1、測量系統(tǒng)的智能化第1頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四智能化特征：就智能化儀表和裝置來說，則應(yīng)該具有以下特征：（1）能自動完成某些測量任務(wù)或在程序指導(dǎo)下完成預(yù)定動作；（2）具有進(jìn)行各種復(fù)雜計算和修正誤差的數(shù)據(jù)處理能力；（3）具有自校準(zhǔn)、自檢測、自診斷功能；（4）便于通過標(biāo)準(zhǔn)總線組成個多種儀表的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，并能靈活地改變和擴(kuò)展功能”。第2頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 意義：實現(xiàn)測量系統(tǒng)、儀器的智能化，建立具有智能化功能的測量系統(tǒng)、儀器，是克服測量系統(tǒng)自身不足，獲得高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度以及提高分辨率與適應(yīng)性的必然趨勢。方

2、法：以微型計算機(jī)、微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器相結(jié)合的測量系統(tǒng)、儀器，可以在最少硬件條件基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)大的軟件優(yōu)勢，“賦予”測量系統(tǒng)、儀器智能化功能。智能化功能：非線性自校正、自校零與自校準(zhǔn)、自動量程切換、自補(bǔ)償功能是最常用的智能化功能。第3頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四溫度變化對檢測系統(tǒng)的影響：（1）傳感器材料具有線膨脹系數(shù)；（2）檢測系統(tǒng)的電子電路中大量采用的半導(dǎo)體器件工作點、增益隨溫度變化；（3）電阻、電容性能隨溫度改變。第4頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四溫度補(bǔ)償基本原理溫度補(bǔ)償就是利用檢測系統(tǒng)自身的幾個環(huán)節(jié)受溫度影響產(chǎn)生的

3、變化相反而相互抵消的作用，或在檢測系統(tǒng)中附加一個環(huán)節(jié)、一個電路或一段程序，用它去控制檢測系統(tǒng)的輸出值，使之不隨環(huán)境溫度的變化而變化或控制在測量誤差允許的范圍之內(nèi)。第5頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四自身補(bǔ)償方式是利用檢測系統(tǒng)自身的幾個環(huán)節(jié)或傳感器的幾個部件受溫度影響產(chǎn)生的變化互相抵消，顯然必須對這些環(huán)節(jié)或部件受溫度影響而變化的規(guī)律性有充分的了解之后才能做到恰當(dāng)?shù)呐浜?而使之互消。 自補(bǔ)償應(yīng)變片 1、自身補(bǔ)償式溫度補(bǔ)償方式第6頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四并聯(lián)式溫度補(bǔ)償是在檢測系統(tǒng)原有持性的基礎(chǔ)上，人為地加上一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)，構(gòu)成方式如圖所示。從

4、這個結(jié)構(gòu)框圖上看，被補(bǔ)償環(huán)節(jié)與補(bǔ)償環(huán)節(jié)成并聯(lián)形式，故稱并聯(lián)式溫度補(bǔ)償，如差動傳感器。2、并聯(lián)式溫度補(bǔ)償方式第7頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四反饋式溫度補(bǔ)償是應(yīng)用負(fù)反饋原理，通過自動調(diào)整過程，保持檢測系統(tǒng)的零點和靈敏度不隨環(huán)境溫度而變化，其原理如圖所示：3、反饋式溫度補(bǔ)償方式第8頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四傳感器溫度誤差修正的基本思路是：在傳感器內(nèi)靠近對溫度敏感的部件處，安裝一個測溫元件，用以檢測傳感器所在環(huán)境的溫度。把測溫元件的輸出經(jīng)過多路開關(guān)與信號同一路徑送入處理器，根據(jù)溫度誤差的數(shù)學(xué)模型去補(bǔ)償被測信號，以達(dá)到精確測量的目的，如圖所示

5、。4、檢測系統(tǒng)中溫度漂移的軟件補(bǔ)償法第9頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四一般希望測量儀表的輸出量y與輸入量x(被測量)之間關(guān)系yf(x)呈線性關(guān)系。以保證儀表在整個測量范圍內(nèi)靈敏系數(shù)為常數(shù)，有利于讀數(shù)和分析，也便于處理測量結(jié)果。但在實際檢測中，利用傳感器把許多物理量轉(zhuǎn)換成電量時，大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測物理量之間的關(guān)系不是線性的。 非線性誤差第10頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四產(chǎn)生非線性的原因:一方面是由于傳感器變換原理的非線性；另一方面是由于轉(zhuǎn)換電路的非線性。 因此，為了保證測量儀表的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系，除了對傳感器本身在設(shè)計

