溫度補(bǔ)償元件課件

1、第7章 傳感器的共性關(guān)鍵技術(shù) 7.1傳感器的構(gòu)成方法 7.2 傳感器的信號(hào)獲取方式 7.3 提高傳感器性能的若干技術(shù)途徑7.4 傳感器系統(tǒng)溫度漂移的硬件補(bǔ)償7.5 采用數(shù)字化技術(shù)改進(jìn)傳感器系統(tǒng)的性能7.6 傳感器系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 7.7 測(cè)量不確定度評(píng)定 7.1傳感器的構(gòu)成方法傳感器的構(gòu)成方法，是研究如何用現(xiàn)有的傳感原理構(gòu)成各種具體傳感器的科學(xué)方法。通過(guò)敏感元件、傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路之間的科學(xué)組合，達(dá)到檢測(cè)各種參數(shù)的目的。7.1.1 基本型 在基本型中，敏感元件與傳感元件合二為一。它包括： 能量變換基本型 輔助能源型和 能量控制基本型1 能量變換基本型特點(diǎn)：傳感器從被測(cè)對(duì)象本身獲得能量，不需外

2、加電源，敏感元件就是能量變換元件，屬能量變換型的傳感器，也稱(chēng)有源型傳感器。對(duì)被測(cè)對(duì)象有負(fù)荷效應(yīng)。輸出信號(hào)一般比較微弱。 2 輔助能源型 對(duì)某些敏感元件與傳感元件合二為一構(gòu)成的傳感器，為了增加其抗干擾能力、提高穩(wěn)定性或取出電信號(hào)而對(duì)其施加了電源，或因工作原理需要而使用固定磁場(chǎng)。 它們輸出的能量是從被測(cè)對(duì)象上獲得的，仍是能量變換型傳感器。所采用的電源或磁場(chǎng)稱(chēng)為輔助能源或偏壓源。 例子：光電管、光敏二極管、磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器等。3 能量控制基本型 敏感元件與傳感元件合二為一構(gòu)成，但需用外加電源才能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電壓等電量輸出。典型例子：聲表面波傳感器、差動(dòng)變壓器式位移傳感器、感應(yīng)同步

3、器、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電化學(xué)電解電池傳感器等。 特點(diǎn)是：需外加電源，輸出能量可大于被測(cè)對(duì)象所輸入的能量。 7.1.2 電路參數(shù)型由敏感元件、包含該敏感元件在內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路、電源組成。特點(diǎn)：傳感元件將輸入非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻抗參數(shù)；電源向包含有傳感元件的信號(hào)調(diào)理電路提供能量，從而輸出電壓或電流，因此屬于能量控制(或稱(chēng)調(diào)制)型；輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量；利用熱平衡或傳輸現(xiàn)象中的二次效應(yīng)的傳感器均屬此類(lèi)。第二章、第三章、第四章所述的傳感器基本上都屬于電路參數(shù)型傳感器，例如電阻應(yīng)變片、自感傳感器、電渦流傳感器、電容傳感器、氣敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、熱敏電阻等。 7.1.3 多級(jí)變換型利用各種敏感元

4、件把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成某種可利用的中間變換物理量，再通過(guò)傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量輸出。這種兩級(jí)或兩級(jí)以上的變換增加了設(shè)計(jì)的自由度，可設(shè)計(jì)出測(cè)量各種非電參數(shù)、適應(yīng)各種條件的傳感器?？衫玫闹虚g變換物理量是指那些容易轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的物理量，例如應(yīng)變、位移、光強(qiáng)、熱等。多級(jí)變換型又分為能量變換型和能量控制型兩類(lèi)。前者例子有壓電式加速度傳感器，后者如應(yīng)變式力傳感器、電容式加速度傳感器、霍爾式壓力傳感器、光纖式加速度傳感器等。7.1.4 參比補(bǔ)償型為了消除環(huán)境條件變化如溫度變化、電源電壓波動(dòng)等對(duì)檢測(cè)精度的影響，采用兩個(gè)性能完全相同的傳感元件，其中一個(gè)傳感元件感受被測(cè)量和環(huán)境條件量，另一個(gè)

5、只感受環(huán)境條件量而作為補(bǔ)償用，以達(dá)到消除或減小環(huán)境干擾的影響，這種組合形式稱(chēng)為參比補(bǔ)償型。例如電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)成參比補(bǔ)償型時(shí)，則將其兩個(gè)(或兩個(gè)以上)傳感元件(一個(gè)為工作片，另一個(gè)為補(bǔ)償片)同時(shí)接到電橋電路的相鄰兩臂，就能對(duì)溫度、電源電壓等變化的影響起到補(bǔ)償或消除作用。7.1.5 差動(dòng)結(jié)構(gòu)型差動(dòng)結(jié)構(gòu)是傳感器學(xué)科很有特色的一種技術(shù)。采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可以提高傳感器的靈敏度和線(xiàn)性度、減小環(huán)境等共模干擾因素的影響。差動(dòng)結(jié)構(gòu)是用兩個(gè)性能完全相同的傳感元件同時(shí)感受相同的環(huán)境量和方向相反的被測(cè)量。例子：差動(dòng)電阻應(yīng)變式傳感器、差動(dòng)電容式傳感器、差動(dòng)電感式傳感器等。當(dāng)用壓電元件測(cè)量壓力時(shí)，如果其加速度效應(yīng)的影響不

6、可忽略，則需采用兩個(gè)壓電元件反極性安裝構(gòu)成差動(dòng)型，以補(bǔ)償加速度的影響，同時(shí)提高了傳感器的靈敏度。7.1.6 反饋型反饋型傳感器是一種閉環(huán)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是存在將非電量轉(zhuǎn)換為電量的傳感元件，同時(shí)存在將電量轉(zhuǎn)換為非電量的反傳感元件（即反饋元件），使傳感元件工作在平衡狀態(tài)，因此亦稱(chēng)為平衡式傳感器。目前主要有力反饋型(包括位移反饋型)和熱反饋型兩類(lèi)。其例子有差動(dòng)電容力平衡式加速度傳感器、熱線(xiàn)熱反饋式流速傳感器等。反饋型傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如高精度微差壓的測(cè)量、高流速的測(cè)量等。功 能主 要 敏 感 元 件力、壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移彈性元件（有環(huán)式、梁式、圓柱式、膜片式、波紋膜片式、膜盒、波紋管、彈

7、簧管）位 移電位器、電感、電容、差動(dòng)變壓器、電渦流線(xiàn)圈、容柵、磁柵、感應(yīng)同步器、霍爾元件、光柵、碼盤(pán)、應(yīng)變片、光纖、陀螺力 敏半導(dǎo)體壓阻元件、壓電陶瓷、石英晶體、壓電半導(dǎo)體、高分子聚合物壓電體、壓磁元件熱 敏金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶、pn結(jié)、熱釋電器件、熱線(xiàn)探針、強(qiáng)磁性體、強(qiáng)電解質(zhì)光 敏光電管、光電倍增管、光電池、光敏二極管、光敏三極管、色敏元件、光導(dǎo)纖維、CCD、熱釋電元件磁 敏霍爾元件、半導(dǎo)體磁阻元件、磁敏二極管、鐵磁體金屬薄膜磁阻元件、SQUID聲 敏壓電振子射 線(xiàn) 敏閃爍計(jì)數(shù)管、電離室、蓋格計(jì)數(shù)管、中子計(jì)數(shù)管、pn二極管、表面障壁二極管、pin二極管、MIS二極管、通道型光電

8、倍增管氣 敏MOS氣敏元件、熱傳導(dǎo)元件、半導(dǎo)體氣敏電阻元件、濃差電池、紅外吸收式濕 敏MOS濕敏元件、電解質(zhì)（如LiCl）濕敏元件、高分子電容式濕敏元件、高分子電阻式濕敏元件、熱敏電阻式、CFT濕敏元件物 質(zhì) 敏固相化酶膜、固相化微生物膜、動(dòng)植物組織膜、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）7.2 傳感器的信號(hào)獲取方式 設(shè)傳感器的輸入變量為 ，傳感器內(nèi)部變量為 ，傳感器輸出變量為 式中如果把作為被測(cè)信號(hào)，作為與對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，則 為使輸入與輸出一一對(duì)應(yīng)，必須使以外的變量固定不變，或即使有變化，對(duì)也不產(chǎn)生影響或影響很小可以忽略。 換言之，必須確保傳感器對(duì)信號(hào)具有良好的選擇性。 7.2.1 固定方式指在

