系統(tǒng)設(shè)計的幾個問題

系統(tǒng)設(shè)計的幾個問題第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-1傳感器的選擇

一、對傳感器的要求由于傳感器的精度高低、性能好壞直接影響到整個自動測試系統(tǒng)的品質(zhì)和運(yùn)行狀態(tài)。一般說來，對傳感器的要求是全面的、嚴(yán)格的，它們是選用傳感器的依據(jù)。1．技術(shù)指標(biāo)要求（1）靜態(tài)特性要求。線性度及測量范圍、靈敏度、分辨率、精確度和重復(fù)性等。（2）動態(tài)特性要求。快速性和穩(wěn)定性等。（3）信息傳遞要求。形式和距離等。（4）過載能力要求。機(jī)械、電氣和熱的過載。第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2．使用環(huán)境要求溫度、濕度、大氣壓力、振動、磁場、電場、附近有無大功率用電設(shè)備、加速度、傾斜、防火、防爆、防化學(xué)腐蝕以及不有害于周圍材料壽命及操作人員的身體健康等。3．電源的要求電源電壓形式、等級、功率及波動范圍；頻率及高頻干擾等。4．基本安全要求絕緣電阻、耐壓強(qiáng)度及接地保護(hù)等。5．可靠性要求抗干擾、壽命、無故障工作時間等。6．維修及管理要求結(jié)構(gòu)簡單、模塊化、有自診斷能力、有故障顯示等。第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月上述要求又可分成兩類：一類共同的，如線性度及測量范圍、動態(tài)特性、精確度、工作溫度等；另一類是特殊要求，如過載能力、防火及防化學(xué)腐蝕要求等。

對于一個具體的傳感器，僅滿足上述部分要求即可。第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二、選擇傳感器的一般原則

一個自動測試系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)劣，關(guān)鍵在于傳感器的選擇。選擇傳感器總的原則是，在滿足對傳感器所有要求的情況下，成本低廉、工作可靠和易維修，即所謂性能價格比要大。選擇傳感器的一般原則可按下列步驟進(jìn)行：(1)借助于傳感器分類表，按被測量的性質(zhì)，從典型應(yīng)用中可以初步確定幾種可供選用的傳感器的類別。(2)借助于幾種常用傳感器比較表，按被測量的范圍、精度要求、環(huán)境要求等確定傳感器的類別。(3)借助于傳感器的產(chǎn)品目錄、選型樣本，最后查出傳感器的規(guī)格、型號和性能、尺寸。以上三步不是絕對的，僅供經(jīng)驗少的工程技術(shù)人員對一般常用傳感器選擇時參考。第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2非線性特性線性化

一、概述在自動測試系統(tǒng)中，應(yīng)用大多數(shù)傳感器的輸入與輸出之間并非絕對線性關(guān)系。這是由于不少傳感器轉(zhuǎn)換原理并非線性，其次是由于采用電路的非線性。對于這些問題的解決，常采用三種辦法：

1.縮小測量范圍，取近似值；

2.采用非線性指示刻度；

3.加非線性校正環(huán)節(jié)。但在目前，由于數(shù)字顯示技術(shù)廣泛使用，以及測量范圍和測量精度的不斷提高，對非線性校正的要求顯得更為迫切。第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二、非線性校正的方法

測量儀表靜態(tài)特性非線性的校正方法通常有兩種：一種是開環(huán)節(jié)式非線性校正法，另一種是非線性反饋校正法。這里著重介紹前一種方法。具有開環(huán)式非線性校正的測量儀表，其結(jié)構(gòu)原理可用以下框圖表示。

傳感器將被測量物理量轉(zhuǎn)換成電量u，這種轉(zhuǎn)換通常不是絕對非線性的。電量u1經(jīng)放大器放大后成為電量u2，放大器一般是線性的。引入線性化器的作用是利用它本身的非線性補(bǔ)償傳感器的非線性，從而使整臺儀表的輸出u和輸入之間具有線性關(guān)系。這里解決的關(guān)鍵問題顯然有兩個：

一是在給定u線性關(guān)系的前提下，根據(jù)已知的u非線性關(guān)系和u線性關(guān)系求出線性化器應(yīng)當(dāng)具有的u1～u2非線性關(guān)系。二是設(shè)計適當(dāng)電路實現(xiàn)線性化器的非線性特性。工程上求取線性化器非線形特性的方法有兩種。

第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1.解析計算法設(shè)傳感器特性解析式為放大器特性的解析式為要求測量工具有的刻度方程為將以上三式聯(lián)立，消去中間變量u1和x，就得到線性化器非線性特性的解析式

根據(jù)上式即可設(shè)計線性化器的具體電路。第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.圖解法

