随环境温度而变化。这些技术措施为温度补偿技术。 二、温度补偿原理 并联式温度补偿原理 并联式温度补偿原理就是人为地附加一个温度补偿环节，该补偿环节与被补偿自动测试系统(或组成环节)并联，目的是使被补偿后的自动测试系统静特性基本上不随环境温度变化。 并联式温度补偿在测试系统设计中已获得较广泛的应用。并联式温度补偿在测试系

18、统设计中已获得较广泛的应用。例如热偶冷端温度补偿、直流放大器的差分对输入级的温度例如热偶冷端温度补偿、直流放大器的差分对输入级的温度补偿等。补偿等。4-4智能化技术智能化技术 一、智能化的基本概念 目前人们习惯用智能传感器这个词来称呼用传感器和微型计算机组成的新一代的自动测试系统。 这种新型的自动测试系统，具有下列三方面的突出特征： 1提高了测量精度 利用微型计算机操作多次测量和求均值的办法可削弱随机误差的影响。 利用微型计算机进行系统误差补偿。 利用辅助温度传感器和微型计算机进行温度补偿。 利用微型计算机实现线性化，可以减少非线性误差。 利用微型计算机进行测量前的零点调整、放大系数调整和工作

19、中周期调整零点、放大系数。 2增加了功能增加了功能u利用记忆功能对被测量进行最大值和最小值测量。u利用计算功能对原始信号进行数据处理，可获得新的量值。u利用多个传感器和微型计算机数据处理功能，可以测量场和空间等的新量值。u用软件的办法完成硬件功能，经济并减小体积。u对数字显示可有译码功能。u可用微型计算机对周期信号特征参数进行测量。u对诸多被测量可有记忆存储功能。 3提高了自动化程度提高了自动化程度 可实现误差自动补偿。 可实现检测程序自动化操作。 可实现越限自动报警和故障自动诊断。 可实现量限自动变换。 可实现自动巡回检测。 二、单片微机的选择二、单片微机的选择 按对传感器智能化具体内容的要

20、求，可以进行单片微机的选择。选择的原则是：在满足技术要求的情况下，价格最低、结构最简单、性能价格比最高。 在选择过程中要注意下列问题：在选择过程中要注意下列问题：所选的单片机运算功能要满足智能传感器对数所选的单片机运算功能要满足智能传感器对数据处理运算能力的要求。据处理运算能力的要求。软件编程数量与内存容量要适应。软件编程数量与内存容量要适应。单片机所提供的单片机所提供的IO接口形式与数量要满足智接口形式与数量要满足智能化要求。能化要求。对便携式的智能化传感器要考虑到单片机电池对便携式的智能化传感器要考虑到单片机电池供电。供电。4-5可靠性问题可靠性问题 一、测试系统的可靠性 随着科学技术的发

21、展，对自动测试系统的可靠性要求愈来愈高。所谓可靠性，是指在规定工作条件和工作时间内，测试系统保持原有技术性能的能力。 传感器结构的小型化、微型化和复杂化，在一定程度上影响它的可靠性。近年来已研究出确定结构和个别零件寿命的实验方法。用这种方法获得的数据可以求出整个传感器或测试系统的概率寿命。这种寿命称为达到第一次损坏时这种寿命称为达到第一次损坏时工作等待时间工作等待时间。 下面给出一些结构和传感器的寿命(h)： 小尺寸电位器式压力传感器 2000 电容器压力传感器 3000 压电传感器 3500 振动器 1500 快速动作继电器 2000 步进电机 1000 实验表明，自动测试系统损坏率随着系统

22、中的零件数目呈指数规律增加。 传感器损坏原因分析结果如下(以表示)： 不正确的设计（不合理的结构、不恰当地选择测量元不正确的设计（不合理的结构、不恰当地选择测量元件和材料以及其它）件和材料以及其它） 35 错误的操作错误的操作 30 产品的缺陷产品的缺陷 25 材料老化及其它缺陷材料老化及其它缺陷 10 总计总计 100二、可靠性的总体考虑二、可靠性的总体考虑 （一）设计过程（一）设计过程 分析设计任务分析提出可靠性方案比较、确定软件设计硬件设计测试、考验试运行设想措施可靠性分析软件措施硬件措施故障评估分析改进措施系统设计进程可靠性考虑方案设想（二）提高仪器可靠性的措施 元器件的选择 （电阻器

