过程控制仪表第7章检测电路、检测算法及抗干扰技术ppt课件.ppt

1,8 检测电路、检测算法 及抗干扰技术,8.1 检测电路设计8.2 检测算法 8.3 检测系统抗干扰技术,2,8.1 检测电路设计,1）信号放大电路2）信号变换电路3）信号分离电路（滤波）4）信号调制电路,3,8.2 检测算法,1） 数字滤波技术2） 克服系统误差的软件算法3） 量程自动切换及标度变换,4,8.3 检测系统抗干扰设计,1） 干扰的类型及产生2） 常用的抑制干扰措施3） 其他抑制干扰的措施,5,8.1 检测电路设计 1）信号放大电路,标准电信号： 420mA ，1 5V其它标准电压、电流信号方便对被测信号的后续变换、处理、记录、分析,电压、电势、电位电流、电荷电阻、电容、电感光、磁信号,信号放大的目的：,传感器直接输出的信号：,6,放大电路的主要类型,比例放大器：通用型差动放大器：电势、电位式传感器电桥放大电路：电阻应变、电感、差动变压器、电容式传感器电荷放大器：电荷式传感器仪用放大器：电位差、电势差隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电容,7,同相比例放大电路,同相比例放大器是指输出信号与输入信号相比，相位相同，幅值成一定比例。 增益 输入阻抗,其中： A为运放的开环增益； F为电路的反馈系数； ri为运放的开环输入阻抗。,8,反相比例放大电路,反相比例放大器是指输出信号与输入信号相比，相位相反，幅值成一定比例。,9,交流电压跟随电路,交流电压跟随电 路是同相放大电路的 特例。为减小失调电 流，常取R3=R2,10,差动放大电路,差动放大是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相端和反相端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。特点：提高电路共模抑制比，减小温漂。,11,而 VTVF 则 V01 = 2（Vi VS）,可列出两输入节点的电流方程：,DDZ-调节器的输入电路,12,电桥放大电路,特点：,灵敏度高；线性好；测量范围宽；容易实现温度补偿。,直流电桥（电阻应变式测力称重传感器）交流电桥（电感式、差动变压器式、电容式传感器）,分类：,13,直流电桥,直流电桥的桥臂为纯电阻，如图所示，图中UB为电桥电源电压。电桥输出接运放输入端，电桥的平衡条件为：R1R4=R2R3 。 电桥输出为：,令 R1=R2=R3=R，R4=R+dR（单臂工作）有：,14,交流电桥,或,交流电桥的结构与工作原理和直流电桥基本相同。不同的是输入输出为交流，其平衡条件应为Z1Z3=Z2Z4 由于 式中Ri、Xi为各桥臂电阻和电抗； zi、 为各桥臂复阻抗的模和辐角。 因此，式中的平衡条件必须同时满足：,输出,15,电荷放大电路,特点：把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，实现阻抗匹配，并使其输出电压与电荷成正比。电荷放大电路可用于压电式传感器、CCD传感器,图（b）电荷放大器等效电路,图（a）电荷放大器电路原理框图,输出,回路电容,16,仪用放大器,仪用放大器又称测量放大器，为抑制共模输入电压与增益调节和阻抗匹配之间互相牵连和矛盾而设计，电路如图所示。 左边部分由运放A1、A2构成同相放大器，右边部分由运算放大器A3和电阻R3R6组成减法器。设R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，则有,仪用放大器仅调Rg即可调整放大器增益，不需多电位器联动，不影响电路的对称性，输入阻抗高、对称性好、共模抑制比高、增益设定调整方便，适用于电势差、电位差输出型传感器。,17,隔离放大器,隔离放大器能在输入与输出信号之间保持电气隔离的同时，实现输出与输入电压的线性传输。其组成及符号如下图所示。隔离放大器主要用于噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号，适合于电感式、磁电式、电涡流式、光电式、霍尔式等传感器的信号调理与放大。,18,隔离放大器,隔离的媒介主要有电磁隔离（变压器隔离）、光电隔离和电容隔离。