當(dāng)傳感器等環(huán)節(jié)的非線性特性用解析式表示比較復(fù)雜或比較困難時，可用圖解法求取線性化器的輸入-輸入特性曲線。圖解法的步驟如下。1)將傳感器特性曲線作于直角坐標(biāo)的第一限，u1=f1(x)。2)將放大器線性特性作于第二限，u2=Ku1。3)將整臺測量儀表的線性特性作與第四象限，u0=sx。4)將x軸n段，段數(shù)n由精度要求決定。由點(diǎn)1、2、3…、n各作x軸垂線，分別與u1=f(x)曲線及第四象限中的u0=sx直線交于11、12、13、…1n及41、42、43、…4n各點(diǎn)。以后以第一象限中這些點(diǎn)作x軸平行線與第二象限u2=Ku1直線交于21、22、23、…2n各點(diǎn)。5)由第二象限各點(diǎn)作x軸垂線，再由第四象限各點(diǎn)作x軸平行線，兩者在第三象限的交點(diǎn)連線即為校正曲線u0=f2(u2)。這也是線形化器的非線性特性曲線。第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月對測量儀表中非線性環(huán)節(jié)的校正還可以采用非線性反饋補(bǔ)償法，其原理如圖。第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月三、非線性校正電路

當(dāng)我們用解析法或圖解發(fā)求出線性化器的輸入-輸出特性曲線之后，接下來的問題就是如何用適當(dāng)?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)它。顯然在這類電路中需要有非線性元件或者利用某種元件的非線性區(qū)域，例如將二極管或三極管置于運(yùn)算放大器的反饋回路中構(gòu)成的對數(shù)運(yùn)算放大器就能對輸入信號進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算，構(gòu)成非線性函數(shù)運(yùn)算放大器，它可以用于射線測厚儀的非線性校正電路中。目前最常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得非線性校正環(huán)節(jié)（線性化器）所需要的特性曲線。

折線逼近法如圖所示。將非線性校正環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用若干有限的線段代替，然后根據(jù)各轉(zhuǎn)折點(diǎn)xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計電路。第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月四、非線性特性軟件線性化處理

對測量系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)的線性化處理，除了采用硬件電路來實現(xiàn)外，在有微機(jī)的智能化檢測系統(tǒng)中可利用軟件功能方便地實現(xiàn)非線性的線性變化。這種方法精度高，成本低，應(yīng)用靈活。設(shè)某傳感器非線性校正曲線如圖所示。它是一個非線性函數(shù)關(guān)系。我們將輸入量x按一定要求分為N個區(qū)間，每個xk都對應(yīng)一個輸出yk。把這些（xk,yk）編制成表格存貯起來。實際的輸入量xi一定會落在某個區(qū)間（xk-1，xk）內(nèi)，即xk-1<xi<xk.軟件法的含義是用一段直線近似地代替這段區(qū)間里的實際曲線，然后通過近似插值公式計算出yi這種方法稱為線性插值法。

由圖可以看出，通過M1、M2兩點(diǎn)的直線斜率k為：

；而yi的計算公式為：

第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

軟件線性插值法的線性化精度由折線的段數(shù)決定，所分段數(shù)越多，精度越高，但數(shù)表所占內(nèi)存越多。具體分段數(shù)，可視非線性特性曲線形狀而頂，可以是等分的，也可以是不等分的。右圖為此法程序框圖，由該圖可知，當(dāng)xi確定后首先通過查表確定xi所在區(qū)間，查出后順序取出區(qū)間兩端點(diǎn)xk-1，xk及其對應(yīng)的yk-1，yk,然后利用式計算出yi。這樣，得到的輸出量yi和傳感器所檢測的被測量之間成線性關(guān)系。第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-3溫度補(bǔ)償技術(shù)一、概述測試系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)特性隨溫度變化，必然造成整個測試系統(tǒng)的特性隨環(huán)境溫度而變化。為了滿足生產(chǎn)對測試系統(tǒng)性能在溫度方面的要求，就需要在測試系統(tǒng)的研究、設(shè)計、制造過程中采取一系列具體的技術(shù)措施，以抵消或削弱環(huán)境溫度變化對測試系統(tǒng)特性的影響，從而保證其特性基本上不隨環(huán)境溫度而變化。這些技術(shù)措施為溫度補(bǔ)償技術(shù)。

二、溫度補(bǔ)償原理——并聯(lián)式溫度補(bǔ)償原理并聯(lián)式溫度補(bǔ)償原理就是人為地附加一個溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，該補(bǔ)償環(huán)節(jié)與被補(bǔ)償自動測試系統(tǒng)(或組成環(huán)節(jié))并聯(lián)，目的是使被補(bǔ)償后的自動測試系統(tǒng)靜特性基本上不隨環(huán)境溫度變化。