23、 、电容器 、集成电路芯片 ）筛选 降额使用 可靠的电路设计 冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式 在测量过程中，除了待测量信号外，还有各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。因此，认识干扰信号，重视抗干扰设计是测试工作中不可忽视的问题。 4-6抗干扰技术抗干扰技术一、测试系统信号的传输和噪声源一、测试系统信号的传输和噪声源二、噪声形成干扰作用的三要素二、噪声形成干扰作用的三要素三、噪声耦合途径三、噪声耦合途径四、测试系统的抗干扰技术四、测试系统的抗干扰技术本节讲述内容：本节讲述内容：一、测试系统信号的传输和噪声源一、测试系统信号的传输和

24、噪声源（一）、信号传输（一）、信号传输信号传输有以下几种形式：信号传输有以下几种形式：1 1有线传输有线传输: :这是应用最普遍的形式；这是应用最普遍的形式；2 2无线传输无线传输: :调制信号以电磁波的形式发射与接收；调制信号以电磁波的形式发射与接收；3 3光传输。光传输。 在有线传输中，可以采用在有线传输中，可以采用调制式或基带调制式或基带式传输方式。式传输方式。 传输信号所占有的频带称为基本频带，简称基带。传输信号所占有的频带称为基本频带，简称基带。把把输入的信号按原有的频带予以传输的方式称为输入的信号按原有的频带予以传输的方式称为基带式基带式传输传输。在常规测试工作中，基带式传输是主要

25、的传输在常规测试工作中，基带式传输是主要的传输方式方式。基带式传输 直接式电压传输、电流传输。直接传输具有简单、可靠、成本低的优点，其关键在于抑制噪声、抗干扰。实践表明，测试系统的噪声干扰多来自信号传输环节，因此，在信号传输环节采取措施，抑制噪声，对整个测试系统的抗干扰能力的提高是至关重要的。 （二）、噪声源（二）、噪声源 在测试系统中出现的无用电信号称为噪声。在系统中，有用信号功率与噪声信号功率的比值，以对数形式表示称为信噪比。表征一个系统干扰的主要指标是“信噪比”。 式中 PS有用信号功率； PN噪声信号功率。NSPPNSlg20干扰分类干扰的类型机械干扰热干扰光干扰 湿度干扰 化学干扰电

26、和磁干扰 射线辐射干扰电磁干扰的分类电磁干扰的分类 从噪声产生的来源分类从噪声产生的来源分类 1)固有噪声源固有噪声源 2)人为噪声源人为噪声源 3)自然噪声源和放电噪声自然噪声源和放电噪声 从干扰的表现形式分类从干扰的表现形式分类 1)规则干扰规则干扰 2)不规则干扰不规则干扰 3)随机干扰随机干扰 从干扰出现的区域分类从干扰出现的区域分类 1)内部干扰内部干扰 2)外部干扰外部干扰 从干扰对电路作用的形式分类从干扰对电路作用的形式分类 1)差模干扰差模干扰 2)共模干扰共模干扰 干扰与噪声源有何区别？干扰与噪声源有何区别？ 噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的噪声是绝对的，它的产生或存

27、在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入系统并影响其正常工作才形成有用信号一起进入系统并影响其正常工作才形成干扰。干扰。 噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。 干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱般情况下，难以消除，只能减弱。 各种电子设备的噪声干扰

28、，其产生原因多数属于各种电子设备的噪声干扰，其产生原因多数属于放电现象。放电现象。 在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，而且会传播得很远。的电磁波，而且会传播得很远。 1放电噪声放电噪声例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流极间施加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全被电离时被电离时(称为电晕称为电晕)，电极尖端引起局部破坏，电流，电极尖端引起局