,a）变压器隔离放大器原理框图,b）光电隔离放大器原理框图,19,变压器隔离放大器：因变压器体积大，成本高，功耗大，无法集成，使器件价格高，体积大，一般为非标准集成电路封装；但一般把隔离电源也固化在器件内，甚至可实现三端隔离，且通过引脚将电源输出，可外接负载，不需另配隔离DC-DC变换器，使用方便。光电耦合隔离放大器：全由半导体器件构成，便于集成，成本低，体积小，性能稳定，不需外接任何器件，使用方便。但器件本身不带隔离电源，需另接隔离DC-DC变换器。电容耦合隔离放大器：引出线少，使用方便，但需使用调制解调技术，频带宽度不及光电耦合型隔离放大器。,三种隔离放大器的特点,20,2） 信号变换电路,电压-电流转换电路 交流-直流转换电路 电压-频率转换电路 电压-脉宽转换电路,21,电压-电流转换电路,在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即1-5V直流电压或4-20mA直流电流。 在传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、电流信号间的转换。例如，在远距离测量中，把电压信号转换成电流传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。测电流信号时，先将电流信号转换成电压，再由数字电压表测量，或经A/D转换后由计算机测控。,22,电压-电流(V/I)变换,输出负载中的电流正比于输入电压的电路，称为电压-电流变换器。 （1）浮地负载的V-I变换电路 一个简单的V-I变换电路如 图(1)所示。流过RL两端的电流与 输入电压的关系为,图(1) 简单的V-I变换器电路,23,U/ I 转换电路,图(2) 带三极管驱动的V-I变换器电路,由上式可知，调节Rw可改变输入电压与输出电流之间的变换系数。 为降低运算放大器功耗，扩大输出电流，在运算放大器的输出端可加一个三极管驱动电路，如图(2)所示。,24,接地负载V-I变换电路,图(3)中Al为同相加法器，A2为跟随器，所以 V02=VL=ILRL A1的同相端电压为： V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4) A1的同相端电压经放大后输出为： Vol=V+(R1+R2)/R1=ILR5+ILRL 选择元件参数值满足： R3(Rl+R2)Rl(R3+R4)， 可得负载中的电流IL与负载RL无关。 为此选取R3R1，R4R2，则输出负载中的电流为： IL=ViR2/(R1R5),图(3)接地负载的V-I变换电路,25,差动式V-I变换电路,图a：理想条件下：V-=V+=Vi2，RL中的电流：IL=(Vi1-Vi2)/R1 图b：若满足条件：R3/R5=R1/(R2+R4)，则浮地负载中的总电流为： IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4)图c：负载中的电流为IL=I3-I4，为使负载的电流与RL无关，电阻选择须满足：R1R4=R2R3，相应的接地负载电流为：IL=(Vi2-Vil)/R3,a） b） c）,图(4)差动式V-I变换电路,26,电流-电压转换电路,在远程监控中，电流信号常常经长距离导线传送到数据采集接口，需I-V比例转换后再进行A/D转换。如图(5)所示。 最简单的电流-电压变换电路如图(6)所示。常用高输入阻抗运放组成电流-电压变换电路，一种简单的方案如图(7)所示。,图(5),图(6),图(7),27,交流-直流变换电路,把交流电压变换成直流电压亦称AC-DC变换。图(10)是使用二极管的整流电路，利用半波整流把交流电变成直流电。 从图(11)所示硅二极管的正向伏安特性可知，用硅二极管做半波整流时，若Um 0.5V，则输出电压Uo 0。 该电路不能把峰值0.5V以下的交流电压转换成直流电压。,图(10)简单整流电路 图(11) 硅二极管的正向伏安特性,28,交流-直流变换器,为此，可采用图(12) 所示的由运放构成的半波线性整流电路。这时Uo与Ui呈线性关系。实际应用中图(12)a所示电路的输出端对地还要接滤波电容，使输出电压Uo平滑。,当输入uI为正极性时，放大器输出uO1为负，D2通，D1截止，uO为零。