并聯(lián)式溫度補(bǔ)償在測試系統(tǒng)設(shè)計中已獲得較廣泛的應(yīng)用。例如熱偶冷端溫度補(bǔ)償、直流放大器的差分對輸入級的溫度補(bǔ)償?shù)取５?4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-4智能化技術(shù)

一、智能化的基本概念目前人們習(xí)慣用智能傳感器這個詞來稱呼用傳感器和微型計算機(jī)組成的新一代的自動測試系統(tǒng)。這種新型的自動測試系統(tǒng)，具有下列三方面的突出特征：1．提高了測量精度利用微型計算機(jī)操作多次測量和求均值的辦法可削弱隨機(jī)誤差的影響。利用微型計算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)誤差補(bǔ)償。利用輔助溫度傳感器和微型計算機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。利用微型計算機(jī)實現(xiàn)線性化，可以減少非線性誤差。利用微型計算機(jī)進(jìn)行測量前的零點(diǎn)調(diào)整、放大系數(shù)調(diào)整和工作中周期調(diào)整零點(diǎn)、放大系數(shù)。第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2．增加了功能利用記憶功能對被測量進(jìn)行最大值和最小值測量。利用計算功能對原始信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得新的量值。利用多個傳感器和微型計算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能，可以測量場和空間等的新量值。用軟件的辦法完成硬件功能，經(jīng)濟(jì)并減小體積。對數(shù)字顯示可有譯碼功能?？捎梦⑿陀嬎銠C(jī)對周期信號特征參數(shù)進(jìn)行測量。對諸多被測量可有記憶存儲功能。3．提高了自動化程度可實現(xiàn)誤差自動補(bǔ)償?？蓪崿F(xiàn)檢測程序自動化操作。

可實現(xiàn)越限自動報警和故障自動診斷。可實現(xiàn)量限自動變換?？蓪崿F(xiàn)自動巡回檢測。第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二、單片微機(jī)的選擇按對傳感器智能化具體內(nèi)容的要求，可以進(jìn)行單片微機(jī)的選擇。選擇的原則是：在滿足技術(shù)要求的情況下，價格最低、結(jié)構(gòu)最簡單、性能價格比最高。

在選擇過程中要注意下列問題：所選的單片機(jī)運(yùn)算功能要滿足智能傳感器對數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力的要求。軟件編程數(shù)量與內(nèi)存容量要適應(yīng)。單片機(jī)所提供的I／O接口形式與數(shù)量要滿足智能化要求。對便攜式的智能化傳感器要考慮到單片機(jī)電池供電。第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-5可靠性問題

一、測試系統(tǒng)的可靠性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對自動測試系統(tǒng)的可靠性要求愈來愈高。所謂可靠性，是指在規(guī)定工作條件和工作時間內(nèi)，測試系統(tǒng)保持原有技術(shù)性能的能力。傳感器結(jié)構(gòu)的小型化、微型化和復(fù)雜化，在一定程度上影響它的可靠性。近年來已研究出確定結(jié)構(gòu)和個別零件壽命的實驗方法。用這種方法獲得的數(shù)據(jù)可以求出整個傳感器或測試系統(tǒng)的概率壽命。這種壽命稱為達(dá)到第一次損壞時工作等待時間。第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月下面給出一些結(jié)構(gòu)和傳感器的壽命(h)：小尺寸電位器式壓力傳感器2000電容器壓力傳感器3000壓電傳感器3500振動器1500快速動作繼電器2000步進(jìn)電機(jī)1000實驗表明，自動測試系統(tǒng)損壞率隨著系統(tǒng)中的零件數(shù)目呈指數(shù)規(guī)律增加。

第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器損壞原因分析結(jié)果如下(以％表示)：不正確的設(shè)計（不合理的結(jié)構(gòu)、不恰當(dāng)?shù)剡x擇測量元件和材料以及其它）35

錯誤的操作30

產(chǎn)品的缺陷25

材料老化及其它缺陷10

總計100第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二、可靠性的總體考慮

（一）設(shè)計過程

分析設(shè)計任務(wù)分析提出可靠性方案比較、確定軟件設(shè)計硬件設(shè)計測試、考驗試運(yùn)行設(shè)想措施可靠性分析軟件措施硬件措施故障評估分析改進(jìn)措施系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)程可靠性考慮方案設(shè)想第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）提高儀器可靠性的措施

◆元器件的選擇（電阻器、電容器、集成電路芯片）◆篩選

◆降額使用

◆可靠的電路設(shè)計

◆冗余設(shè)計——包括并聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)系統(tǒng)兩種形式