29、部破坏，电流急剧增加，形成电晕放电；如果继续升高电压，将会急剧增加，形成电晕放电；如果继续升高电压，将会经过火花放电过渡到弧光放电，此时空气击穿，同时经过火花放电过渡到弧光放电，此时空气击穿，同时向周围辐射出各种频率的电磁波。这种干扰电磁波几向周围辐射出各种频率的电磁波。这种干扰电磁波几乎对各种电子设备都有影响。乎对各种电子设备都有影响。 高压电缆闪电雷达、电台等天线发射 微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交交流流动动力力线线 图 8-1 外部干扰环境1)电晕放电噪声主要来源于高压输电线，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。

30、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。2)放电管放电管(如日光灯、霓虹灯如日光灯、霓虹灯)放电噪声属于辉光放电和放电噪声属于辉光放电和弧光放电。弧光放电。通常放电管具有负阻抗特性，所以与外电路连接时容易引起高频振荡，有时可达很高的频段。3)火花放电噪声。火花放电噪声。例如雷电、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。 电气噪声干扰包括工频、电子开关和脉冲发电气噪声干扰包括工频、电子开关和脉冲发生器的感应干扰等。生器的感应干扰等。 2电气干

31、扰源电气干扰源 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。另外，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。 (1)工频干扰 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会给附近的电子测量仪器带来干扰。 (2)射频干扰 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，

32、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。使用可控硅的调压整流电路对其它电子装置的干扰就是电子开关造成干扰的典型例子。这种电路在晶闹管的控制下，周期性地通断，形成前沿陡峭的电压和电流，并且使供电电源波形畸变，从而干扰由该电源系统供电的其他电子设备。(3)电子开关 由于检测装置内部元件的物理性的无规则波动所形成的固有噪声源有三种： 热噪声 散粒噪声 接触噪声。 3固有噪声源固有噪声源(1)热噪声 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

33、杂的。电阻两端的热噪声电压有效值可表示为式中，k为玻尔兹曼常数(1.3810-23)；T为绝对温度(K)；R为电阻值()；f为噪声带宽(Hz)。上式表明，热噪声电压的有效值与电阻值的平方根成正比。因此减小电阻、带宽和降低温度有利于降低热噪声。 为了加深对热噪声的认识，现以运算放大器输入电阻引起的热噪声为例进行说明。设放大器输入回路电阻R=500K，带宽f=106Hz，环境温度t27，则其热噪声电压为 fkTR4UtV91 V101053001038. 14 f4kTRU6523-t可见，如果输入信号不大于可见，如果输入信号不大于91V，将被噪声所淹没。因此，对要求将被噪声所淹没。因此，对要求很

34、高的放大器来说，它的输入电很高的放大器来说，它的输入电阻及带宽不能取得太大。阻及带宽不能取得太大。(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。散粒效应的均方根噪声电流为: 式中，q为电子电荷；Idc为平均直流电流(A)；f为噪声带宽(Hz)。上式说明，每带宽平方根的噪声电流只是流经该器件的平均电流Idc的函数，其数值方程为由此，只要测得流经该器件中的平均直流电流就可以得到其噪声电流值。fqI2Idcshdc10-dcshI1066. 5qI2fI(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

35、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。接触噪声正比于直流电流的大小，其功率密度正比于频率的倒数，其大小服从正态分布。每平方根带宽的噪声电流可近似地表示为式中，Idc为平均直流电流(A)；K为由材料和几何形状确定的常数；f为频率(Hz)；B为带宽(Hz)。 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。fKIBIdcf二、噪声形成干扰作用的三要素二、噪声形成干扰作用的三要素 噪声源形成干扰必需同时具备三个要噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即素，即噪声源噪声源、有对噪声敏感的、有对噪声敏感