6、和制造工藝上采取一定措施外，還必須對輸入?yún)⒘康姆蔷€性進(jìn)行補(bǔ)償，或稱線性化處理。 線性化處理的方法很多，目前經(jīng)常使用的可分成兩大類：一類是模擬線性化：另一類是數(shù)字線性化。第11頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四模擬量線性化技術(shù) 在模擬量中采用的線性化技術(shù)，包括采用小范圍線性化、差動結(jié)構(gòu)補(bǔ)償、最佳參數(shù)選擇和加入非線性校正環(huán)節(jié)等。(1)小范圍線性化 當(dāng)被測量x在大范圍內(nèi)變化時，傳感器或檢測系統(tǒng)的輸出y和輸入x之間的函數(shù)關(guān)系呈非線性,但著縮小x的變化范圍，在較小范圍內(nèi)可把一小段曲線近似成直線。第12頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四(2)采用差動結(jié)構(gòu)補(bǔ)償

7、 通常總把傳感器設(shè)計成差動結(jié)構(gòu)工作方式，二個特性完全相同的傳感器，一個接受x的正變化(+x)一個接受負(fù)變化(-x)，以二個傳感器輸出之差y1y2來反映x，比起單個工作不僅會使靈敏度提高，而且線性也有明顯改善。第13頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四(3)最佳參數(shù)選擇 最佳參數(shù)選擇是指用線性特性替代實際的非線性特性時，選擇合適的參數(shù)使二者之間的誤差滿足設(shè)定值的要求。在非線性特性的線性標(biāo)定中，尋找一條直線取代整條曲線，取代的約束條件是根據(jù)需要設(shè)定，例如要求取代后的某種誤差(如相加誤差、或相乘誤差等)符合某種限定(如處于最小等)，依據(jù)此約束條件就能找出取代直線的最佳參數(shù)。第1

8、4頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四(4)加入校正環(huán)節(jié) 在整個檢測系統(tǒng)中加入非線性校正環(huán)節(jié)的方式，可以是串聯(lián)方式接入，即開環(huán)式；也可以是作為系統(tǒng)的反饋回路接入，即閉環(huán)式。 非線性校正環(huán)節(jié)本身的持性是非線性的，用它的非線性去補(bǔ)償檢測系統(tǒng)的非線性。非線性校正環(huán)節(jié)持性，由檢測系統(tǒng)的非線性持性用解析法或圖解法求得。第15頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四第16頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四第17頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四上面介紹的線性化方法是在模擬量的輸入通道中加非線性補(bǔ)償電路。在非電量電測系統(tǒng)

9、中，非線性校正裝置也可以放置在AD轉(zhuǎn)換之后。隨著計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其是微型計算機(jī)的迅速發(fā)展，人們想到了充分利用計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。 數(shù)字線性化第18頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四用軟件進(jìn)行傳感器特性的非線性補(bǔ)償，使輸出的數(shù)字量與被測物理量之間呈線性關(guān)系。這種方法有許多優(yōu)點，（1）首先它省去了復(fù)雜的補(bǔ)償硬件電路，簡化了裝置；（2）可以發(fā)揮計算機(jī)的智能作用，提高了檢測的準(zhǔn)確性和精度；（3）適當(dāng)改變軟件內(nèi)容，可對不同的傳感器特性進(jìn)行補(bǔ)償，也可利用一臺微機(jī)對多個通道、多個參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。第19頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 1、 計算法 當(dāng)

10、傳感器的輸入量與輸出量之間有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式時，就可采用計算法進(jìn)行非線性補(bǔ)償。計算法就是在軟件中編制一段完成數(shù)學(xué)表達(dá)式的計算程序，當(dāng)被測參量經(jīng)過采樣、濾波和變換后，直接進(jìn)入計算程序進(jìn)行計算，計算后的數(shù)值即為經(jīng)過線性化處理的輸出量。第20頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 這是一種分段線性插值法。它是根據(jù)精度要求對反非線性特性曲線（如圖52）進(jìn)行分段，用若干段折線逼近曲線。將折點座標(biāo)值（ui，xi）存入數(shù)據(jù)表中，測量時首先要判斷輸入被測量xi的電壓值ui是在哪一段，然后根據(jù)那一段的斜率進(jìn)行線性插值，即得輸出值yi=xi。 以三段為例，折點座標(biāo)值為：(ul，xl），（u2，

11、x2），(u3，x3)，(u4，x4），如圖53所示。2、查表法（插值法）第21頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四第22頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四測量儀器、系統(tǒng)在輸入為零時其輸出往往不為零，即存在零點誤差，這屬于固定系統(tǒng)誤差。如果在某些干擾因素如溫度、電源電壓波動作用下，測量系統(tǒng)的增益、零點發(fā)生漂移，將引入可變系統(tǒng)誤差。具有自校零與自校準(zhǔn)智能功能的測量儀器、系統(tǒng)，在軟件程序的導(dǎo)引下進(jìn)行三步測量法，自動校正零點以及自動消除因零點漂移、增益漂移(又稱靈敏度漂移)而引入的誤差，從而提高了整個系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。自校零與自校準(zhǔn)第23頁，共52頁，