第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

在測量過程中，除了待測量信號外，還有各種不可見的、隨機(jī)的信號可能出現(xiàn)在測量系統(tǒng)中。這些信號與有用信號疊加在一起，嚴(yán)重扭曲測量結(jié)果。因此，認(rèn)識干擾信號，重視抗干擾設(shè)計是測試工作中不可忽視的問題。§4-6抗干擾技術(shù)第24頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月一、測試系統(tǒng)信號的傳輸和噪聲源二、噪聲形成干擾作用的三要素三、噪聲耦合途徑四、測試系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)本節(jié)講述內(nèi)容：第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月一、測試系統(tǒng)信號的傳輸和噪聲源（一）、信號傳輸信號傳輸有以下幾種形式：1．有線傳輸:這是應(yīng)用最普遍的形式；2．無線傳輸:調(diào)制信號以電磁波的形式發(fā)射與接收；3．光傳輸。在有線傳輸中，可以采用調(diào)制式或基帶式傳輸方式。

傳輸信號所占有的頻帶稱為基本頻帶，簡稱基帶。把輸入的信號按原有的頻帶予以傳輸?shù)姆绞椒Q為基帶式傳輸。第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月在常規(guī)測試工作中，基帶式傳輸是主要的傳輸方式。基帶式傳輸直接式電壓傳輸、電流傳輸。直接傳輸具有簡單、可靠、成本低的優(yōu)點(diǎn)，其關(guān)鍵在于抑制噪聲、抗干擾。實踐表明，測試系統(tǒng)的噪聲干擾多來自信號傳輸環(huán)節(jié)，因此，在信號傳輸環(huán)節(jié)采取措施，抑制噪聲，對整個測試系統(tǒng)的抗干擾能力的提高是至關(guān)重要的。

第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、噪聲源

在測試系統(tǒng)中出現(xiàn)的無用電信號稱為噪聲。在系統(tǒng)中，有用信號功率與噪聲信號功率的比值，以對數(shù)形式表示稱為信噪比。表征一個系統(tǒng)干擾的主要指標(biāo)是“信噪比”。

式中PS——有用信號功率；

PN——噪聲信號功率。第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月干擾分類干擾的類型機(jī)械干擾熱干擾光干擾濕度干擾化學(xué)干擾電和磁干擾射線輻射干擾第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁干擾的分類從噪聲產(chǎn)生的來源分類

1)固有噪聲源

2)人為噪聲源

3)自然噪聲源和放電噪聲從干擾的表現(xiàn)形式分類

1)規(guī)則干擾

2)不規(guī)則干擾

3)隨機(jī)干擾從干擾出現(xiàn)的區(qū)域分類

1)內(nèi)部干擾

2)外部干擾從干擾對電路作用的形式分類

1)差模干擾

2)共模干擾

第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月干擾與噪聲源有何區(qū)別？

①噪聲是絕對的，它的產(chǎn)生或存在不受接收者的影響，是獨(dú)立的，與有用信號無關(guān)。干擾是相對有用信號而言的，只有噪聲達(dá)到一定數(shù)值、它和有用信號一起進(jìn)入系統(tǒng)并影響其正常工作才形成干擾。②噪聲與干擾是因果關(guān)系，噪聲是干擾之因，干擾是噪聲之果，是一個量變到質(zhì)變的過程。③干擾在滿足一定條件時，可以消除。噪聲在一般情況下，難以消除，只能減弱。第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

各種電子設(shè)備的噪聲干擾，其產(chǎn)生原因多數(shù)屬于放電現(xiàn)象。

在放電過程中會向周圍空間輻射出從低頻到高頻的電磁波，而且會傳播得很遠(yuǎn)。1．放電噪聲例如在一個大氣壓的空氣中，對曲率半徑較小的兩電極間施加電壓，電壓慢慢升高時，最初幾乎無電流流過，當(dāng)電壓升高到一定數(shù)值時，如果電極中介質(zhì)完全被電離時(稱為電暈)，電極尖端引起局部破壞，電流急劇增加，形成電暈放電；如果繼續(xù)升高電壓，將會經(jīng)過火花放電過渡到弧光放電，此時空氣擊穿，同時向周圍輻射出各種頻率的電磁波。這種干擾電磁波幾乎對各種電子設(shè)備都有影響。第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1)電暈放電噪聲主要來源于高壓輸電線，它具有間隙性，并產(chǎn)生脈沖電流，從而成為一種干擾噪聲。伴隨電暈放電過程產(chǎn)生的高頻振蕩也是一種干擾。這種噪聲主要對電力線載波電話、低頻航空無線電臺及調(diào)幅廣播等產(chǎn)生影響。2)放電管(如日光燈、霓虹燈)放電噪聲屬于輝光放電和弧光放電。通常放電管具有負(fù)阻抗特性，所以與外電路連接時容易引起高頻振蕩，有時可達(dá)很高的頻段。3)火花放電噪聲。例如雷電、電氣設(shè)備中電刷和整流子間周期性放電、火花式高頻焊機(jī)、繼電器觸點(diǎn)的通斷(電流很大時則會產(chǎn)生弧光放電)、汽車發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火裝置等。第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