36、的接收电路接收电路和两者之间的和两者之间的耦合通道耦合通道。三要素之间联系。三要素之间联系如下图所示。如下图所示。 噪声源耦合通道接收电路干扰信号传入测量系统主要有三种传输三种传输途径，如下图所示 电磁干扰：电磁干扰：干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。 信道干扰：信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。 电源干扰：电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。 三、噪声的耦合方式三、噪声的耦合方式 u传导耦合传导耦合 u辐射电磁场耦合辐射电磁场耦合 传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成

37、干扰的噪声耦合方式。输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。 大功率的高频电气设备，广播、电视、通大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。测试仪信发射台等，不断地向外发射电磁波。测试仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。就形成干扰。 噪声耦合途径分导线直接传播和电磁场耦合两大类。噪声耦合途径分导线直接传播和电磁场耦合两大类。ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU静电耦合静电耦合电容耦合电容耦合静电耦

38、合是由于两个电路之间存静电耦合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。荷影响到另一个电路。在一般情况下，静电耦合的等效电路，如图所示。图中在一般情况下，静电耦合的等效电路，如图所示。图中En是噪声源产生的是噪声源产生的噪声电动势；噪声电动势；Cm表示造成静电耦合的寄生电容；表示造成静电耦合的寄生电容；Zi是被干扰电路的等效输是被干扰电路的等效输入阻抗。入阻抗。 设设为噪声源为噪声源En的角频率。在的角频率。在Zi上的干扰电压表达式上的干扰电压表达式:接收电路接收电路Zi上的干扰电压正比于噪声源上的干扰电压正比于噪声源频率频率 、噪声源的噪

39、声电动势、噪声源的噪声电动势En 、寄生、寄生电容电容Cm和接收电路的输入阻抗和接收电路的输入阻抗Zi 。1ZCjim当有几个噪声源同时经静电当有几个噪声源同时经静电耦合干扰同一个接收电路时，耦合干扰同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以用只要是线性电路，就可以用又叠加原理分别对各干扰源又叠加原理分别对各干扰源进行考虑。进行考虑。等效电路等效电路NNMIjUUNMIN电磁耦合电磁耦合互感耦合互感耦合 等效电路等效电路电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电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。化

40、，通过磁交链影响到另一个电路。在一般情况下，电磁耦合等效电路如图在一般情况下，电磁耦合等效电路如图所示。图中所示。图中In表示噪声干扰的噪声电流表示噪声干扰的噪声电流源，源，M表示两个电路之间的互感系数，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表示通过电磁耦合在被干扰电路中感应出的噪声电压。设应出的噪声电压。设为噪声源电流的为噪声源电流的角频率角频率UN写成下式：写成下式：干扰电压干扰电压UN正比于噪声源电正比于噪声源电流角频率流角频率 、互感系数、互感系数M和和噪声电流噪声电流In。电磁辐射耦合电磁辐射耦合 当测试系统距噪声源较远当测试系统距噪声源较远时，噪声主要是经

41、过电磁时，噪声主要是经过电磁辐射传播的。辐射传播的。(如天线效应如天线效应)电磁感应电磁感应 当噪声源为大电流、低电当噪声源为大电流、低电压时，则主要表现为磁场；压时，则主要表现为磁场；当噪声源为小电流、高电当噪声源为小电流、高电压时，则感应场主要为电压时，则感应场主要为电场。场。 下面举一个电磁耦合的实例。下面举一个电磁耦合的实例。当两条平行导线有电当两条平行导线有电流流过时，它们彼此之间会通过磁交链产生电磁耦合流流过时，它们彼此之间会通过磁交链产生电磁耦合干扰。两条平行导线之间的互感系数干扰。两条平行导线之间的互感系数M可由下式算出可由下式算出)LD-DL-DDLL(ln2LM22220H

42、/m1047-01)-D2lL(ln2LM0式中，式中， L为两平行导线段长度为两平行导线段长度(m)； D为两平行导线中心距为两平行导线中心距(m)；0为空气的磁导率且为空气的磁导率且当当LD时时将 代入上式，可得 设有一条信号传输线与一条电压为100V，负荷为10kVA的输电线的距离为lm，并在10m长的一段区间彼此平行架设，现计算在此信号线上的噪声电压。将上述数据代入 可见电磁耦合干扰是很严重的，应该引起足够的重视。H/m1047-07-101)-D2L2L(lnMmV125)100/10(1099. 3502MIUH103.99H101)-(ln20102M6-nN-6-7K共阻抗耦合