12、2022年，5月20日，12點22分，星期四二標(biāo)準(zhǔn)值實時自校法自校準(zhǔn)功能實現(xiàn)的原理框圖如圖所示：第24頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 第一步校零，輸入信號為零點標(biāo)準(zhǔn)值，輸出值為y0a0； 第二步標(biāo)定，輸入信號為標(biāo)準(zhǔn)值VR，輸出值為yR； 第三步測量，輸入信號為傳感器的輸出Vx，輸出值為yx，則被校環(huán)節(jié)的增益a1為：第25頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四量程的自動切換也就是增益的自動選擇，要綜合考慮被測量的數(shù)值范圍，以及對測量精度、分辨率的要求諸因素來確定增益(含衰減)檔數(shù)的設(shè)定和確定切換檔的準(zhǔn)則，這些都依具體問題而定。量程自動切換第26頁，

13、共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四改變電壓的量程，最簡單的方法是在電壓的輸入電路中帶有電阻衰減器，如圖所示。設(shè)圖中有四個量程，每個量程相差10倍。為了能自動選擇合適的量程，我們在每個量程設(shè)置了兩個數(shù)據(jù)限，上限稱升量程限，下限稱降量程限。上限通常在滿刻度值附近取值，下限一般取為上限的1/10。第27頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四例1 被測對象為5個電壓值：6.67V，33.3V，57.7V，100V，150V，要求測量系統(tǒng)的相對量化誤差小于0.05；試設(shè)定增益衰減檔數(shù)和換擋準(zhǔn)則。已知測量系統(tǒng)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，滿量程輸入電壓VF.S5V。例 2

14、 欲測量溫度上限值為160，要求分辨率為0.1，采用10位A/D轉(zhuǎn)換器的測量系統(tǒng)，是否需要換檔?第28頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 測量儀表或傳感器工作現(xiàn)場的環(huán)境條件常常是很復(fù)雜的。各種干擾通過不同的耦合方式進(jìn)入測量系統(tǒng)，使測量結(jié)果偏離準(zhǔn)確值，嚴(yán)重時甚至使測量系統(tǒng)不能正常工作。三、抗干擾技術(shù)噪聲：指在信號檢測的領(lǐng)域內(nèi)，檢測系統(tǒng)檢測和傳輸?shù)挠杏眯盘栆酝獾囊磺行盘柧Q為噪聲。干擾：指具有一定幅值和一定強(qiáng)度能影響檢測系統(tǒng)正常工作的噪聲為干擾。第29頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四固有噪聲是指噪聲由電子設(shè)備本身原因而產(chǎn)生的，可分為以下三種：（1）

15、熱噪聲 指任何電阻既使不與電源相接，在它的兩端也存在著微弱的電壓。這種電壓是由于電阻中電子熱運(yùn)動所形成的，故稱為熱噪聲。由于電子熱運(yùn)動具有隨機(jī)性質(zhì)，所以電阻兩端的熱噪聲電壓也具有隨機(jī)性質(zhì)，而且它幾乎覆蓋整個頻譜，故又稱之為白噪聲。1、 干擾的類型第30頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四（2） 散粒噪聲 散粒噪聲存在于電子管和半導(dǎo)體兩種元器件中。在電子管里，散粒噪聲來自陰極電子的隨機(jī)發(fā)射；在半導(dǎo)體內(nèi)，散粒噪聲是通過晶體管基區(qū)載流子的隨機(jī)擴(kuò)散以及電子空穴對的隨機(jī)發(fā)生及其復(fù)合形成的。（3） 接觸噪聲接觸噪聲是由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

16、導(dǎo)體連接的地方，如繼電器的接點、電位器的滑動觸點等。第31頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四人為噪聲源：人為噪聲源主要是指各種電氣設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲，主要有以下幾種： 工頻噪聲：大功率輸電線是典型的工頻噪聲源。低電平的信號線只要有一定長度與輸電線平行，就會受到明顯的干擾；即使一般室內(nèi)的交流電源線，對輸入阻抗和靈敏度均高的檢測系統(tǒng)來說也全是很大的干擾源。在檢測系統(tǒng)內(nèi)部，也會因工頻感應(yīng)而產(chǎn)生交流噪聲。 射頻噪聲：高頻感應(yīng)加熱，高頻焊接等工業(yè)電子設(shè)備以及廣播、電視、雷達(dá)及通訊設(shè)備等通過電磁輻射給附近的檢測系統(tǒng)帶來干擾。第32頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星