電氣噪聲干擾包括工頻、電子開關(guān)和脈沖發(fā)生器的感應(yīng)干擾等。

2．電氣干擾源

大功率輸電線是典型的工頻噪聲源。低電平的信號線只要一段距離與輸電線相平行，就會受到明顯的干擾。即使是一般室內(nèi)的交流電源線，對于輸入阻抗和靈敏度很高的檢測儀器來說也是威力很大的干擾源。另外，在電子裝置的內(nèi)部，由于工頻感應(yīng)也會產(chǎn)生交流噪聲。如果工頻的波形失真較大(如供電系統(tǒng)接有大容量的晶閘管設(shè)備)，由于高次諧波分量的增多，產(chǎn)生的干擾更大。

(1)工頻干擾

第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻感應(yīng)加熱、高頻焊接等工業(yè)電子設(shè)備以及廣播機(jī)、雷達(dá)等通過輻射或通過電源線會給附近的電子測量儀器帶來干擾。(2)射頻干擾電子開關(guān)雖然在通斷時并不產(chǎn)生火花，但由于通斷的速度極快，使電路中的電壓和電流發(fā)生急劇的變化，形成沖擊脈沖，成為噪聲干擾源。在一定電路參數(shù)條件下，電子開關(guān)的通斷還會帶來相應(yīng)的阻尼振蕩，從而構(gòu)成高頻干擾源。使用可控硅的調(diào)壓整流電路對其它電子裝置的干擾就是電子開關(guān)造成干擾的典型例子。這種電路在晶鬧管的控制下，周期性地通斷，形成前沿陡峭的電壓和電流，并且使供電電源波形畸變，從而干擾由該電源系統(tǒng)供電的其他電子設(shè)備。(3)電子開關(guān)第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月由于檢測裝置內(nèi)部元件的物理性的無規(guī)則波動所形成的固有噪聲源有三種：

熱噪聲散粒噪聲接觸噪聲。

3．固有噪聲源第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)熱噪聲熱噪聲(又稱電阻噪聲)是由于電阻中電子的熱運(yùn)動所形成的。因為電子的熱運(yùn)動是無規(guī)則的，因此電阻兩端的噪聲電壓也是無規(guī)則的，它所包含的頻率成分是十分復(fù)雜的。電阻兩端的熱噪聲電壓有效值可表示為式中，k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23)；T為絕對溫度(K)；R為電阻值(Ω)；Δf為噪聲帶寬(Hz)。上式表明，熱噪聲電壓的有效值與電阻值的平方根成正比。因此減小電阻、帶寬和降低溫度有利于降低熱噪聲。

為了加深對熱噪聲的認(rèn)識，現(xiàn)以運(yùn)算放大器輸入電阻引起的熱噪聲為例進(jìn)行說明。設(shè)放大器輸入回路電阻R=500K，帶寬f=106Hz，環(huán)境溫度t＝27℃，則其熱噪聲電壓為可見，如果輸入信號不大于91μV，將被噪聲所淹沒。因此，對要求很高的放大器來說，它的輸入電阻及帶寬不能取得太大。第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)散粒噪聲散粒噪聲存在于電子管和晶體管中，是通過晶體管基區(qū)的載流子的無規(guī)則擴(kuò)散以及電子—空穴對的無規(guī)則運(yùn)動和復(fù)合形成的。散粒效應(yīng)的均方根噪聲電流為:式中，q為電子電荷；Idc為平均直流電流(A)；Δf為噪聲帶寬(Hz)。上式說明，每帶寬平方根的噪聲電流只是流經(jīng)該器件的平均電流Idc的函數(shù)，其數(shù)值方程為由此，只要測得流經(jīng)該器件中的平均直流電流就可以得到其噪聲電流值。第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)接觸噪聲接觸噪聲是由于兩種材料之間不完全接觸，從而形成電導(dǎo)率的起伏而產(chǎn)生的。它發(fā)生在兩個導(dǎo)體連接的地方，如繼電器的接點(diǎn)、電位器的滑動接點(diǎn)等。接觸噪聲正比于直流電流的大小，其功率密度正比于頻率的倒數(shù)，其大小服從正態(tài)分布。每平方根帶寬的噪聲電流可近似地表示為式中，Idc為平均直流電流(A)；K為由材料和幾何形狀確定的常數(shù)；f為頻率(Hz)；B為帶寬(Hz)。由于接觸噪聲功率密度正比于頻率的倒數(shù)，因此在低頻時接觸噪聲可能是很大的。接觸噪聲通常是低頻電路中最重要的噪聲源。第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月二、噪聲形成干擾作用的三要素