43、共阻抗耦合 引起因素：引起因素：电源内阻抗的共阻抗耦合电源内阻抗的共阻抗耦合 公共地线的耦合公共地线的耦合 信号输出电路的相互干扰信号输出电路的相互干扰 共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，使一个共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压。电路的电流在另一个电路上产生干扰电压。cNNZIU例如，有几个电路由同一个电源供电时，会通过电例如，有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过接地线源内阻互相干扰，在放大器中各放大级通过接地线电阻互相干扰。电阻互相干扰。 共阻抗耦合等效电路如图。图中共阻抗耦合等效电路如图。图中Zc表示两个电路

44、之间的共有阻抗，表示两个电路之间的共有阻抗，In表示噪声源的表示噪声源的噪声电流，噪声电流，UN表示被干扰电路的干扰电压。根据表示被干扰电路的干扰电压。根据图共阻抗耦合等效电路，很容易写出被干扰电路的图共阻抗耦合等效电路，很容易写出被干扰电路的干扰电压干扰电压UN的表达式。的表达式。可见共阻抗耦合干扰电压可见共阻抗耦合干扰电压UN正比于共阻正比于共阻抗值和噪声源电流抗值和噪声源电流In。显然，若要消除。显然，若要消除共阻抗耦合干扰，首先要消除两个或几共阻抗耦合干扰，首先要消除两个或几个电路之间的共阻抗。个电路之间的共阻抗。几个电气测试系统或电气设备共用同一接地线，几个电气测试系统或电气设备共用

45、同一接地线，测试系统会耦合进因其它电气设备对地电流变测试系统会耦合进因其它电气设备对地电流变化而产生的噪声。化而产生的噪声。对于共接地线阻抗噪声，还包括共模干扰。共对于共接地线阻抗噪声，还包括共模干扰。共模干扰是相对于接地点在信号接收器两输入端模干扰是相对于接地点在信号接收器两输入端子上同时出现的干扰。它在信号接收器输入参子上同时出现的干扰。它在信号接收器输入参数不对称时，将引起测试误差。在下述情况下数不对称时，将引起测试误差。在下述情况下常发生共模干扰：常发生共模干扰： (1)测试系统附近有因绝缘不良而漏电的大功率电气设备； (2)在大型动力设备金属外壳上安装传感器，而又没采取绝缘措施时，因

46、涡流作用，金属外壳带有感应电流，则引起共模干扰。漏电耦合漏电耦合 NimiNEZRZUUNRmENBAZi由于绝缘不良，流经绝缘电阻由于绝缘不良，流经绝缘电阻Rm的漏电流所引起的噪声干扰的漏电流所引起的噪声干扰叫做漏电流耦合。叫做漏电流耦合。一般情况下的漏电流耦合等效电路如图所示。图中一般情况下的漏电流耦合等效电路如图所示。图中En表示噪声电动势，表示噪声电动势，Rm表示漏电阻，表示被干扰电路的输入阻抗，表示漏电阻，表示被干扰电路的输入阻抗，UN表示干扰电压。表示干扰电压。漏电流耦合经常发生在漏电流耦合经常发生在用仪表测量较高的直流电压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

47、源时，在高时；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。设直流放大器的输入阻输入阻抗的直流放大器中。设直流放大器的输入阻抗抗Zi=108，干扰源电动势，干扰源电动势=15V，绝缘电阻，绝缘电阻R=1010。其示意图如图所示。下面估算漏电干扰对此放大器其示意图如图所示。下面估算漏电干扰对此放大器的影响。的影响。V149. 0V15101010EZRZU8108niiN显然：对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电显然：对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电流干扰，也将造成严重的后果。所以必须严密注意与输流干扰，也将造成严重的后果。所以必须严密注意与输入端有关的绝缘水平