9、檢測(cè)過(guò)程中把除被測(cè)量以外的其它影響輸出量的變量固定為恒值。例，使用熱電偶測(cè)溫，首先應(yīng)嚴(yán)格控制熱電偶材料的成分、純度；測(cè)溫過(guò)程中將其冷端溫度固定為冰點(diǎn)；將熱電偶插入保護(hù)管內(nèi)，避免環(huán)境條件和周?chē)鷼夥沼绊懀共牧铣煞蛛S時(shí)間變化為零。又如，使用位移式傳感器時(shí)，要求其傳遞位移部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)堅(jiān)固，不允許有變形和撓曲。7.2.2 補(bǔ)償方式在補(bǔ)償方式中，利用被測(cè)量和干擾變量共同作用的函數(shù)量和只有干擾變量作用的函數(shù)量之差或之比來(lái)消除干擾變量對(duì)測(cè)量精度的影響。相對(duì)于被測(cè)量，如果干擾變量的作用效果是相加的，則取其差來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，如果是相乘的，則取其比進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)為被測(cè)量，相對(duì)于其基準(zhǔn)值的變化量為為干擾變量，相對(duì)于其

10、基準(zhǔn)值的變化量為則被測(cè)量和干擾變量共同作用的函數(shù)為只有干擾變量作用的函數(shù)為將它們分別在 、 附近展開(kāi)，忽略高階項(xiàng)如果函數(shù)可表達(dá)為由上式可知，它消除了的 影響，達(dá)到了完全補(bǔ)償往往將其中的一次項(xiàng)作為輸出信號(hào)，二次項(xiàng)是輸入與輸出之間的非線(xiàn)性項(xiàng)。則如果函數(shù)可表示為則取其比，此時(shí)其輸出為因此消除了干擾量 的影響，得到完全的補(bǔ)償7.2.3 差動(dòng)方式在差動(dòng)方式中，采用兩個(gè)傳感器，并使兩個(gè)傳感器以相反方向感受被測(cè)量，一個(gè)在增大方向感受被測(cè)量，另一個(gè)減小方向感受被測(cè)量，這兩個(gè)傳感器對(duì)干擾量的感受方向卻是相同的，輸出信號(hào)取兩種函數(shù)之差。7.2.4 濾波方式濾波方式利用被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)在頻率域內(nèi)的差別，亦即被測(cè)信

11、號(hào)與干擾信號(hào)的頻率范圍不同，對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇。通常采用各種濾波器，如機(jī)械式濾波器、模擬濾波電路、數(shù)字濾波器等來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)在同一頻率范圍內(nèi)時(shí)，可先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將其移到別的頻率范圍內(nèi)，然后用濾波方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇。例如，通過(guò)對(duì)莫爾條紋信號(hào)的調(diào)制，可消除溫度等低頻干擾的影響。7.2.5 同步方式同步方式利用被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)在時(shí)間域上的某些區(qū)別來(lái)完成對(duì)信號(hào)的選擇。當(dāng)被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間不同時(shí)，可在信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間段內(nèi)讀取信號(hào)；當(dāng)被測(cè)信號(hào)夾雜并淹沒(méi)在干擾信號(hào)中時(shí)，如果已知被測(cè)信號(hào)的頻率或周期，則可采用同步檢波法來(lái)選擇信號(hào)。設(shè)被測(cè)信號(hào)為，選用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為同步檢波器是一種乘法器，

12、其輸出為，再通過(guò)低通濾波器濾除交流分量后，就可得到信號(hào)。時(shí)，輸出為最大。，把它們同時(shí)輸至同步檢波器。 由于干擾信號(hào)是不規(guī)則的，其頻率也往往不同于被測(cè)信號(hào)，通過(guò)低通濾波器可基本消除干擾對(duì)輸出的影響。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為規(guī)則信號(hào)，并已知其周期時(shí)，可采用同步迭加平均法將淹沒(méi)在干擾中的被測(cè)信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。同步迭加平均法原理是在時(shí)間軸上按被測(cè)信號(hào)的周期分段，并以相同起始點(diǎn)進(jìn)行N次相加，即將被測(cè)信號(hào)放大N倍，干擾信號(hào)因其隨機(jī)性只被放大 倍，因此信噪比提高了 倍，使淹沒(méi)在不規(guī)則干擾中的信號(hào)得以檢測(cè)出來(lái)。同步迭加平均法所需設(shè)備比同步檢波法復(fù)雜。7.3 提高傳感器性能的若干技術(shù)途徑7.3.1 合理選擇結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)應(yīng)

13、根據(jù)實(shí)際的、具體的測(cè)量需要，在確保實(shí)現(xiàn)主要指標(biāo)的前提下，放寬對(duì)次要指標(biāo)的要求，提高性能價(jià)格比。在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)合理選擇其結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)是保證其具有良好性能價(jià)格比的前提。對(duì)于任何一種產(chǎn)品，設(shè)計(jì)階段是其產(chǎn)品周期的起點(diǎn)。假設(shè)某種缺陷在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)可以用一倍的代價(jià)彌補(bǔ)的話(huà)，那么在小批量試生產(chǎn)階段才發(fā)現(xiàn)該缺陷則需要十倍的代價(jià)去彌補(bǔ)，而在大批量生產(chǎn)階段要彌補(bǔ)該缺陷則將需要百倍的代價(jià)。7.3.2 采用線(xiàn)性化技術(shù)如果傳感器具有線(xiàn)性輸出特性，則可省略非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，便于標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理，便于刻度、制作、安裝、調(diào)試，提高精度。只有當(dāng)傳感器輸出與輸入具有線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，才能保證無(wú)失真的復(fù)現(xiàn)。但

14、實(shí)際上傳感器的各種非線(xiàn)性因素是客觀存在的，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，人們需要通過(guò)各種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出輸入特性的線(xiàn)性化，以改善傳感器的性能。在輸入量變化范圍不大、且非線(xiàn)性項(xiàng)方次不高時(shí)，常用切線(xiàn)和割線(xiàn)來(lái)代替實(shí)際曲線(xiàn)的某一段，這種方法稱(chēng)靜態(tài)特性的線(xiàn)性化。7.3.3 采用差動(dòng)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)采用差動(dòng)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和差動(dòng)電路相結(jié)合的差動(dòng)技術(shù)，可以達(dá)到消除零位值、減小非線(xiàn)性、提高靈敏度、抵消共模誤差干擾的效果。7.3.4 采用零位法、微差法與閉環(huán)技術(shù)1 零位法被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，儀表指零，此時(shí)被測(cè)量就等于標(biāo)準(zhǔn)量。機(jī)械天平就是零位法典型的例子。2 微差法由于零位法要求被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)完全相等，因而要求標(biāo)準(zhǔn)量要連續(xù)可調(diào)

15、，這往往不易做到。如果標(biāo)準(zhǔn)量與被測(cè)量的差值減小到一定程度，那么由于它們的相互抵消的作用，就能使檢測(cè)系統(tǒng)的誤差影響大大削弱，這就是微差法的原理。設(shè)被測(cè)量為x，與它相近的標(biāo)準(zhǔn)量為B，被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量之微差為A，A的數(shù)值可由檢測(cè)儀表讀出。由于AB，則由于A/x1，檢測(cè)儀表誤差的影響將被大大削弱，而B(niǎo)/B一般很小，所以測(cè)量的相對(duì)誤差可大為減小。這種方法由于不需要標(biāo)準(zhǔn)量連續(xù)可調(diào)，因此在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3 閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)要求具有寬的頻率響應(yīng)范圍、大的動(dòng)態(tài)范圍，高的靈敏度、分辨力與精度，以及優(yōu)良的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)有時(shí)不能滿(mǎn)足要求，于是出現(xiàn)了在零位法基礎(chǔ)上發(fā)展而成的閉環(huán)檢測(cè)

16、系統(tǒng)。這種技術(shù)應(yīng)用于傳感器，就構(gòu)成了帶有“反向傳感器的閉環(huán)式傳感器”。 7.3.5 采用多信號(hào)測(cè)量法1 兩信號(hào)測(cè)量法圖7-2 二信號(hào)測(cè)量法 被測(cè)量Ux與參考基準(zhǔn)UR兩個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)相同的路徑由相同的系統(tǒng)測(cè)量 若該系統(tǒng)增益為A，系統(tǒng)的誤差源為E0，則測(cè)量Ux時(shí)輸出U01，測(cè)量UR時(shí)輸出U02，可通過(guò)它們的比值計(jì)算被測(cè)量 通過(guò)比值計(jì)算Ux的相對(duì)誤差是直接用該系統(tǒng)輸出值Uol來(lái)求Ux，則其相對(duì)誤差為 二信號(hào)比值法求Ux的相對(duì)誤差是直接測(cè)量Ux的相對(duì)誤差的 倍。 所采用的參考信號(hào)UR越接近被測(cè)量Ux時(shí)，輸出值U01也越近U02，則相對(duì)誤差越小。只要求在兩信號(hào)的一個(gè)采樣期間內(nèi)系統(tǒng)增益A不發(fā)生變化即可。換言