噪聲源形成干擾必需同時具備三個要素，即噪聲源、有對噪聲敏感的接收電路和兩者之間的耦合通道。三要素之間聯(lián)系如下圖所示。

噪聲源耦合通道接收電路第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月干擾信號傳入測量系統(tǒng)主要有三種傳輸途徑，如下圖所示電磁干擾：干擾以電磁波輻射方式經(jīng)空間串入測量系統(tǒng)。

信道干擾：信號在傳輸過程中，通道中各元件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。

電源干擾：這是由于供電電源波動對測量電路引起的干擾。

三、噪聲的耦合方式

第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月傳導(dǎo)耦合

輻射電磁場耦合

傳導(dǎo)耦合是指經(jīng)導(dǎo)線檢拾到噪聲，再經(jīng)它傳輸?shù)皆肼暯邮针娐范纬筛蓴_的噪聲耦合方式。大功率的高頻電氣設(shè)備，廣播、電視、通信發(fā)射臺等，不斷地向外發(fā)射電磁波。測試儀器若置于這種發(fā)射場中就會感應(yīng)到與發(fā)射電磁場成正比的感應(yīng)電勢，這種感應(yīng)電勢進(jìn)入電路就形成干擾。噪聲耦合途徑分導(dǎo)線直接傳播和電磁場耦合兩大類。第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月～ZiCmENUNAB靜電耦合——電容耦合靜電耦合是由于兩個電路之間存在著寄生電容，使一個電路的電荷影響到另一個電路。在一般情況下，靜電耦合的等效電路，如圖所示。圖中En是噪聲源產(chǎn)生的噪聲電動勢；Cm表示造成靜電耦合的寄生電容；Zi是被干擾電路的等效輸入阻抗。設(shè)ω為噪聲源En的角頻率。在Zi上的干擾電壓表達(dá)式:接收電路Zi上的干擾電壓正比于噪聲源頻率ω、噪聲源的噪聲電動勢En、寄生電容Cm和接收電路的輸入阻抗Zi。當(dāng)有幾個噪聲源同時經(jīng)靜電耦合干擾同一個接收電路時，只要是線性電路，就可以用又疊加原理分別對各干擾源進(jìn)行考慮。等效電路第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月UNMIN電磁耦合——互感耦合

等效電路電磁耦合又稱互感耦合，它是由于兩個電路之間存在有互感，使一個電路的電流變化，通過磁交鏈影響到另一個電路。在一般情況下，電磁耦合等效電路如圖所示。圖中In表示噪聲干擾的噪聲電流源，M表示兩個電路之間的互感系數(shù)，UN表示通過電磁耦合在被干擾電路中感應(yīng)出的噪聲電壓。設(shè)ω為噪聲源電流的角頻率UN寫成下式：干擾電壓UN正比于噪聲源電流角頻率ω、互感系數(shù)M和噪聲電流In。電磁輻射耦合當(dāng)測試系統(tǒng)距噪聲源較遠(yuǎn)時，噪聲主要是經(jīng)過電磁輻射傳播的。(如天線效應(yīng))電磁感應(yīng)

當(dāng)噪聲源為大電流、低電壓時，則主要表現(xiàn)為磁場；當(dāng)噪聲源為小電流、高電壓時，則感應(yīng)場主要為電場。第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

下面舉一個電磁耦合的實例。當(dāng)兩條平行導(dǎo)線有電流流過時，它們彼此之間會通過磁交鏈產(chǎn)生電磁耦合干擾。兩條平行導(dǎo)線之間的互感系數(shù)M可由下式算出式中，L為兩平行導(dǎo)線段長度(m)；D為兩平行導(dǎo)線中心距(m)；μ0為空氣的磁導(dǎo)率且當(dāng)L≥D時第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月將代入上式，可得

設(shè)有一條信號傳輸線與一條電壓為100V，負(fù)荷為10k·VA的輸電線的距離為lm，并在10m長的一段區(qū)間彼此平行架設(shè)，現(xiàn)計算在此信號線上的噪聲電壓。將上述數(shù)據(jù)代入可見電磁耦合干擾是很嚴(yán)重的，應(yīng)該引起足夠的重視。第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月共阻抗耦合引起因素：電源內(nèi)阻抗的共阻抗耦合公共地線的耦合信號輸出電路的相互干擾