uI为负时，放大器输出为正，D1通，D2止，电路处于反相比例运算状态。 只要运放输出|uO1|的值大于整流二极管的正向导通电压，D1和D2中总有一个通，一个截止，此时电路能正常检波。,图(12)由运算放大器构成的线性整流放大电路,29,实用交流电压-直流电压变换电路,图(13) 实用交流电压-直流电压变换电路,图(13)是一种实用的电路。该电路是由半波整流电路和平均值-有效值转换器构成的线性变换电路，输出端将得到与交流电压的有效值相等的直流电压输出。,30,电压-频率转换电路,电压-频率转换(简称V/f 转换)是指把电压信号转换成与之成正比的频率信号，其转换过程实质上是对信号进行频率调制。 V/f 转换器（简称VFC）应用简单，对外围器件性能要求不高，其A/D转换速度不低于双积分型ADC。集成VFC不需同步时钟，其成本比ADC和DAC低得多。 另外，电压模拟量经V/f变换成频率信号后其抗干扰能力大为增强，适于远距离传输及噪声环境下工作。,31,单片集成VFC,单片集成VFC和模块式VFC组件已大量商品化，它们只需外接极少元件就可构成一个高精密的VFC电路，如LM331。 LM331是一种简单、廉价的VFC单片集成电路。,32,3）信号分离电路,滤波器的基本知识 RC有源滤波电路 集成有源滤波器,33,滤波器的基本知识,滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。 功能：滤除噪声和分离各种不同信号。 类型： 按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按功能分：低通、高通、带通、带阻 按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构 成的无源滤波器、RC有源滤波器 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶,34,滤波器的频率特性示意图,图（1） 各种滤波器频率特性示意图,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,35,滤波器的主要特性指标,特征频率： 通带截频 fp = p/(2): 通带与过渡带边界点的频率，在该 点信号增益下降到一个规定下限； 阻带截频 fr= r/(2)： 阻带与过渡带边界点的频率，在该点 信号衰耗(增益的倒数)下降到一个规定的下限； 转折频率 fc= c/(2)：为信号功率衰减到0.707(约3dB)时的频率， 在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频； 固有频率 f0= 0/(2)：电路没有损耗时，滤波器的谐振频率， 复杂电路往往有多个固有频率。,36,增益与衰耗,滤波器在通带内的增益并非常数。 低通滤波器： 通带增益Kp， 一般指w=0时的增益；高通指w时的增益； 带通则指中心频率处的增益。 带阻滤波器： 应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 通带增益变化量Kp： 指通带内各点增益的最大变化量，若Kp以dB为单位，则 指增益dB值的变化量。,37,阻尼系数与品质因数,阻尼系数：表征滤波器对角频率为0信号的阻尼作用，是 滤波器中表示能量衰耗的一项指标。品质因数：阻尼系数的倒数，是评价带通与带阻滤波器频率 选择特性的一个重要指标。 Q= 0/w。 式中，为带通或带阻滤波器的3dB带宽， 0为中心 频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。,38,灵敏度,滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。 滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。,39,群时延函数,当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性()也应提出一定要求。 在滤波器设计中，常用群时延函数d()/d评价信号经滤波后的相位失真程度。