17、之，大時(shí)間跨度內(nèi)的增益波動(dòng)不影響測(cè)量誤差，只要參考信號(hào)接近被測(cè)量且采樣周期足夠短。 2. 三信號(hào)法設(shè)R3=Rx為待測(cè)電阻，不妨假設(shè)它是用于溫度測(cè)量的鉑電阻，由恒流源Is激勵(lì)，Is已知電流，通過(guò)測(cè)量其放大后的壓降來(lái)求被測(cè)電阻。設(shè)測(cè)量系統(tǒng)增益為A，系統(tǒng)誤差源為E0。為提高測(cè)量精度，特引入兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2。 Rx上壓降的測(cè)量值R1上壓降的測(cè)量值R2上壓降的測(cè)量值單次測(cè)量值中均含有系統(tǒng)誤差E0。為消除E0影響，特作如下計(jì)算 差值之比N只與被測(cè)電阻的客觀值以及兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻值有關(guān)，N中不再含有系統(tǒng)誤差E0，是一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)電阻準(zhǔn)確度相同的高精度參數(shù)。被測(cè)電阻值取決于N的值和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的值，因此得到高精

18、度的測(cè)量結(jié)果。 三信號(hào)測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是：1）只要在三個(gè)信號(hào)量的測(cè)量期間內(nèi)系統(tǒng)誤差保持不變，則可消除對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。2）只要在對(duì)三個(gè)量的測(cè)量期間內(nèi)，系統(tǒng)增益A不變，則可消除由增益A波動(dòng)而引入的誤差。3）只要在對(duì)三個(gè)量的測(cè)量期間內(nèi)，恒流供電電流保持不變，則可消除其波動(dòng)引入的誤差。 總之，采用三信號(hào)法可以用低精度的放大器、低精度的恒流源獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。3 三步測(cè)量法在三信號(hào)測(cè)量法的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步引伸出三步測(cè)量法。若被測(cè)量為Ux，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量為UR，另一標(biāo)準(zhǔn)量選為零。第一步：測(cè)零點(diǎn)，系統(tǒng)輸入為零時(shí)之輸出 第二步：標(biāo)定，系統(tǒng)輸入為標(biāo)準(zhǔn)量時(shí)之輸出 第三步：測(cè)量，輸入為被測(cè)目標(biāo)參量時(shí)之輸出進(jìn)行相減、

19、相除運(yùn)算求比值N: N只與被測(cè)量的真值和標(biāo)準(zhǔn)量UR的值有關(guān)，不含系統(tǒng)誤差。被測(cè)目標(biāo)參量由比值N與標(biāo)準(zhǔn)量UR決定，因此是高精度的結(jié)果。（消除了系統(tǒng)誤差E0，同時(shí)也不存在增益A。） 三步測(cè)量法的第一步實(shí)質(zhì)為測(cè)量零點(diǎn)，第二步是用參考量作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全系統(tǒng)總增益作實(shí)時(shí)標(biāo)定，第三步是測(cè)量。優(yōu)點(diǎn):1）只要在三步測(cè)量時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)增益未來(lái)得及變化從而可視為常量時(shí)，在三步測(cè)量期間之外增益變化不引入誤差；2）系統(tǒng)誤差只要在三步測(cè)量時(shí)間內(nèi)保持不變，則所引入的誤差可以完全消除；3）為保證測(cè)量精度需要有足夠精度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。7.3.6 集成化與智能化集成化與智能化是提高傳感器性?xún)r(jià)比的必由之路。利用微機(jī)械加工技術(shù)與集成電路工藝制

20、作微傳感器，適宜大批量生產(chǎn)。微傳感器體積微小，為應(yīng)用于空間狹小的地方提供了可能，更重要的是這有利于傳感器動(dòng)態(tài)性能的改善。微傳感器制作工藝還為制作多維、陣列傳感器提供了條件，進(jìn)而為多傳感器信息融合提供了基礎(chǔ)。傳感器與微機(jī)相結(jié)合，導(dǎo)致了傳感器的智能化。智能傳感器系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)功能，而且引入一般通用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、信息處理技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論，使傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校正、自補(bǔ)償、自診斷、自檢等功能，從而使傳感器系統(tǒng)獲得高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高自適應(yīng)能力。7.4 傳感器系統(tǒng)溫度漂移的硬件補(bǔ)償7.4.1 溫度補(bǔ)償?shù)谋匾匀魏螠y(cè)量?jī)x表都是由敏感元件、變換放大環(huán)節(jié)、顯示環(huán)節(jié)

21、等組合而成。這些基本環(huán)節(jié)的靜特性都與環(huán)境溫度有關(guān)，尤其是敏感元件的靜特性與環(huán)境溫度關(guān)系更為密切。對(duì)于測(cè)量電路，由于電阻、電容器、二極管、三極管的特性等都隨環(huán)境溫度而變化，這就造成放大器的放大倍數(shù)、直流放大器的零點(diǎn)都隨壞境溫度而變化。對(duì)于機(jī)械零件，由于膨脹系數(shù)的存在，造成零件尺寸隨環(huán)境溫度而變化。對(duì)于儀表中使用的液體介質(zhì)(如硅油)也存在著隨溫度升高而產(chǎn)生的體膨脹現(xiàn)象。 傳感器系統(tǒng)基本組成環(huán)節(jié)的特性隨溫度而變化，必造成整個(gè)系統(tǒng)特性隨環(huán)境溫度而變化。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)傳感器系統(tǒng)性能在溫度適應(yīng)性方面的要求，就需要在傳感器系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中采用一系列具體的技術(shù)措施，以抵消或減弱環(huán)境溫度變化對(duì)特性的

22、影響，從而保證傳感器系統(tǒng)特性基本上不隨環(huán)境溫度而變化。這些技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為溫度補(bǔ)償技術(shù)。溫度補(bǔ)償技術(shù)包括硬件補(bǔ)償技術(shù)與軟件補(bǔ)償技術(shù)。 7.4.2 溫度補(bǔ)償原理1 傳感器系統(tǒng)的溫度有害靈敏度傳感器系統(tǒng)的溫度有害靈敏度也稱(chēng)溫度交叉靈敏度，指其輸出變化量與引起該輸出變化量的溫度變化量之比。 有害靈敏度由兩項(xiàng)組成。其一為系統(tǒng)輸出零點(diǎn)對(duì)溫度的有害靈敏度，它的大小反映了輸出零點(diǎn)隨溫度漂移的快慢；其二為系統(tǒng)輸出特性曲線(xiàn)斜率(即靈敏度)對(duì)溫度的有害靈敏度，它的大小反映了系統(tǒng)靈敏度隨溫度變化的快慢。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)哪康?，就是通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出并實(shí)施相應(yīng)的技術(shù)措施，使輸出零點(diǎn)對(duì)溫度的有害靈敏度和靈敏度

23、對(duì)溫度的有害靈敏度接近于零。 2 并聯(lián)式溫度補(bǔ)償原理應(yīng)按下列條件選擇溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié) 采用并聯(lián)式溫度補(bǔ)償雖然從理論上可以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但是實(shí)際上只能近似補(bǔ)償。特性曲線(xiàn)的溫度補(bǔ)償只能做到兩點(diǎn)或三點(diǎn)是全補(bǔ)償，而其它點(diǎn)不是“過(guò)補(bǔ)償”就是“欠補(bǔ)償”。并聯(lián)式溫度補(bǔ)償在測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)中已經(jīng)獲得較廣泛應(yīng)用，例如熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償、直流放大器的差分對(duì)輸入級(jí)的溫度補(bǔ)償、對(duì)數(shù)放大器的溫度補(bǔ)償?shù)取? 反饋式溫度補(bǔ)償原理 反饋控制理論告訴我們，當(dāng)需要穩(wěn)定一個(gè)物理量時(shí)，可以引入該物理量的負(fù)反饋。反饋式溫度補(bǔ)償就是應(yīng)用負(fù)反饋原理，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，保持測(cè)量?jī)x表的零點(diǎn)和靈敏度不隨環(huán)境溫度而變化。圖7-6為反饋式溫度補(bǔ)償?shù)脑砜?/p>