48、，以及它周围的电路安排。入端有关的绝缘水平，以及它周围的电路安排。 为保证测试系统正常工作，则必须采取有效的抗干扰措施。传感器要检测微弱信号，工作环境条件复杂，频带要求宽，因此，抗干扰更是传感技术中的重要课题之一。现仅对测试系统的抗干扰问题简要介绍如下。 抑制干扰的基本方法：抑制干扰的基本方法： 消除或抑制噪声源、破坏干扰的耦合通道、消除或抑制噪声源、破坏干扰的耦合通道、消除接收电路对干扰的敏感性、采用软件抑制消除接收电路对干扰的敏感性、采用软件抑制干扰。干扰。四、测试系统的抗干扰技术四、测试系统的抗干扰技术（一）屏蔽技术（一）屏蔽技术屏蔽的概念：屏蔽的概念：屏蔽是防止辐射干扰的主要手段，所屏

49、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。一定的空间范围之内。、主动屏蔽：、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。、被动屏蔽：、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。 1电场屏蔽 电场屏蔽的作用是利用与大地相连接的导电性良好的屏蔽层(导电板、箔、网)，隔离两部分电力线，从而达到防止干扰的目的。电场屏蔽能防止电场间的相互影响。如电源变压器主、副绕组间的屏蔽，低嗓音同轴电缆的金属网屏蔽等，都是电场屏蔽。 2电磁屏蔽 电磁屏蔽是指导电良好的金属屏蔽层，

50、利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，涡流磁场将抵消高频干扰磁场的影响。 电磁屏蔽妥善接地后，将具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽两种功能。 3磁屏蔽 用高导磁材料作为屏蔽层，可以将干扰磁力线限制在很小的屏蔽体内部，避免它对其它部分的影响，称为磁屏蔽。妥善接地后，亦具有电场屏蔽功能。 4测试系统中采用的主要屏蔽措施 根据噪声源的不同，现场测试中需采用不同的屏蔽措施。其中最主要的是传感器输出导线的屏蔽和保护措施。尽量采用专用同轴电缆。对高阻抗测试系统，如压电测试系统，还要相对固定电缆。在干扰严重的现场，应采用专用金属导线(电缆)屏蔽管道（如冲击波测试），且管道应妥善接地。某些复杂试验环境中，对测试仪

51、表可采用双屏蔽措施，以防护测试系统。对某些强干扰源采取电、磁屏蔽措施，以保证测试系统免受干扰。 隔离技术是拟制干扰的有效手段之一。测试系统的隔离技术分为两类： 空间隔离：屏蔽技术的延伸、功能电路之间的合理布局（如数模电路）、信号之间的独立性（如信号之间用地线隔离）。 器件隔离：信号隔离放大器、信号隔离变压器、光电耦合器。（二）隔离技术（二）隔离技术变压器隔离变压器隔离 利用变压器把现场信号源的地与测试系统的地隔离利用变压器把现场信号源的地与测试系统的地隔离开来。被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰开来。被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。电压由于不

52、成回路而得到有效的抑制。 放 大 器调 制 器解 调 器A/D计 算 机sUB模 拟 地数 字 地图 8-10 变 压 器 隔 离双 绞 线s1Us2U要注意的是：隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的要注意的是：隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，以切断两部分的地线联系电源，以切断两部分的地线联系光电隔离 光电耦合隔离器是目前测试系统中最常用的一种抗干扰光电耦合隔离器是目前测试系统中最常用的一种抗干扰方法。利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而方法。利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。 A

53、/D转 换 器D 1D 2+ 5 V+ 5 VD 3D 4D 5D 6D 7D 0 D /A转 换 器+ 5 V+ 5 V( b ) 在 C P U 与 D /A 转 换 器 之 间( a ) 在 A /D 转 换 器 与 C P U 之 间图 8 - 1 1 光 耦 隔 离 器 的 数 字 信 号 隔 离C P UD 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 0C P U A /D转 换 器D 1D 2+ 5V+ 5VD 3D 4D 5D 6D 7D 0 D /A转 换 器+ 5 V+ 5 V(