群时延函数d()/d越接近常数，信号相位失真越小。,40,二阶低通滤波器,二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为： 或 其固有频率为0= a01/2，通带增益Kp=b0/a0，阻尼系数1/0。其幅频特性与相频特性分别为,41,二阶低通滤波函数的频率特性,图（2） 二阶低通滤波函数的频率特性,42,二阶高通滤波器,二阶高通滤波器的传递函数的一般形式为 其幅频特性与相频特性分别为,43,二阶高通滤波函数的频率特性曲线,二阶高通滤波函数的频率特性曲线,44,二阶带通滤波器,二阶带通滤波器的传递函数的一般形式为 其幅频特性与相频特性分别为,45,二阶带通滤波函数的频率特性曲线,二阶带通滤波函数的频率特性曲线,46,二阶带阻滤波器,二阶带阻滤波器的传递函数的一般形式为 其幅频特性和相频特性为,47,二阶带阻滤波函数的频率特性曲线,二阶带阻滤波函数的频率特性曲线,48,滤波器特性的逼近,理想滤波器要求幅频特性A()在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。 实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。 测控系统中常用的三种逼近方法为： 巴特沃斯逼近 切比雪夫逼近 贝赛尔逼近,49,巴特沃斯逼近,其基本原则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其幅频特性为： n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为,50,巴特沃斯低通滤波器频率响应,三种巴特沃斯低通滤波器频率响应,a）幅频特性,b）相频特性,51,切比雪夫逼近与贝赛尔逼近,2）切比雪夫逼近 这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量Kp。其幅频特性为：3）贝赛尔逼近 与前两种不同，它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。,52,低通滤波器的频率特性,图（7）四种五阶低通滤波器的频率特性,a）幅频特性,b）相频特性,1为贝赛尔滤波器；2为巴特沃斯滤波器；3为通带波动为0.5dB的切比雪夫滤波器；4为通带波动为2dB的切比雪夫滤波器,图（8）三种二阶低通滤波器的单位阶跃响应,1为贝赛尔逼近；2为巴特沃斯逼近；3为通带波动为2dB的切比雪夫逼近,53,RC有源滤波电路,压控电压源型滤波电路,压控电压源型二阶滤波电路基本结构,该电路压控增益Kf=1+R0/R ，传递函数为,54,低通滤波电路与高通滤波电路,（1）低通滤波电路,（2）高通滤波电路,55,带通滤波器与带阻滤波器,3）带通滤波器,4）带阻滤波器,56,集成有源滤波器,单片集成通用有源滤波器MAX263/264： 28脚封装的CMOS芯片； 内含两组Q值和通带增益均相同的双二阶环电路； 可以实现四种不同的工作模式，如图（23）所示； 利用计算机编程可实现非常丰富灵活的信号分离功能。,MAX263/264 引脚图,57,4）信号调制电路,信号调制的目的 信号的调制与解调 调幅鉴幅电路 调频鉴频电路 调相鉴相电路 脉宽调制电路,58,信号调理的宗旨,输出信号真实、不失真地反映被测信号。,59,信号的调制与解调,调制解调的功用及目的： 从含噪的信号中分离出测量信号是检测电路的任务。主要功用： 为便于区别信号与噪声，给被测量信号赋予一定特征。方法： 先将微弱缓变信号加载到高频交流信号中，然后用交流放大器放大，再从放大器输出中取出放大的缓变信号。目的： 解决微弱缓变信号的放大以及信号传输问题，提高信号的抗干扰能力。,60,调制：用一个信号(称调制信号)去控制另一个作为载体的信号 (称载波信号)，使后者的某一特征参数按前者变化。 信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。 调制信号：用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的 信号，常用测量信号作调制信号。 已调信号： 经过调制的载波信号。 