24、圖。 反饋式溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè)：1）如何將儀表輸出零點(diǎn)、靈敏度通過(guò)A0、A1、B0、B1檢測(cè)出來(lái)，并且變換成電壓信號(hào)Ufa0、Ufa1。2）如何用K0、K1 輸出，通過(guò)D0、D1 產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)改變a0(T)、 a1(T) ，以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)環(huán)境溫度T對(duì)a0(T)、 a1(T)的影響。 7.4.3 傳感器溫度補(bǔ)償舉例關(guān)于并聯(lián)式溫度補(bǔ)償?shù)木唧w例子，在前述章節(jié)中已有所涉及，例如霍爾傳感器的溫度補(bǔ)償。這里給出一個(gè)利用反饋式溫度補(bǔ)償原理對(duì)差動(dòng)變壓器式傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)睦印?圖7-7 差動(dòng)變壓器及測(cè)量電路原理圖 圖7-8 差動(dòng)變壓器及測(cè)量電路的等效電路 （7-36） （7-37） (7-3

25、8) （7-39） 綜合上述式子可得出 （7-40） 環(huán)境溫度對(duì)靈敏度的影響：原邊繞組的電阻隨環(huán)境溫度而變。銅導(dǎo)線(xiàn)的電阻溫度系數(shù)約為+4。原邊繞組電感隨環(huán)境溫度升高而下降。其原因是鐵心的磁特性(導(dǎo)磁率、磁滯損耗及渦損)與環(huán)境溫度有關(guān)。小型差動(dòng)變壓器在工頻下原邊繞組的感抗與電阻值相當(dāng)。變換系數(shù)KM隨環(huán)境溫度T升高而下降。其原因是隨著T升高，互感系數(shù)M1、M2下降。由于副邊繞組的電阻及二極管正向電阻都隨溫度而變，造成變換系數(shù)Kad隨溫度而變。激勵(lì)源頻率往往也隨T變。綜合上列幾點(diǎn)可以看出差動(dòng)變壓器式傳感器的靈敏度是溫度的復(fù)雜函數(shù)，從機(jī)理分析入手建立其數(shù)學(xué)模型難度很大，只得求助于實(shí)驗(yàn)建模。實(shí)驗(yàn)證明，在

26、E0保持恒定不變的前提條件下，靈敏度隨溫度升高而下降。小型差動(dòng)變壓器在值較低(接近工頻時(shí))，靈敏度的溫度系數(shù)大約是-0.3；在值較高時(shí)，靈敏度溫度系數(shù)大約是-0.05-0.1。這充分說(shuō)明，即使有穩(wěn)定的振蕩器供給恒定的激勵(lì)電勢(shì)，也不能克服差動(dòng)變壓器自身造成的靈敏度隨溫度升高而下降，因此必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。若采用并聯(lián)式溫度補(bǔ)償，可在差動(dòng)變壓器的原邊線(xiàn)路或副邊線(xiàn)路中串接熱敏電阻。這樣可使溫度附加誤差縮小到原來(lái)的幾分之一，但這種溫度補(bǔ)償方法只能滿(mǎn)足一般要求，效果不十分理想。如采用反饋式溫度補(bǔ)償，不僅可以自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)靈敏度的影響，而且可以自動(dòng)補(bǔ)償激勵(lì)源電勢(shì)和頻率變化所造成的影響，同時(shí)也改善了測(cè)量?jī)x表

27、的線(xiàn)性關(guān)系。關(guān)鍵問(wèn)題之一是如何將靈敏度值檢測(cè)出來(lái)。反饋式溫度補(bǔ)償?shù)牡诙€(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是怎樣產(chǎn)生控制作用去自動(dòng)調(diào)整S值，使S值不隨溫度而變。 通過(guò)檢測(cè)電壓或檢測(cè)與電壓成比例的電壓可把靈敏度檢測(cè)出來(lái)。從S表達(dá)式可以看出，通過(guò)控制振蕩器的電源電壓，可間接控制振蕩器的輸出電壓，從而達(dá)到控制S的目的。圖7-9 差動(dòng)變壓器式傳感器的反饋式溫度補(bǔ)償原理電路圖7.5 采用數(shù)字化技術(shù)改進(jìn)傳感器系統(tǒng)的性能7.5.1 傳感器非線(xiàn)性特性的數(shù)字化校正1 概述傳感器系統(tǒng)的線(xiàn)性度是用其輸入輸出特性曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間最大偏差與其滿(mǎn)量程輸出之比來(lái)定義的。所謂擬合直線(xiàn)是依據(jù)若干實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用一定的數(shù)學(xué)方法得到的直線(xiàn)。采用的數(shù)學(xué)方法不

28、同時(shí)，得出的線(xiàn)性度也不同。端點(diǎn)線(xiàn)性度是特性曲線(xiàn)的兩個(gè)端點(diǎn)連成一條直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)；最小二乘線(xiàn)性度是對(duì)實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合獲得擬合直線(xiàn)，物理意義是各標(biāo)定點(diǎn)相對(duì)擬合直線(xiàn)的誤差的平方和為最小。端點(diǎn)線(xiàn)性度的誤差分配不均勻，最大誤差的數(shù)值較大，但計(jì)算簡(jiǎn)單。最小二乘線(xiàn)性度的擬合精度高，但計(jì)算復(fù)雜。傳感器系統(tǒng)具有線(xiàn)性特性將會(huì)帶來(lái)多種優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)單元組合儀表，由于單元之間用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)聯(lián)系，要求儀表具有線(xiàn)性特性。但在傳感器系統(tǒng)中，非線(xiàn)性因素是客觀存在的。需要采取各種技術(shù)措施，補(bǔ)償各種非線(xiàn)性因素所造成的影響，是傳感器系統(tǒng)的特性近似為線(xiàn)性特性。這些技術(shù)措施統(tǒng)稱(chēng)為非線(xiàn)性特性的線(xiàn)性化校正，可以采用硬件措施，也可以采

29、用軟件措施。2 整段校正法整段校正法直接利用非線(xiàn)性方程進(jìn)行校正。依據(jù)傳感器標(biāo)定傳感器過(guò)程中所得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，求出反映輸入、輸出關(guān)系的多項(xiàng)式。要求這個(gè)多項(xiàng)式的次數(shù)盡量低，與實(shí)際特性的誤差盡量小。在傳感器系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)依據(jù)該多項(xiàng)式方程從傳感器輸出的電信號(hào)出發(fā)計(jì)算出被測(cè)量的對(duì)應(yīng)值。輸入信號(hào)為被測(cè)量，輸出信號(hào)為被測(cè)量的測(cè)得值，系統(tǒng)被線(xiàn)性化校正為比例系數(shù)為1的線(xiàn)性特性。這實(shí)質(zhì)上是個(gè)曲線(xiàn)擬合問(wèn)題。曲線(xiàn)擬合方法有多種，例如最小二乘多項(xiàng)式擬合、切比雪夫意義下的曲線(xiàn)擬合等。如采用最小二乘多項(xiàng)式擬合，對(duì)于n對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，(x1,y1)， (x2,y2)， (xn,yn)，構(gòu)造(m-1)次多項(xiàng)式使得以

30、電渦流傳感器非線(xiàn)性校正為例。首先對(duì)電渦流傳感器標(biāo)定，測(cè)其輸出數(shù)據(jù)。具體做法是，將電渦流傳感器探頭固定在微動(dòng)位移臺(tái)架的一端，臺(tái)架另一端的千分尺的頂部有一銅質(zhì)的圓平板，正對(duì)著探頭。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺，改變探頭與銅平面的距離。探頭接阻抗變換器，變換器的輸出接數(shù)字萬(wàn)用表，測(cè)得輸出電壓值。然后，在計(jì)算機(jī)上對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成線(xiàn)性化所需要的多項(xiàng)式。此時(shí)，輸出電壓為自變量，輸入位移為函數(shù)，擬合生成的多項(xiàng)式為y=f(x)。圖7-10 電渦流傳感器的輸人-輸出曲線(xiàn) 誤差修正結(jié)果表明，在0-9.75mm的位移范圍內(nèi)，應(yīng)用五次多項(xiàng)式處理，電渦流傳感器的最大絕對(duì)誤差小于3 分段折線(xiàn)校正法該方法用多段直線(xiàn)組成的一條折線(xiàn)

31、來(lái)擬合傳感器系統(tǒng)的非線(xiàn)性曲線(xiàn)，如圖7-11所示。 通過(guò)解下列方程就可得到直線(xiàn)段的系數(shù)和圖7-11 折線(xiàn)擬合感器的最大絕對(duì)誤差在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)先把每段直線(xiàn)方程的系數(shù)及實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)存于存儲(chǔ)器中。單片機(jī)進(jìn)行校正時(shí)，先根據(jù)測(cè)量值大小，找到合適的校正直線(xiàn)段，從存儲(chǔ)器中取出該直線(xiàn)段的系數(shù)，然后計(jì)算直線(xiàn)方程式(7-45)，就可獲得實(shí)際被測(cè)量y。4 平方插值校正法平方插值校正法實(shí)質(zhì)上也是一種分段校正法。它與分段直線(xiàn)校正法的主要區(qū)別是，在每一段中，不是采用線(xiàn)性擬合，而是采用二次拋物線(xiàn)擬合，這樣擬合的結(jié)果顯然比直線(xiàn)擬合更精確。平方插值法校準(zhǔn)曲線(xiàn)的分段擬合如圖7-12所示。 圖7-12 校正曲線(xiàn)的分段擬合圖中，曲線(xiàn)