54、b ) 在 C P U 与 D /A 转 换 器 之 间( a ) 在 A /D 转 换 器 与 C P U 之 间图 8 - 1 1 光 耦 隔 离 器 的 数 字 信 号 隔 离C P UD 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 0C P UA/D计算机数字地（a） 在传感器与A/D转换器之间VCC放大器sU模拟地双绞线D/A计算机数字地图8-12 光耦隔离器的模拟信号隔离VCC放大器模拟地双绞线LR（b） 在D/A转换器与执行器之间执行器传感器利用光耦隔离利用光耦隔离器的线性放大器的线性放

55、大区，也可传送区，也可传送模拟信号而隔模拟信号而隔离电磁干扰，离电磁干扰，即在模拟信号即在模拟信号通道中进行隔通道中进行隔离。例如在现离。例如在现场传感器与场传感器与A/D转换器或转换器或D/A转换器与转换器与现场执行器之现场执行器之间的模拟信号间的模拟信号的线性传送。的线性传送。（三）滤波技术（三）滤波技术EMI（Electromagnetic Interference 电磁干扰）滤波器基本的工作原理与普通滤波器一样，都是允许有用信号的频率分量通过, 同时阻止其他干扰频率分量通过。 EMC滤波器的分类1、 反射式滤波器：由电感器和电容器组成，利用反射或旁路，使干扰信号不能通过。低通滤波器，使

56、低频信号通过，高频信号衰减。 用于电源电路，使市电（50Hz）通过，高频干扰信号衰减。 用于放大器电路或发射机输出电路，使基波通过，谐波和其他干扰信号衰减。高通滤波器：抑制低频干扰信号 例如：从信号通道上滤除交流声干扰。带通滤波器：只允许某一频率范围内的信号通过，带阻滤波器：只抑制某一频率范围内的信号通过。2、损耗滤波器、选用具有高损耗系数或高损耗角正切（通常把电容器的有功功率P与无功功率Q的比值称做为该电容器的损耗角正切 ）的材料，把高频电磁能量通过涡流转换成热能。 例如：铁氧体管，铁氧体磁环，磁环扼流圈等。 、几种常用的损耗滤波器、铁氧体管，如图把铁氧体 管套在信号线或电源线上， 衰减高频

57、干扰信号。、电缆滤波器：在导线外 包一层高频损耗材料（ 如铁氧体，或含铁粉的 环氧树脂）（如图）。 、滤波连接器, 如图所示， 把铁氧体直接组装在电缆连接器内，在100MHz 10GHz的频率范围内可以获得60dB以上的衰减。、磁环扼流圈，如图(a)所示，在导线上套一个圆环状铁氧体磁环，阻抗随导线中电流频率的升高而增大，可以抑制高频干扰分量。 应用：电源线，数字信号线。、穿心电容，外形如图 (b)所示，原理如图 (c)。一个端片接导线，另一个通过外壳接地，用于高频滤波。穿心电容金属板隔离金属板隔离输入输出端输入输出端一周接地一周接地电感很小电感很小特点：特点： 接地电感小接地电感小 输入输出没有耦合输入输出没有耦合 穿心电容实质上是一种三端穿心电容实质上是一种三端电容，一个电极与芯线相联，另电容，一个电极与芯线相联，另一个电极与外壳相联。一个电极与外壳相联。应用举例： 电动机的屏蔽和滤波， 如图， 电动机的碳刷滑动接触会出现火花放电, 产生高频的辐射干扰和传导干扰（通过电源线传播），可采用屏蔽(辐射干扰)，磁环（传导干扰），穿心电容（辐射干扰和传导干扰）等措施。3、有源滤波器： 使用晶体管等有源器件，以较小的体积和重量可以提供较大值的等效L和C。、有源电感滤波器：用晶体管模拟电感线圈的频率特性（f越高，阻抗越大）。