解调：在将测量信号调制并与噪声分离、放大等处理后，再 从已调信号中提取反映被测量值的测量信号的过程。,调制与解调的概念,61,调幅、调频、调相： 分别指对一个正弦信号（载波信号）的幅值、频率、相位参数 进行的调制。 脉冲调宽： 用脉冲信号作载波信号，对脉冲信号的不同特征参数作调制。 最常用的是对脉冲的宽度进行调制。,常用的信号调制方法,62,调幅原理与方法,调幅方式的特点：调制方法和解调电路简单； 调幅： 用调制信号x去控制高频载波信号的幅值，常用线性调幅， 即让调幅信号幅值按调制信号x的线性函数变化； 调幅信号的一般表达式可写为： 式中: c为载波信号的角频率；Um为调幅信号中载波信号的 幅值；m为调制度。,63,调制信号x可按任意规律变化，为方便可假设调制信号x是角频率为的余弦信号x=Xmcost，因此，式(1)调幅信号可写为： 它含三个不同频率的信号: 角频率为c的载波信号和角频率分别为c的上下边频信号。载波信号中不含调制信号x的信息，因此可取Um=0，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制。其数学表达式为:,调幅鉴幅电路,64,图(1) 双边带调幅信号波形,双边带调制的调幅波如图(1)所示。 图a为调制信号，图b为载波信号，图c为调幅信号。 双边带调制可用调制信号与载波信号相乘来现。,双边带调幅信号波形,65,为提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信 号，因此，常在传感器中进行调制。实例：用4个应变片测量梁的变形，由此确定作用在梁上的力F的大 小。4个应变片接入电桥，并采用交流电压U供电。设4个应 变片在没有应力作用的情况下它们的阻值R1=R2=R3=R4=R，电桥的输出：,传感器通过交流供电实现调制,66,调频原理与方法,调频：用调制信号x控制高频载波信号的频率； 常用线性调频，即被调信号频率按调制信号x的线性函数变化； 调频信号us的一般表达式可写为： 式中 wc为载波信号的角频率；Um为调频信号中载波信号 的幅度；m为调制度。 若x=Xmcos t, 则调频信号的频率可在wcmXm范围内变化。为避免频率混叠，要求 wcmXm。,67,调频信号的波形,调频信号的波形,68,优点：抗干扰能力强。 调频信号所携带的信息包含在频率变化之中， 并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表 现在振幅之中。缺点：占频带宽度大，复杂。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要 求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂， 因为频率调制是一种非线性调制。,调频调制的特点,69,传感器调频电路实例,与调幅情况一样，为提高测量信号抗干扰能力，常要求信号形成时已是已调信号。因此，常在传感器中进行调频。,测力或压力的振弦式传感器,实例：测力或压力的振弦式传感器振弦3的一端与支承4相连，另一端与膜片1连接，振弦3的固有频率随张力T变化变化。振弦3在磁铁2形成的磁场内振动时产生感应电动势，其输出为调频信号。,70,调相鉴相电路,调相：利用调制信号x控制高频载波信号的相位。常用方法：线性调相，即使得被调相信号的相位按调制 信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式： us=Umcos(wc t +mx) 式中，wc为载波信号的角频率；Um为调相信号中载波信号的幅度；m为调制度。,71,调相信号的波形,调相信号的波形,a）调制信号；b）载波信号；c）调相信号,72,同调幅、调频的情况一样，为提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号刚一形成就已经是已调信号，因此常在传感器中进行调制。实例：感应式扭距传感器,传感器调相电路实例,感应式扭距传感器,73,影响鉴相误差的主要因素：非线性、信号幅值、占空比、门电路 与时钟脉冲频率等。 RS触发器鉴相精度最高，线性好，对Us和Uc的占空比没有要求。 