32、可劃分為a，b，c，d四段，每段可以用一個(gè)二次拋物線(xiàn)方程來(lái)描述 在式(7-48)中，每段的系數(shù)ai，bi，ci，di可通過(guò)下述方法獲得，即在每段中找出任意3點(diǎn)，然后，解聯(lián)立方程則可求得系數(shù)a0，a1，a2。同理，可求得b0，b1，b2。然后將這些系數(shù)和x0，x1，x2，x3，x4等值預(yù)先存入相應(yīng)的非線(xiàn)性校正程序的數(shù)據(jù)表區(qū)域。 傳感器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，首先由實(shí)時(shí)測(cè)得值判斷所屬的曲線(xiàn)段，然后調(diào)出相應(yīng)擬合方程計(jì)算出被測(cè)量對(duì)應(yīng)值。7.5.2傳感器的自校準(zhǔn)1. 自校準(zhǔn)的基本概念 由于各種內(nèi)在和外來(lái)因素的影響，會(huì)引起傳感器系統(tǒng)增益改變、靈敏度發(fā)生變化。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)一直追求精心設(shè)計(jì)、精心制作、嚴(yán)格挑選高質(zhì)量的

33、材料及元器件以期將及控制在某一限度內(nèi)。這需要以高成本作為代價(jià)。將傳感器與微處理器賦以智能的結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)，能夠自動(dòng)校正因零位漂移、靈敏度漂移而引入的誤差，稱(chēng)之為自校準(zhǔn)。其基本思想是實(shí)時(shí)標(biāo)定。 2. 自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法（1）方法一如圖7-13（a）所示，實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)環(huán)節(jié)不包含傳感器。 微處理器在每一特定的周期內(nèi)發(fā)出指令，控制多路轉(zhuǎn)換器執(zhí)行三步測(cè)量法，使自校準(zhǔn)環(huán)節(jié)接通不同的輸入信號(hào)，即：第一步：校零。輸入信號(hào)為零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值，輸出值為y0=a0 ；第二步：標(biāo)定。輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)值UR，輸出值為yR；第三步：測(cè)量。輸入信號(hào)為傳感器的輸出Ux，輸出值為yx。該方法實(shí)質(zhì)是實(shí)時(shí)測(cè)量零點(diǎn)、實(shí)時(shí)標(biāo)定靈敏度。

34、一個(gè)寬量程測(cè)量系統(tǒng)往往是多檔系統(tǒng)，而不同的檔往往又是通過(guò)不同的增益切換獲得的。一般對(duì)每檔增益值都應(yīng)實(shí)時(shí)標(biāo)定，進(jìn)行自校準(zhǔn)。因此，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器給出的標(biāo)準(zhǔn)值也應(yīng)有多個(gè)，一個(gè)增益值就需設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的建立有時(shí)成本較高，為此可以采用“斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法進(jìn)行自校準(zhǔn)，如圖7-14所示。 圖7-14 斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法(a)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)UR波形：(b)輸出波形yR；(c)原理框圖圖7-14 斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法(c)原理框圖這種自校法能夠用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)多個(gè)增益實(shí)時(shí)標(biāo)定。圖7-14(c)是斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法的原理框圖。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生三角波信號(hào) UR ，被校增益環(huán)節(jié)G的輸出信號(hào)則為梯形波。增益值不同，梯形波的斜率也將

35、不同。根據(jù)測(cè)出輸入與輸出波形斜率比即可確定增益的數(shù)值。將閾值電壓比較器的下限比較電平置為-4.5V，上限比較電平置為+4.5V。輸入到閾值電壓比較器的電壓在-4.5V+4.5V范圍內(nèi)時(shí)，閾值電壓比較器輸出 UC 為高電平，否則為低電平。 微處理器系統(tǒng)接收到UC高電平時(shí)則開(kāi)始記錄高電平的起始與結(jié)束時(shí)刻，在UC是高電平的記錄時(shí)間內(nèi)，微處理器系統(tǒng)記錄了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)UR從-4.5V升至+4.5V的時(shí)間間隔為。記錄了輸出信號(hào)從-4.5V升至+4.5V的時(shí)間間隔為，則被校環(huán)節(jié)的增益G即為時(shí)間間隔比 這種自校法能夠用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)多個(gè)增益實(shí)時(shí)標(biāo)定。 斜率比動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法的校準(zhǔn)精度與閾值電壓比較器的分辨率、微處理器采樣

36、系統(tǒng)中A/D的量化誤差以及時(shí)鐘頻率有關(guān)。(2)方法二如圖7-13(b)所示，自校準(zhǔn)環(huán)節(jié)包含傳感器在內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)自校準(zhǔn)整個(gè)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值、零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值與傳感器輸入的被測(cè)目標(biāo)參數(shù)的屬性相同。例如，輸入壓力傳感器的被測(cè)目標(biāo)參量是壓力，則由標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力；若傳感器測(cè)量的是相對(duì)大氣壓力的壓差，那么零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值就是大氣壓力；多路轉(zhuǎn)換器則是非電型的可傳輸流體介質(zhì)的氣動(dòng)多路開(kāi)關(guān)。 微處理器在每一特定的周期內(nèi)發(fā)出指令，控制多路轉(zhuǎn)換器執(zhí)行校零、標(biāo)定、測(cè)量三步測(cè)量法，可得傳感器系統(tǒng)的靈敏度 整個(gè)傳感器系統(tǒng)的精度由標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值的精度來(lái)決定。只要求被校系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，如傳感器、放大器、A

37、/D轉(zhuǎn)換器等，在三步測(cè)量所需時(shí)間內(nèi)保持短暫穩(wěn)定。在三步測(cè)量所需時(shí)間間隔之前和之后產(chǎn)生的零點(diǎn)、靈敏度時(shí)間漂移、溫度漂移等都不會(huì)引入測(cè)量誤差。這種實(shí)時(shí)在線(xiàn)自校準(zhǔn)功能，可以采用低精度的傳感器、放大器、AD轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)，達(dá)到高精度測(cè)量結(jié)果的目的。因此具有自校準(zhǔn)功能的智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度。 （3）方法三對(duì)于輸出輸入特性具有非線(xiàn)性特性的傳感器系統(tǒng)，如果能對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定出實(shí)時(shí)的輸出輸入特性及其反非線(xiàn)性特性擬合方程式，并按其讀數(shù)，就可以消除交叉靈敏度的影響。為了縮短實(shí)時(shí)在線(xiàn)標(biāo)定的時(shí)間，故標(biāo)定點(diǎn)數(shù)不能多，但又要反映出輸出輸入特性的非線(xiàn)性，則標(biāo)定點(diǎn)不能少于三點(diǎn)。因此，要求標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器至

38、少提供三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。 第一步，對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、在線(xiàn)、測(cè)量前的實(shí)時(shí)三點(diǎn)標(biāo)定。依次輸入三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)量相應(yīng)輸出值。第二步，列出反非線(xiàn)性特性擬合方程式(二階三項(xiàng)多項(xiàng)式)第三步，由標(biāo)定值求反非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)擬合方程的系數(shù)。 獲知C0、C1、C2數(shù)值后，反非線(xiàn)性特性擬合方程式隨即被確定，這時(shí)智能傳感器系統(tǒng)可由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向測(cè)量狀態(tài)，按反非線(xiàn)性特性擬合方程式求出輸出值即代表系統(tǒng)測(cè)出的輸入待測(cè)目標(biāo)參量。因此，只要在實(shí)時(shí)標(biāo)定與測(cè)量期間保持傳感器系統(tǒng)特性不變，測(cè)量精度就取決于實(shí)時(shí)標(biāo)定的精度，其它任何時(shí)間特性的漂移帶來(lái)的不穩(wěn)定性都不會(huì)引入誤差。7.5.3 傳感器系統(tǒng)溫度漂移的自補(bǔ)償溫度是傳感器系統(tǒng)最主要的干擾量，

