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在模擬傳感器的設(shè)計(jì)和使用中,都有一個(gè)如何使其測(cè)量精度達(dá)到最高的問(wèn)題。而眾多的干擾一直影響著傳感器的測(cè)量精度,如:現(xiàn)場(chǎng)大耗能設(shè)備多,特別是大功率感性負(fù)載的啟停往往會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾;工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過(guò)壓(涉縣鋼鐵廠供電電壓在160V~310V波動(dòng)),常常達(dá)到額定電壓的35%左右,這種惡劣的供電有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘、幾小時(shí),甚至幾天;各種信號(hào)線綁扎在一起或走同一根多芯電纜,信號(hào)會(huì)受到干擾,特別是信號(hào)線與交流動(dòng)力線同走一個(gè)長(zhǎng)的管道中干擾尤甚;多路開關(guān)或保持器性能不好,也會(huì)引起通道信號(hào)的竄擾;空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì)干擾傳感器的正常工作;此外,現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化,腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用,野外的風(fēng)沙、雨淋,甚至鼠咬蟲蛀等都會(huì)影響傳感器的可靠性。模擬傳感器輸出的一般都是小信號(hào),都存在小信號(hào)放大、處理、整形以及抗干擾問(wèn)題,也就是將傳感器的微弱信號(hào)精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(如1VDC~5VDC或4 mADC~20mADC),并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)。這就要求設(shè)計(jì)制作者必須注意到模擬傳感器電路圖上未表示出來(lái)的某些問(wèn)題,即抗干擾問(wèn)題。只有搞清楚模擬傳感器的干擾源以及干擾作用方式,設(shè)計(jì)出消除干擾的電路或預(yù)防干擾的措施,才能達(dá)到應(yīng)用模擬傳感器的最佳狀態(tài)。

傳感器及儀器儀表在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行所受到的干擾多種多樣,具體情況具體分析,對(duì)不同的干擾采取不同的措施是抗干擾的原則。這種靈活機(jī)動(dòng)的策略與普適性無(wú)疑是矛盾的,解決的辦法是采用模塊化的方法,除了基本構(gòu)件外,針對(duì)不同的運(yùn)行場(chǎng)合,儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾、提高可靠性。在進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前,有必要分析影響模擬傳感器精度的干擾源及干擾種類。

靜電感應(yīng)

靜電感應(yīng)是由于兩條支電路或元件之間存在著寄生電容,使一條支路上的電荷通過(guò)寄生電容傳送到另一條支路上去,因此又稱電容性耦合。

電磁感應(yīng)

當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí),一個(gè)電路中電流的變化就會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)耦合到另一個(gè)電路,這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導(dǎo)線等。

漏電流感應(yīng)

由于電子線路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印刷電路板、電容內(nèi)部介質(zhì)或外殼等絕緣不良,特別是傳感器的應(yīng)用環(huán)境濕度較大,絕緣體的絕緣電阻下降,導(dǎo)致漏電電流增加就會(huì)引起干擾。尤其當(dāng)漏電流流入測(cè)量電路的輸入級(jí)時(shí),其影響就特別嚴(yán)重。

射頻干擾

主要是大型動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)、操作停止的干擾和高次諧波干擾。如可控硅整流系統(tǒng)的干擾等。

其他干擾

現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)除了易受以上干擾外,由于系統(tǒng)工作環(huán)境較差,還容易受到機(jī)械干擾、熱干擾及化學(xué)干擾等。

差模干擾

差模干擾是指干擾信號(hào)的侵入在往返2條線上是一致的。差模干擾來(lái)源一般是周圍較強(qiáng)的交變磁場(chǎng),使儀器受周圍交變磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)形成干擾,這種干擾較難除掉。

共模干擾

共模干擾是指干擾信號(hào)在2條線上各流過(guò)一部分,以地為公共回路,而信號(hào)電流只在往返2個(gè)線路中流過(guò)。共模干擾的來(lái)源一般是設(shè)備對(duì)地漏電、地電位差、線路本身具有對(duì)地干擾等。由于線路的不平衡狀態(tài),共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)換成常模干擾,就較難除掉了。