鉴相范围接近2； 相敏检波器或乘法器鉴相原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。鉴相范围为/2 ；脉冲采样鉴相中锯齿波的非线性影响鉴相误差。鉴相范围接近2；异或门鉴相中占空比影响鉴相误差。鉴相范围为0；通过相位 - 脉宽变换鉴相：门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。,各种鉴相方法及其比较,74,脉冲调制指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mx，波形图：,脉冲调制电路,脉冲调宽信号的波形,75,用电压变化实现脉宽调制的电路,电压调宽,用电压变化实现脉宽调制的电路,ux为正使u+升高。u+升高使uo处于高电平的脉宽加大，uo处于低电平的时间缩短； u+下降，使uo处于低电平的脉宽加大，uo处于高电平的脉宽减小，使脉宽受到调制。,76,8.2 检测算法,1） 数字滤波技术2） 克服系统误差的软件算法3） 量程自动切换及标度变换,77,1）数字滤波技术,优点： （1）不需增加硬件，只是一个计算程序，可靠性高， 数字滤波可对频率很高或很低的信号滤波； （2）用软件算法实现，可以使多个输入通道共享一个 软件“滤波器”，降低硬件成本； （3）改变软件滤波器程序和参数，即可改变滤波特 性，对于抑制低频脉冲干扰、随机噪声特别有效。不足：需要计算时间,78,数字滤波方法,程序判断滤波（限幅滤波）中（位）值滤波法算术平均滤波法递推平均滤波法加权递推平均滤波法一阶惯性滤波法复合滤波法,79,程序判断滤波（限幅滤波）,程序判断滤波算法：,: 相邻两个采样值之差的最大可能变化范围,程序判断滤波又称限幅滤波，很容易用程序判断方法实现。过程的动态特性决定其输出参数的变化速度，可根据检测实践经验或按参数可能的最大变化速度Vmax及采样周期T来决定值，即：, =TVmax,80,对某一被测参数连续采样n次(一般n取奇数)，把n次采样值按大小排队，取中间值作为本次有效采样值。 对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此算法能收到良好滤波效果，能有效抑制脉冲干扰，但对于压力等快变参数一般不宜采用。,中（位）值滤波法：,连续取几个采样值进行算术平均，其数学表达式为,算术平均滤波法：,适用于一般有随机干扰的信号的滤波，对信号的平滑程度完全取决于N。N大，平滑度高，灵敏度低；N小，平滑度低，灵敏度高。,中值滤波法与算术平均滤波法,81,只需一次测量，就能得到当前算术平均滤波值。此方法是把N个测量数据看成一个队列。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就得到新的滤波值。,递推平均滤波法：,加权递推平均滤波法：,其中,设为对象的纯滞后时间，且,则,递推平均滤波与加权递推平均滤波,82,以数字形式通过算法实现一阶惯性（动态）RC滤波，能很好地克服上述模拟滤波器的缺点。适用于波动频繁的参数滤波，但带来了相位滞后(取决于a值)，灵敏度低。,一阶惯性滤波法：,复合滤波法：,如果yly2yn，其中，3n14 (y1和yn分别是采样值中的最小值和最大值)，则,，其中,不能滤除频率高于采样频率二分之一(奈奎斯特频率)的干扰信号。高于奈奎斯特频率的干扰信号，应采用模拟滤波器。,一阶惯性滤波法与复合滤波法,a由实验定，只要使被测信号不产生明显纹波。,，Tf为滤波时间常数， T为采样周期,83,校正系统误差的关键是建立误差模型。多数情况下误差模型未知，只能通过测量数据建立反映测量值变化的近似数学模型，即校正模型。,系统误差的模型校正法（非线性校正）,2）克服系统误差的软件算法,代数插值法：,设有n+1组离散点：(x0，y0)，(xl，y1)，(xn，yn)，x a，b和未知函数f(x)，并有 f(x0)=y0 f(x1)=y1 f(xn)=yn，找到一个函数g(x)，使g(x)在xi(i=0，n)处与f(xi)相等。满足这个条件的函数g(x)，称为f(x)的插值函数，xi称为插值节点。