39、在傳統(tǒng)傳感器中主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、硬件電路“拼湊”補(bǔ)償來(lái)消除其影響。在智能傳感器系統(tǒng)中，則是采用監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法，通過(guò)對(duì)干擾量的監(jiān)測(cè)再由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。以壓阻式壓力傳感器為例介紹溫度的監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法。1 溫度信號(hào)的獲得 通過(guò)“一橋兩測(cè)”技術(shù)，由它自身來(lái)提供溫度信號(hào)。 圖7-15 壓阻式壓力傳感器(a)電原理圖；(b)等效電路由電壓即可獲知壓力傳感器的工作溫度 2 溫度漂移與非線(xiàn)性的綜合補(bǔ)償（1） 零位溫漂的補(bǔ)償 （2） 靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償壓力保持不變，其輸出值將隨溫度的升高而下降 圖7-17 壓阻式壓力傳感器的靈敏度溫度漂移 當(dāng)在工作溫度時(shí)測(cè)得的傳感器輸出量為U(T)，給U(T)值加一

40、個(gè)補(bǔ)償電壓 后，再按U(T1)P反非線(xiàn)性特性進(jìn)行刻度變換求取輸入量壓力值即可。因而問(wèn)題歸結(jié)為如何在各種不同的工作溫度，獲得所需要的補(bǔ)償電壓。 圖7-18 補(bǔ)償電壓的分段獲取根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)可知，在工作溫度保持不變時(shí)，壓阻式壓力傳感器輸入輸出呈非線(xiàn)性特性；在輸入量保持恒定情況下，其輸出電壓與工作溫度之間的特性也是一條非線(xiàn)性特性。因此可對(duì)非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)進(jìn)行分段，采用多段折線(xiàn)逼近非線(xiàn)性曲線(xiàn)的方法來(lái)求取補(bǔ)償電壓。 7.5.4 系統(tǒng)誤差的數(shù)字化修正 由于系統(tǒng)誤差的復(fù)雜性，對(duì)大多數(shù)的誤差形成機(jī)理往往不能充分了解，難以從理論上建立準(zhǔn)確的誤差模型。這時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)來(lái)獲得系統(tǒng)的校準(zhǔn)曲線(xiàn)。在整個(gè)量程范圍內(nèi)，

41、選取多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，得出系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，列成表格或繪出曲線(xiàn)。將曲線(xiàn)上各校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的校準(zhǔn)表格中。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，每當(dāng)獲得一個(gè)測(cè)得值，就到微處理器去訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)地址，讀出其內(nèi)容，即為被測(cè)量經(jīng)修正過(guò)的測(cè)量結(jié)果。 當(dāng)測(cè)得值介于兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間時(shí)，可以按最鄰近的一個(gè)值來(lái)查找對(duì)應(yīng)的值，作為最后的結(jié)果。當(dāng)然，這個(gè)結(jié)果帶有誤差。改進(jìn)：可以利用內(nèi)插方法來(lái)提高準(zhǔn)確度。 以容柵傳感器的誤差建模與修正為例在定性分析傳感器誤差因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了容柵傳感器實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，得到誤差數(shù)據(jù)。采用曲線(xiàn)擬合方法，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和建模，確定其規(guī)律。再采用查表和插值的方法，利用單片機(jī)對(duì)誤差進(jìn)行修正。1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理在實(shí)驗(yàn)標(biāo)

42、定中，以光柵為測(cè)量的基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中不可避免的存在測(cè)試誤差。這兩種誤差可能同時(shí)混在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中。預(yù)處理的目的就是要消除測(cè)試誤差。當(dāng)經(jīng)過(guò)處理后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)就被認(rèn)為是可信的，可以用來(lái)研究傳感器的誤差。圖7-19 誤差曲線(xiàn)1：剔除誤點(diǎn)后的曲線(xiàn)，2：線(xiàn)性擬合的曲線(xiàn)2 曲線(xiàn)擬合建模對(duì)圖7-19的曲線(xiàn)，先要進(jìn)行多項(xiàng)式的線(xiàn)性擬合，將上揚(yáng)的曲線(xiàn)拉平；然后，再用正弦或余弦函數(shù)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合。圖7-20 去除趨勢(shì)項(xiàng)后的誤差曲線(xiàn) 3. 單片機(jī)誤差修正 7.6 傳感器系統(tǒng)抗干擾技術(shù)7.6.1 干擾的類(lèi)型及產(chǎn)生干擾就是來(lái)自外部和內(nèi)部，影響測(cè)控系統(tǒng)正常工作的各種因素。傳感器系統(tǒng)屬于弱電裝置，而且工作在環(huán)境惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，抗干擾問(wèn)

43、題特別突出。 1 干擾的類(lèi)型 按干擾的來(lái)源，可分為機(jī)械干擾、熱干擾、電磁干擾、光干擾、濕度干擾、化學(xué)干擾、核輻射干擾等。 （1） 機(jī)械干擾：由于機(jī)械的振動(dòng)或沖擊，使電子測(cè)量裝置中的電氣元件發(fā)生振動(dòng)、變形，使連接導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動(dòng)，使儀器接頭松動(dòng)等。對(duì)于機(jī)械類(lèi)干擾的防護(hù)措施主要采用，避振或隔振來(lái)解決，例如采用減振彈簧、減振軟墊隔板、消振等措施或進(jìn)行遙測(cè)。（2） 熱干擾：由于電子測(cè)量裝置和元器件在工作時(shí)產(chǎn)生熱量、環(huán)境溫度變化等引起有關(guān)元器件參數(shù)的變化以及產(chǎn)生某種附加熱電勢(shì)等，從而影響了電測(cè)裝置的正常工作。防護(hù)措施: 1) 熱屏蔽：將某些對(duì)溫度比較敏感的或在電路中有影響的電氣元件或部件，用

44、導(dǎo)熱性能良好的金屬材料做成的熱屏蔽與熱源隔離起來(lái)。2) 恒溫法：例如將石英晶體和基準(zhǔn)穩(wěn)壓管等與精度密切相關(guān)的元件置于恒溫設(shè)備中。3) 平衡相消結(jié)構(gòu)：如差分放大電路、電橋電路等，使兩個(gè)與溫度有關(guān)的元件處于對(duì)稱(chēng)平衡的電路結(jié)構(gòu)兩側(cè)，溫度對(duì)這兩個(gè)元件產(chǎn)生相同的影響，但對(duì)輸出端則產(chǎn)生相反的影響，相互抵消。4) 溫度補(bǔ)償元件：采用溫度補(bǔ)償元件以補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化對(duì)裝置的影響。5) 加強(qiáng)自然通風(fēng)和強(qiáng)制冷卻。（3） 電磁干擾：由于傳感器系統(tǒng)本身的電磁波和外界電磁場(chǎng)的影響，在系統(tǒng)內(nèi)部有關(guān)電路中感應(yīng)出干擾電流或干擾電壓，從而使設(shè)備不能正常工作。（4） 光干擾：傳感器系統(tǒng)、測(cè)量裝置內(nèi)的半導(dǎo)體器件，在光的作用下改變其

45、導(dǎo)電性能，產(chǎn)生電勢(shì)或引起阻值的變化，從而影響電測(cè)裝置的正常工作。因此，對(duì)某些半導(dǎo)體器件應(yīng)封裝在不透光的殼體內(nèi)或采取光屏蔽措施。（5） 濕度干擾： 濕度對(duì)傳感器系統(tǒng)有多種影響，例如: 濕度增加引起絕緣電阻下降，漏電流增加；電介質(zhì)的介電常數(shù)增加，電容量增加；吸潮后骨架膨脹使線(xiàn)圈阻值增加，電感量變化；應(yīng)變片粘貼后，膠質(zhì)變軟，精度下降等。 通常采取的防護(hù)措施是避免放在潮濕處，儀器裝置定時(shí)通電加熱去潮，設(shè)置吸潮劑，電子器件和印制電路要浸漆或用環(huán)氧樹(shù)脂封灌等。（6） 化學(xué)干擾：酸、堿、鹽等化學(xué)藥品以及其他腐蝕性氣體，除了具有化學(xué)腐蝕性將會(huì)損壞儀器設(shè)備和元器件外，又能與金屬導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)電動(dòng)勢(shì)，從而影響儀器設(shè)

46、備的正常工作。必須根據(jù)使用環(huán)境對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行必要的防腐措施，將關(guān)鍵的元器件密封。在制作和調(diào)試時(shí)應(yīng)注意清潔，防止汗液或臟物對(duì)設(shè)備的沾污。（7） 核輻射干擾：核輻射能產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，射線(xiàn)會(huì)使氣體電離，使金屬逸出電子，從而影響電測(cè)裝置的正常工作。核輻射的防護(hù)技術(shù)，主要用于原子能工業(yè)等方面。 2 電磁干擾源(1) 放電干擾源1） 天體和天電干擾 2） 電暈放電干擾3） 火花放電干擾 4） 輝光、弧光放電干擾(2) 電氣設(shè)備干擾源1） 射頻干擾 2） 工頻干擾 3） 感應(yīng)干擾(3) 固有干擾源1） 熱噪聲干擾 2） 散粒干擾 3） 接觸干擾 3 電磁干擾疊加和信噪比(1) 干擾疊加1） 非相關(guān)干擾源電