共阻抗耦合是由于兩個電路共有阻抗，使一個電路的電流在另一個電路上產(chǎn)生干擾電壓。例如，有幾個電路由同一個電源供電時，會通過電源內(nèi)阻互相干擾，在放大器中各放大級通過接地線電阻互相干擾。共阻抗耦合等效電路如圖。圖中Zc表示兩個電路之間的共有阻抗，In表示噪聲源的噪聲電流，UN表示被干擾電路的干擾電壓。根據(jù)圖共阻抗耦合等效電路，很容易寫出被干擾電路的干擾電壓UN的表達(dá)式?？梢姽沧杩柜詈细蓴_電壓UN正比于共阻抗值和噪聲源電流In。顯然，若要消除共阻抗耦合干擾，首先要消除兩個或幾個電路之間的共阻抗。第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個電氣測試系統(tǒng)或電氣設(shè)備共用同一接地線，測試系統(tǒng)會耦合進(jìn)因其它電氣設(shè)備對地電流變化而產(chǎn)生的噪聲。對于共接地線阻抗噪聲，還包括共模干擾。共模干擾是相對于接地點(diǎn)在信號接收器兩輸入端子上同時出現(xiàn)的干擾。它在信號接收器輸入?yún)?shù)不對稱時，將引起測試誤差。在下述情況下常發(fā)生共模干擾：(1)測試系統(tǒng)附近有因絕緣不良而漏電的大功率電氣設(shè)備；(2)在大型動力設(shè)備金屬外殼上安裝傳感器，而又沒采取絕緣措施時，因渦流作用，金屬外殼帶有感應(yīng)電流，則引起共模干擾。第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月漏電耦合

UN～RmENBAZi由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻Rm的漏電流所引起的噪聲干擾叫做漏電流耦合。一般情況下的漏電流耦合等效電路如圖所示。圖中En表示噪聲電動勢，Rm表示漏電阻，表示被干擾電路的輸入阻抗，UN表示干擾電壓。漏電流耦合經(jīng)常發(fā)生在用儀表測量較高的直流電壓時；在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，在高輸入阻抗的直流放大器中。設(shè)直流放大器的輸入阻抗Zi=108Ω，干擾源電動勢=15V，絕緣電阻R=1010。其示意圖如圖所示。下面估算漏電干擾對此放大器的影響。顯然：對于高輸入阻抗放大器來說，即使是微弱的漏電流干擾，也將造成嚴(yán)重的后果。所以必須嚴(yán)密注意與輸入端有關(guān)的絕緣水平，以及它周圍的電路安排。第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月為保證測試系統(tǒng)正常工作，則必須采取有效的抗干擾措施。傳感器要檢測微弱信號，工作環(huán)境條件復(fù)雜，頻帶要求寬，因此，抗干擾更是傳感技術(shù)中的重要課題之一?，F(xiàn)僅對測試系統(tǒng)的抗干擾問題簡要介紹如下。

抑制干擾的基本方法：消除或抑制噪聲源、破壞干擾的耦合通道、消除接收電路對干擾的敏感性、采用軟件抑制干擾。四、測試系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）屏蔽技術(shù)屏蔽的概念：屏蔽是防止輻射干擾的主要手段，所謂屏蔽就是采用一定的技術(shù)手段，把電磁場限制在一定的空間范圍之內(nèi)。①、主動屏蔽：把干擾源置于屏蔽體之內(nèi)，防止電磁能量和干擾信號泄漏到外部空間。

②、被動屏蔽：把敏感設(shè)備置于屏蔽體內(nèi)，使其不受外部干擾的影響。第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1．電場屏蔽電場屏蔽的作用是利用與大地相連接的導(dǎo)電性良好的屏蔽層(導(dǎo)電板、箔、網(wǎng))，隔離兩部分電力線，從而達(dá)到防止干擾的目的。電場屏蔽能防止電場間的相互影響。如電源變壓器主、副繞組間的屏蔽，低嗓音同軸電纜的金屬網(wǎng)屏蔽等，都是電場屏蔽。2．電磁屏蔽電磁屏蔽是指導(dǎo)電良好的金屬屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生的渦流，渦流磁場將抵消高頻干擾磁場的影響。電磁屏蔽妥善接地后，將具有電場屏蔽和高頻磁場屏蔽兩種功能。3．磁屏蔽用高導(dǎo)磁材料作為屏蔽層，可以將干擾磁力線限制在很小的屏蔽體內(nèi)部，避免它對其它部分的影響，稱為磁屏蔽。妥善接地后，亦具有電場屏蔽功能。