長(zhǎng)時(shí)干擾

長(zhǎng)時(shí)干擾是指長(zhǎng)期存在的干擾,此類干擾的特點(diǎn)是干擾電壓長(zhǎng)期存在且變化不大,用檢測(cè)儀表很容易測(cè)出,如電源線或鄰近動(dòng)力線的電磁干擾都是連續(xù)的交流50 Hz工頻干擾。

瞬時(shí)干擾

意外瞬時(shí)干擾主要在電氣設(shè)備操作時(shí)發(fā)生,如合閘或分閘等,有時(shí)也在伴隨雷電發(fā)生或無(wú)線電設(shè)備工作瞬間產(chǎn)生。

干擾可粗略地分為3個(gè)方面:

a、局部產(chǎn)生(即不需要的熱電偶);

b、子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合(即地線的路徑問(wèn)題);

c、外部產(chǎn)生(Bp電源頻率的干擾)。

在應(yīng)用中,常會(huì)遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象:

1、發(fā)指令時(shí),電機(jī)無(wú)規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng);

2、信號(hào)等于零時(shí),數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳;

3、傳感器工作時(shí),其輸出值與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值不吻合,且誤差值是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)律的;

4、當(dāng)被測(cè)參數(shù)穩(wěn)定的情況下,傳感器輸出的數(shù)值與被測(cè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)值的差值為一穩(wěn)定或呈周期性變化的值;

5、與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備(如顯示器等)工作不正常。

干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類:信號(hào)傳輸通道干擾,干擾通過(guò)與系統(tǒng)相聯(lián)的信號(hào)輸入通道、輸出通道進(jìn)入;供電系統(tǒng)干擾。

信號(hào)傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)器接收反饋信號(hào)和發(fā)出控制信號(hào)的途徑,因?yàn)槊}沖波在傳輸線上會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾,所以在傳輸過(guò)程中,長(zhǎng)線的干擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻,正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾,如果沒(méi)有內(nèi)阻,無(wú)論何種噪聲都會(huì)被電源短路吸收,線路中也不會(huì)建立起任何干擾電壓;此外,交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器本身也是較強(qiáng)的干擾源,它可以通過(guò)電源對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行干擾。

供電系統(tǒng)

對(duì)傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾,產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有:電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈,甚至電烙鐵等。尖峰干擾可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來(lái)抑制。

1、用硬件線路抑制尖峰干擾的影響

常用辦法主要有三種:

①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器,將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上,從而減弱其破壞性;

②在儀器交流電源輸入端加超級(jí)隔離變壓器,利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖;

③在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻,利用尖峰脈沖到來(lái)時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓,從而削弱干擾的影響。

2、利用軟件方法抑制尖峰干擾

對(duì)于周期性干擾,可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波,也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣,從而有效地消除干擾。

3、采用硬、軟件結(jié)合的看門狗(watchdog)技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響

軟件:在定時(shí)器定時(shí)到之前,CPU訪問(wèn)一次定時(shí)器,讓定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí),正常程序運(yùn)行,該定時(shí)器不會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖,watchdog也就不會(huì)起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了"飛程序",則CPU就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問(wèn)定時(shí)器,因而定時(shí)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn),從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷,保證智能儀器回到正常程序上來(lái)。

4、實(shí)行電源分組供電

例如:將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分開,以防止設(shè)備間的干擾。

5、采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其它設(shè)備的干擾。

該措施對(duì)以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。

6、采用隔離變壓器

考慮到高頻噪聲通過(guò)變壓器主要不是靠初、次級(jí)線圈的互感耦合,而是靠初、次級(jí)寄生電容耦合的,因此隔離變壓器的初、次級(jí)之間均用屏蔽層隔離,減少其分布電容,以提高抵抗共模干擾能力。

7、采用高抗干擾性能的電源

如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效,它能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓峰值(電壓峰值小于TTL電平)的電壓,但干擾脈沖的能量不變,從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗干擾能力。