47、壓相加：各干擾電壓或干擾電流各自獨(dú)立、互不干擾時(shí)，它們的總功率為各個(gè)干擾功率之和。它們的電壓之和為2） 兩個(gè)相關(guān)干擾電壓之和(2) 信噪比7.6.2 噪聲耦合方式1 噪聲形成干擾的三要素噪聲形成干擾需要同時(shí)具備三要素：噪聲源、對(duì)噪聲敏感的接收電路及噪聲源到接收電路之間的耦合通道。噪聲耦合方式主要有：靜電耦合、電磁耦合、共阻抗耦合和漏電流耦合。2 靜電耦合靜電耦合又稱(chēng)電容性耦合，它是由于兩個(gè)電路之間存在有寄生電容，使一個(gè)電路的電荷變化影響到另一個(gè)電路。 圖7-24 靜電耦合等效電路（1） 被干擾電路接收到的干擾電壓正比于噪聲源的角頻率。（2） 干擾電壓正比于接收電路的輸入阻抗。這說(shuō)明，降低接收電

48、路的輸入阻抗，可減小靜電耦合干擾。對(duì)于微弱信號(hào)放大器，其輸入阻抗應(yīng)盡可能低，一般希望在數(shù)百歐以下。（3）干擾電壓正比于噪聲源與接收電路之間的分布電容。這說(shuō)明，應(yīng)通過(guò)合理布線(xiàn)和適當(dāng)防護(hù)措施減小分布電容。當(dāng)有幾個(gè)噪聲源同時(shí)經(jīng)靜電耦合干擾同一個(gè)接收電路時(shí)，可以使用迭加原理分別對(duì)各噪聲源干擾進(jìn)行分析。 圖7-25 通過(guò)靜電耦合對(duì)電子儀器的于擾(a)示意圖，(b)等效電路圖7-25為電子儀器受靜電耦合干擾的示意圖及其等效電路。在所給定的參數(shù)下，則利用式(7-94)計(jì)算得到作用于B點(diǎn)的干擾電壓為。經(jīng)放大器放大后，可能將出現(xiàn)左右的干擾電壓，這是不能允許的。因此，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，才能使儀器正常工作。

49、3 電磁耦合電磁耦合又稱(chēng)互感耦合，它是由于兩個(gè)電路之間存在有互感，使一個(gè)電路的電流變化通過(guò)磁交鏈影響到另一個(gè)電路。 圖7-26 電磁耦合干擾等效電路被干擾電路感應(yīng)的干擾電壓正比于噪聲源的角頻率；干擾電壓正比于互感系數(shù)；干擾電壓正比于噪聲源電流。對(duì)于電磁耦合干擾，降低接收電路的輸入阻抗并不會(huì)減少干擾。電磁耦合干擾電壓是與接收電路導(dǎo)線(xiàn)相串聯(lián)的，這不同于靜電耦合干擾。4 共阻抗耦合共阻抗耦合是由于兩個(gè)電路共有阻抗，當(dāng)一個(gè)電路中有電流流過(guò)時(shí)，通過(guò)共有阻抗便在另一個(gè)電路中產(chǎn)生干擾電壓。 圖7-27 共阻抗耦合等效電路5 漏電流耦合它是由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流所引起的噪聲干擾 。圖7-28 漏

50、電流耦合等效電路 圖7-29 高輸入阻抗放大器漏電干擾6 傳導(dǎo)耦合當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)過(guò)具有噪聲的環(huán)境時(shí)，即拾取噪聲，并經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)傳送到電路而造成干擾。傳導(dǎo)耦合的主要例子是噪聲經(jīng)電源線(xiàn)傳到電路中來(lái)。通常，交流供電線(xiàn)路在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的分布實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)吸收各種噪聲干擾的網(wǎng)絡(luò)，而且噪聲十分方便地以導(dǎo)線(xiàn)傳導(dǎo)的形式傳到各處，并經(jīng)過(guò)電源線(xiàn)進(jìn)入各種電子裝置造成干擾。實(shí)踐證明，經(jīng)電源線(xiàn)引入電子裝置的干擾無(wú)論從廣泛性和嚴(yán)重性來(lái)說(shuō)都是十分明顯的，但常被忽視。7 輻射電磁場(chǎng)耦合通常來(lái)源于大功率高頻電氣設(shè)備。配電線(xiàn)將在輻射電磁場(chǎng)中感應(yīng)出干擾電勢(shì)，并通過(guò)供電線(xiàn)路侵入電子裝置，造成干擾。7.6.3 主要抗干擾措施1 屏蔽技術(shù)所謂電磁屏蔽

51、，就是用電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率高的材料制成封閉的容器，將受擾的電路置于該容器之中，從而抑制該容器外的干擾與噪聲對(duì)容器內(nèi)電路的影響。當(dāng)然也可以將產(chǎn)生干擾與噪聲的電路置于該容器之中，從而減弱或消除其對(duì)外部電路的影響。屏蔽可以顯著地減小靜電(電容性)耦合和互感(電感性)耦合的作用，降低受擾電路的干擾與噪聲的敏感度，因而在電路設(shè)計(jì)中被廣泛采用。圖7-30 電磁屏蔽的作用屏蔽結(jié)構(gòu)形式主要有屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、屏蔽銅箔、隔離倉(cāng)和導(dǎo)電涂料等。 屏蔽材料有電場(chǎng)屏蔽材料和磁場(chǎng)屏蔽材料。電場(chǎng)屏蔽一般采用電導(dǎo)率較高的銅或鋁材料。當(dāng)干擾與噪聲的頻率較高時(shí)，采用價(jià)格較貴的銀材料效果更好些。電場(chǎng)屏蔽的作用以反射衰減為主。磁場(chǎng)屏蔽一

52、般采用磁導(dǎo)率較高的磁材料。磁場(chǎng)屏蔽的作用以透射時(shí)的吸收衰減為主，其特點(diǎn)是干擾與噪聲頻率升高時(shí)，磁導(dǎo)率下降，屏蔽作用減弱。對(duì)此，可采用多種不同的材料制成多層屏蔽結(jié)構(gòu)解決之。在一些要求比較高的場(chǎng)合，可同時(shí)采用電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽兩種方式，以達(dá)到充分抑制干擾與噪聲的目的。2 接地技術(shù)接地通常有兩種含義，一是連接到系統(tǒng)基準(zhǔn)地，二是連接到大地。連接到系統(tǒng)基準(zhǔn)地是指各個(gè)電路部分通過(guò)低電阻導(dǎo)體與電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼實(shí)施的連接，而電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼并不連接到大地。連接到大地指的是將電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼通過(guò)低電阻導(dǎo)體與大地實(shí)施的連接。針對(duì)不同的情況，可采用公共基準(zhǔn)電位接地、抑制干擾接地、

53、安全保護(hù)接地等方式。(1) 公共基準(zhǔn)電位接地測(cè)量與控制電路中的基準(zhǔn)電位是各回路工作的參考電位，該參考電位通常選為電路中直流電源的零電壓端。當(dāng)電路系統(tǒng)中有兩個(gè)以上直流電源時(shí)則為其中一個(gè)直流電源的零電壓端。該參考電位與大地的連接方式有直接接地、懸浮接地、一點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地等方式，可根據(jù)不同情況下組合采用，以達(dá)到所要求的目的。1） 直接接地：適于大規(guī)?；蚋咚俑哳l電路系統(tǒng)。2） 懸浮接地(簡(jiǎn)稱(chēng)浮地)：即各個(gè)電路部分通過(guò)低電阻導(dǎo)體與電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼實(shí)施連接，電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼是各回路工作的參考電位即零電平電位，但不連接到大地。懸浮接地的優(yōu)點(diǎn)是不受大地電流的影響，內(nèi)部器件不會(huì)因高電壓