第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4．測試系統(tǒng)中采用的主要屏蔽措施根據(jù)噪聲源的不同，現(xiàn)場測試中需采用不同的屏蔽措施。其中最主要的是傳感器輸出導(dǎo)線的屏蔽和保護(hù)措施。盡量采用專用同軸電纜。對高阻抗測試系統(tǒng)，如壓電測試系統(tǒng)，還要相對固定電纜。在干擾嚴(yán)重的現(xiàn)場，應(yīng)采用專用金屬導(dǎo)線(電纜)屏蔽管道（如沖擊波測試），且管道應(yīng)妥善接地。某些復(fù)雜試驗環(huán)境中，對測試儀表可采用雙屏蔽措施，以防護(hù)測試系統(tǒng)。對某些強(qiáng)干擾源采取電、磁屏蔽措施，以保證測試系統(tǒng)免受干擾。第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月隔離技術(shù)是擬制干擾的有效手段之一。測試系統(tǒng)的隔離技術(shù)分為兩類：空間隔離：屏蔽技術(shù)的延伸、功能電路之間的合理布局（如數(shù)模電路）、信號之間的獨(dú)立性（如信號之間用地線隔離）。器件隔離：信號隔離放大器、信號隔離變壓器、光電耦合器。（二）隔離技術(shù)第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月變壓器隔離利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與測試系統(tǒng)的地隔離開來。被測信號通過變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。

要注意的是：隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，以切斷兩部分的地線聯(lián)系第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月光電隔離光電耦合隔離器是目前測試系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。利用光耦隔離器的開關(guān)特性，可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾，即在數(shù)字信號通道中進(jìn)行隔離。第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月利用光耦隔離器的線性放大區(qū)，也可傳送模擬信號而隔離電磁干擾，即在模擬信號通道中進(jìn)行隔離。例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送。第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）濾波技術(shù)EMI（ElectromagneticInterference電磁干擾）濾波器基本的工作原理與普通濾波器一樣，都是允許有用信號的頻率分量通過,同時阻止其他干擾頻率分量通過。

EMC濾波器的分類

1、反射式濾波器：由電感器和電容器組成，利用反射或旁路，使干擾信號不能通過。

①低通濾波器，使低頻信號通過，高頻信號衰減。

用于電源電路，使市電（50Hz）通過，高頻干擾信號衰減。

用于放大器電路或發(fā)射機(jī)輸出電路，使基波通過，諧波和其他干擾信號衰減。

②高通濾波器：抑制低頻干擾信號

例如：從信號通道上濾除交流聲干擾。第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月③帶通濾波器：只允許某一頻率范圍內(nèi)的信號通過，

④帶阻濾波器：只抑制某一頻率范圍內(nèi)的信號通過。

2、損耗濾波器

⑴、選用具有高損耗系數(shù)或高損耗角正切（通常把電容器的有功功率P與無功功率Q的比值稱做為該電容器的損耗角正切

）的材料，把高頻電磁能量通過渦流轉(zhuǎn)換成熱能。

例如：鐵氧體管，鐵氧體磁環(huán)，磁環(huán)扼流圈等。

⑵、幾種常用的損耗濾波器

①、鐵氧體管，如圖把鐵氧體

管套在信號線或電源線上，

衰減高頻干擾信號。第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月②、電纜濾波器：在導(dǎo)線外

包一層高頻損耗材料（

如鐵氧體，或含鐵粉的

環(huán)氧樹脂）（如圖）。③、濾波連接器,如圖所示，

把鐵氧體直接組裝在電纜連接器內(nèi)，在100MHz～

10GHz的頻率范圍內(nèi)可以獲得60dB以上的衰減。第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月④、磁環(huán)扼流圈，如圖(a)所示，在導(dǎo)線上套一個圓環(huán)狀鐵氧體磁環(huán)，阻抗隨導(dǎo)線中電流頻率的升高而增大，可以抑制高頻干擾分量。

應(yīng)用：電源線，數(shù)字信號線。

⑤、穿心電容，外形如圖(b)所示，原理如圖(c)。一個端片接導(dǎo)線，另一個通過外殼接地，用于高頻濾波。第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月穿心電容金屬板隔離輸入輸出端一周接地電感很小特點(diǎn)：接地電感小輸入輸出沒有耦合穿心電容實質(zhì)上是一種三端電容，一個電極與芯線相聯(lián)，另一個電極與外殼相聯(lián)。第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用舉例：

電動機(jī)的屏蔽和濾波，如圖，電動機(jī)的碳刷滑動接觸會出現(xiàn)火花放電,產(chǎn)生高頻的輻射干擾