17、期四電子開關(guān) ：由于電子開關(guān)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，從而成為噪聲干擾源。 自然噪聲源和放電噪聲：自然噪聲主要來自于各種自然放電現(xiàn)象。第33頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四上述干擾的耦合方式主要有以下四種：靜電耦合：即經(jīng)雜散電容耦合到電路中去。電磁耦合：即經(jīng)互感耦合到電路中去。共阻抗耦合：即電流經(jīng)兩個以上電路之間的公共阻抗耦合到電路中去。漏電流耦合：即由于絕緣不良由流經(jīng)絕緣電阻的電流耦合到電路中去。干擾的耦合方式第34頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四抑制耦合電容減小輸入阻抗電容耦合第35頁，共52頁，2

18、022年，5月20日，12點22分，星期四互感耦合減弱UN的主要途徑是減小互感M值。 電路遠(yuǎn)離干擾線絞合減少接收回路面積第36頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四共阻抗耦合 電源內(nèi)阻抗耦合干擾第37頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四抑制接地線公共阻抗，盡量縮短并加粗地線，以降低公共地線阻抗。 地線阻抗耦合干擾第38頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四漏電耦合第39頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 大功率的高頻電氣設(shè)備、廣播、電視、通訊發(fā)射臺等，不斷地向外發(fā)射電磁波。檢測系統(tǒng)若置于這種輻射場中，就會感應(yīng)

19、到與輻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。輻射電磁場耦合第40頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四抑制干擾的兩個主要方法是接地和屏蔽。用低電阻材料或高磁導(dǎo)率材料制成容器，將需要防護(hù)的部分包圍起來，這種防止靜電的或電磁的相互感應(yīng)所采用的措施稱為“屏蔽”，屏蔽的目的是隔斷“場”的耦合，即抑制各種場的干擾。干擾的抑制第41頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四電磁屏蔽 電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生的渦流，再利用渦流磁場抵消高頻干擾磁場的影響，從而達(dá)到抗高頻電磁場干擾的效果。 電磁屏蔽依靠

20、渦流產(chǎn)生作用，因此必須用良導(dǎo)體如鉛、鋁等做屏蔽層?？紤]到高頻趨膚效應(yīng)，高頻渦流僅在屏蔽層表面一層, 因此屏蔽層的厚度只須考慮機(jī)械強(qiáng)度。 將電磁屏蔽妥善接地后，具有電場屏蔽和磁場屏蔽兩種功能。第42頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 隔離是破壞干擾途徑、切斷噪聲耦合通道，從而達(dá)到抑制干擾目的的一種技術(shù)措施。常用的電路隔離方法有變壓器隔離法和光電耦合器方法。A、 變壓器隔離左圖是一個兩端接地的系統(tǒng)，地電位差Un通過地環(huán)回路對測量系統(tǒng)形成干擾。減小或消除類似這種干擾的一種方法是在信號傳輸通道中接入一個變壓器，如右圖所示，使信號源和放大器兩個電路在電氣上相互絕緣，斷開地環(huán)回路從

21、而切斷了噪聲電路傳輸通道，有效地抑制了干擾。隔離措施第43頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四兩點接地的地環(huán)回路 采用隔離變壓器第44頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四B、光電耦合器隔離 光電耦合器隔離方法如圖所示。它是在電路上接入一個光耦合器，即用一個光耦合器代替上圖中的變壓器，用光作為信號傳輸?shù)拿浇椋瑒t兩個電路之間既沒有電耦合，也沒有磁耦合，切斷了電和磁的干擾耦合通道，從而抑制了干擾。 光電耦合器廣泛用于數(shù)字接口電路中的噪聲抑制。但是由于它非線性特性強(qiáng)，所以不宜在模擬電路中使用。第45頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四 微機(jī)控制系統(tǒng)第46頁，共52頁，2022年，5月20日，12點22分，星期四濾 波 濾波是一種只允許某一頻帶范圍內(nèi)的信號通過或只阻止某一頻帶范圍內(nèi)信號通過的抑制干擾的措施之一。濾波方式可分為模擬濾波和數(shù)字濾波兩類。模擬濾波的實現(xiàn)有無源和有源濾波器兩種，它應(yīng)用于信號濾波和電源濾波。數(shù)字濾波是依靠相應(yīng)的軟件程序來實現(xiàn)，它主要用于信號濾波。所謂數(shù)字濾波，是在檢測系統(tǒng)中通過一定的計算機(jī)程序?qū)Ρ徊蓸拥男盘栠M(jìn)行平滑加工以提高有用信號、消除或減小各種干擾和噪聲，從而保證測量的準(zhǔn)確度和系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字抗干擾措施第47頁，共52頁，2022年，5月20日，12點