54、感應(yīng)而擊穿。 3） 一點(diǎn)接地：有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種情況。 串聯(lián)式接地方式構(gòu)成簡(jiǎn)單而易于采用，但當(dāng)R1、R2、R3較大或接地電流較大時(shí)，各部分電路接地點(diǎn)電平差異顯著，影響弱信號(hào)電路的正常工作。 并聯(lián)式接地方式各部分電路的接地電阻相互獨(dú)立，不會(huì)產(chǎn)生公共阻抗干擾，但接地線(xiàn)長(zhǎng)而多，經(jīng)濟(jì)性差。另外當(dāng)用于高頻場(chǎng)合時(shí)，接地線(xiàn)間分布電容的耦合比較突出，而且當(dāng)?shù)鼐€(xiàn)的長(zhǎng)度是信號(hào)14波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)還會(huì)向外產(chǎn)生電磁輻射。圖7-31 一點(diǎn)接地方式a)串聯(lián)式 b)并聯(lián)式 4） 多點(diǎn)接地：為降低接地線(xiàn)長(zhǎng)度，減小高頻時(shí)的接地阻抗，可采用多點(diǎn)接地的方式，其各個(gè)部分電路都有獨(dú)立的接地連接。 圖7-32 多點(diǎn)接地方式 如果Z1用金

55、屬導(dǎo)體構(gòu)成，Z2、Z3用電容器構(gòu)成，對(duì)低頻電路來(lái)說(shuō)仍然是一點(diǎn)接地方式，而對(duì)高頻電路來(lái)說(shuō)則是多點(diǎn)接地方式，從而可適應(yīng)電路寬頻帶工作的要求。如果Z1用金屬導(dǎo)體構(gòu)成，Z2、Z3用電感器構(gòu)成，對(duì)低頻電路來(lái)說(shuō)是多點(diǎn)接地方式，而對(duì)高頻電路來(lái)說(shuō)則是一點(diǎn)接地方式，既能在低頻時(shí)實(shí)現(xiàn)各部分的統(tǒng)一基準(zhǔn)電位和保護(hù)接地，又可避免接地回路閉合而引入高頻干擾。 (2) 抑制干擾接地電氣設(shè)備中某些部分與大地連接，可起到抑制干擾與噪聲的作用。抑制干擾接地從具體連接方式上講，有部分接地和全部接地、一點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地、直接接地與懸浮接地等類(lèi)型。(3) 安全保護(hù)接地當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣因機(jī)械損傷、過(guò)電壓等原因被損壞，或無(wú)損壞但處于強(qiáng)電磁

56、環(huán)境時(shí)，其金屬外殼、操作手柄等部分會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)高的對(duì)地電壓，危及人員安全。將電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼與大地實(shí)施連接，可消除觸電危險(xiǎn)。要保證較小的接地電阻和可靠的連接方式。要堅(jiān)持獨(dú)立接地，即將接地線(xiàn)通過(guò)專(zhuān)門(mén)的低阻導(dǎo)線(xiàn)與近處的大地實(shí)施連接。3 隔離技術(shù) 圖7-33 地線(xiàn)環(huán)路的形成及其隔離 a)地線(xiàn)環(huán)路的形成 b)隔離變壓器隔離c)縱向扼流圈隔離 d)光耦合器隔離由于分布參數(shù)無(wú)法完全控制，常常會(huì)形成如圖7-33a所示的寄生環(huán)路(特別是地環(huán)路)，從而引入電磁耦合干擾。圖7-33b采用隔離變壓器T切斷地線(xiàn)環(huán)路。在信號(hào)頻率為50Hz以上時(shí)采用比較合適，在低頻特別是超低頻時(shí)不宜采用。圖7-33c采用縱向扼

57、流圈T切斷地線(xiàn)環(huán)路。在信號(hào)頻率較低及超低頻時(shí)采用比較合適。圖7-33d采用光電耦合器切斷地線(xiàn)環(huán)路。用于數(shù)字信號(hào)電路的光電耦合器價(jià)格比較便宜，用于模擬信號(hào)的光耦合器稱(chēng)為線(xiàn)性光耦合器，其價(jià)格要貴得多。4 布線(xiàn)技術(shù)合理布線(xiàn)是抗干擾措施的一項(xiàng)重要內(nèi)容，包括：測(cè)量與控制電路中的器件布局走線(xiàn)方式連接導(dǎo)線(xiàn)的種類(lèi)線(xiàn)徑的粗細(xì)線(xiàn)間的距離導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)短屏蔽方式布線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性。 (1) 印制電路板上的布線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)裝配密度很高的印制電路板時(shí)應(yīng)注意降低電源線(xiàn)和地線(xiàn)的阻抗，對(duì)公共阻抗、串?dāng)_和反射等引起的波形崎變和振蕩現(xiàn)象要采取必要的措施。由于電源線(xiàn)、地線(xiàn)和其他印制導(dǎo)線(xiàn)都有電感，當(dāng)電源電流變化速率很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的壓降。地線(xiàn)壓降是

58、形成公共阻抗干擾的重要原因，所以要盡量縮短引線(xiàn)，減小其電感值，盡量加粗電源線(xiàn)和地線(xiàn)線(xiàn)條，降低其直流電阻。盡量避免相互平行的長(zhǎng)信號(hào)線(xiàn)，以防寄生電容。對(duì)印制板上的器件布置，原則上應(yīng)將相互有關(guān)的器件相對(duì)集中。 (2) 連接導(dǎo)線(xiàn)的選用配線(xiàn)技術(shù)是應(yīng)予講究的一個(gè)環(huán)節(jié)。通常情況下的電路原理圖，一般不描述配線(xiàn)方面產(chǎn)生的多種現(xiàn)象和隨機(jī)變化的各種電氣參數(shù)。例如，不同長(zhǎng)短粗細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)體現(xiàn)為不同的電阻和電感，電流流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)場(chǎng)，絕緣導(dǎo)線(xiàn)間存在的分布電容等，都是一般電路原理圖所不反映的。測(cè)控設(shè)備所用導(dǎo)線(xiàn)有單股導(dǎo)線(xiàn)、扁平電纜、屏蔽線(xiàn)、雙絞線(xiàn)等。選用單股導(dǎo)線(xiàn)時(shí)主要考慮其允許電流和導(dǎo)線(xiàn)阻抗。扁平電纜是由多根單股導(dǎo)線(xiàn)

59、相互絕緣地并排粘接構(gòu)成。 扁平電纜一般應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)的并行傳輸，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中尤為多見(jiàn)。 扁平電纜的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)傳輸信號(hào)波長(zhǎng)的130。 有時(shí)為了減少線(xiàn)間串?dāng)_，常間隔安排信號(hào)線(xiàn)，而將各信號(hào)線(xiàn)之間的導(dǎo)線(xiàn)統(tǒng)一接地。屏蔽線(xiàn)是在單股導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層外，再罩以金屬編制網(wǎng)或金屬薄膜構(gòu)成。將屏蔽線(xiàn)的金屬編制網(wǎng)或金屬薄膜接地，其所包含的芯線(xiàn)便不易受到外部電氣干擾噪聲的影響。幾根絕緣導(dǎo)線(xiàn)合成一束，再罩以金屬編制網(wǎng)或金屬薄膜，則構(gòu)成所謂的屏蔽電纜。屏蔽線(xiàn)對(duì)干擾與噪聲的抑制作用可由圖7-34來(lái)說(shuō)明。 圖7-34 線(xiàn)間感應(yīng)與屏蔽作用a)無(wú)屏蔽 b)有屏蔽在信號(hào)線(xiàn)A外面包以屏蔽層并將屏蔽層接地，雖然噪聲源B與信號(hào)線(xiàn)A屏蔽層之

60、間的分布電容仍然存在，由于信號(hào)線(xiàn)A的屏蔽層接地而保持恒定的地電位，信號(hào)線(xiàn)A不易受到噪聲源B的影響。要注意的是，屏蔽層的接地應(yīng)遵守一點(diǎn)接地的原則，以免產(chǎn)生地線(xiàn)環(huán)路而使信號(hào)線(xiàn)中的干擾與噪聲增加。同理，將產(chǎn)生干擾與噪聲的導(dǎo)線(xiàn)予以屏蔽，也可減小或抑制這些導(dǎo)線(xiàn)對(duì)其它電路的干擾與噪聲影響。雙絞線(xiàn)是由電流相等但方向相反的兩根導(dǎo)線(xiàn)互相擰合構(gòu)成。由于外界干擾噪聲在兩根導(dǎo)線(xiàn)中的感應(yīng)電流大小與方向相同，故可相互抵消。雙絞線(xiàn)擰合的節(jié)距越短，對(duì)干擾與噪聲的衰減率越大。實(shí)用中一般取5cm左右，擰合的節(jié)距進(jìn)一步縮短，對(duì)干擾與噪聲衰減率的提高不再顯著。(3) 電氣設(shè)備柜內(nèi)外的布線(xiàn)電氣設(shè)備柜應(yīng)采用鐵或鐵銅疊合的材料構(gòu)成，以達(dá)到