信號(hào)傳輸通道

1、光電耦合隔離措施

在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中,采用光電耦合器,可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、輸出通道以及伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入、輸出通道切斷電路之間的聯(lián)系。如果在電路中不采用光電隔離,外部的尖峰干擾信號(hào)會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)裝置,產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。

光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾,使信號(hào)傳輸過(guò)程的信噪比大大提高。干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度,但是能量很小,只能形成微弱電流,而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的,一般導(dǎo)通電流為10mA~15mA,所以即使有很大幅度的干擾,這種干擾也會(huì)由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。

2、雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸

信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)和地阻抗等干擾因素的影響,采用接地屏蔽線可以減小電場(chǎng)的干擾。雙絞線與同軸電纜相比,雖然頻帶較差,但波阻抗高,抗共模噪聲能力強(qiáng),能使各個(gè)小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。另外,在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中,一般采用差分信號(hào)傳輸,可提高抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線長(zhǎng)線傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現(xiàn)象中的(2)、(3)、(4)種干擾的產(chǎn)生。

局部誤差消除

在低電平測(cè)量中,對(duì)于在信號(hào)路徑中所用的(或構(gòu)成的)材料必須給予嚴(yán)格的注意,在簡(jiǎn)單的電路中遇到的焊錫、導(dǎo)線以及接線柱等都可能產(chǎn)生實(shí)際的熱電勢(shì)。由于它們經(jīng)常是成對(duì)出現(xiàn),因此盡量使這些成對(duì)的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效的措施,為此一般用熱屏蔽、散熱器沿等溫線排列或者將大功率電路和小功率電路分開等辦法,其目的是使熱梯度減到最小兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線(如鎳鉻一康銅線)的接點(diǎn)可能產(chǎn)生0.2mV/℃的溫漂,這相當(dāng)于高精度低漂移的運(yùn)放管(OP·27CP)的溫漂,是斬波放大器(7650CPA)溫漂的兩倍。雖然采用插座開關(guān)、接插件、繼電器等形式能使更換電器元件或組件方便一些,但缺點(diǎn)是可能產(chǎn)生接觸電阻、熱電勢(shì)或兩者兼而有之,其代價(jià)是增加低電平分辨力的不穩(wěn)定性,也就是說(shuō)它比直接連接系統(tǒng)的分辨力要差、精度要低、噪聲增加、可靠性降低。因此,在低電平放大中盡可能地不使用開關(guān)、接插件是減少故障、提高精度的重要措施。

地磅模擬傳感器的優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格便宜點(diǎn),其它方面自從有了數(shù)字傳感器在沒(méi)有什么優(yōu)點(diǎn)可言。 可了解一下數(shù)字傳感器的優(yōu)點(diǎn):

1、先進(jìn)的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和智能濾波算法,在滿量程的情況下仍可保證輸出碼的穩(wěn)定。

2、可行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù),保證模塊參數(shù)不會(huì)丟失。

3、良好的電磁兼容性能。

4、傳感器的性能參數(shù)采用數(shù)字化誤差補(bǔ)償技術(shù)和高度集成化電子元件,用軟件實(shí)現(xiàn)傳感器的線性、零點(diǎn)、額定輸出溫漂、蠕變等性能參數(shù)的綜合補(bǔ)償,消除了人為因素對(duì)補(bǔ)償?shù)挠绊?大大提高了傳感器綜合精度和可靠性。

5、傳感器的輸出一致性誤差可以達(dá)到0.02%以內(nèi)甚至更高,傳感器的特性參數(shù)可完全相同,因而具有良好的互換性。

6、采用A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字化信號(hào)傳輸和數(shù)字濾波技術(shù),傳感器的抗干擾能力增加,信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn),提高了傳感器的穩(wěn)定性。

7、數(shù)字傳感器能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并可預(yù)處理、存儲(chǔ)和記憶,具有唯一標(biāo)記,便于故障診斷。

8、傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通訊接口,可直接連入計(jì)算機(jī),也可與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制總線連接,方便靈活。