,用一个次数不超过n的代数多项式 Pn(x)=anxn+an-1xn-1+ +a1x+a0去逼近f(x)，使Pn(x)在节点xi处满足Pn(xi) = f(xi) = yi i=0,2, ,n,84,通常给出离散点总是多于求解插值方程所需的离散数，因此，用多项式插值法求解离散点的插值函数时，先必须根据所需的逼近精度决定多项式次数，该次数与所要逼近的函数有关。一般最常用线性插值和抛物线(二次)插值。,线性插值：,在一组数据(xi , yi )中选取两个具有代表性的点(x0 , y0), (x1 , y1)，然后根据插值原理求出插值方程：,其中,线性插值,85,非线性特性的直线方程校正图,实际测量中，每采样一个值，就用校正方程计算P1 (x)，并把P1 (x)当做被测量值的校正值。,当(x0 , y0)、(x1 , y1)为非线性特性曲线f (x)或数组的两端点A、B时，如图所示，线性插值是常用的直线方程校正法(端点连线法)。当拟合误差小于允许的拟合误差时，则直线方程是理想的校正方程。,线性插值,86,抛物线插值是在数据中选取三点(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，相应的插值方程为：,抛物线插值,87,当很难建立合适的误差校正模型时，可用实验手段求得校正曲线，然后把曲线上的各校正点的数据以表格形式存入内存。一个校正点的数据对应一个(或几个)内存单元，以后实时测量时，通过查表来求得修正后的测量结果。,查表法,88,传感器、测量电路等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，这给整个测量系统引入零位误差和增益误差。这类误差均属系统误差。,零位误差的校正方法：,在每个测量周期中或中断正常的测量过程中，使输入接地(输入为零)，此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出 (一般该值不为零)N0；再把输入接基准电压VR测得数据NR，并将N0和NR存于内存。然后输入接Vx，测得Nx，则测量结果可用下式计算。Vx =VR (Nx-N0) / (NR-N0) 即在正常测量过程中，每次测量后均从采样值中减去原先存入的零位输出值，实现零位校正。但在对温度、流量、压力等的工业测量中，很难提供零位输入状态，因此零位误差很难补偿。,系统零位误差的校正方法,89,基本思想：系统开始工作后或每隔一定时间测一次基准参数，然后建立误差校正模型，确定并存储校正模型参数。正式测量时，根据测量结果和校正模型求取校正值，消除误差。有两种常用方法。,（1） 全自动校正,用这种方法测得的信号与放大器的漂移和增益变化无关，可大大提高测量精度，降低对电路器件的要求。,电路的输入部分有一个多路开关，由主机控制。校正时，先将开关接地，测出这时的输入x0。然后把开关接VR，测出输入x1，存放x0, x1，得校正方程 y=a1x+a0 式中，a1=VR/(x1-x0), a0=VRx0/(x0-x1)。,系统增益误差的校正方法1,90,（2）人工自动校正,由人工在需要时接入标准参数进行校正测量，存放测得的数据，供以后使用。一般人工自动校正只测一个标准信号yR，零位信号的补偿由数字调零完成。设数字调零后测得的数据分别为xR(接标准输入yR时) 和x (接被测输入y时)，则可计算出y。 y= yRx/xR 人工自动校正特别适于传感器特性随时间变化的场合。例如常用的湿敏电容等湿度传感器，其特性随时间变化而变化。 全自动校正只适用于基准参数是电信号的场合，且不能校正由传感器引入的误差。,系统增益误差的校正方法2,91,只需建立较精确的温度误差数学模型，就可实现完善的补偿。 一个可行方法是在传感器内靠近敏感元件处，安装一测温元件，感受传感器的工作环境温度。常用测温元件为PN二极管、热敏电阻等，它们的某些特性随温度变化，经测温电路、A/D转换电路，转换为与温度有关的数字量， 作为计算温度误差时的补偿量。 对某些传感器，可采用较简单的温度误差校正数学模型yC=y(1+a0)+a1 式中：y -未经温度误差校正的测量值； yC -经校正后的测量值； -实验工作环境温度与标准温度之差； a0、a1-温度变化系数，a1用于补偿零位漂移， a0用于补偿传 感器灵敏度的温度变化（温漂）。,传感器温度误差的校正方法1,92,对环境温度变化不大的场合，用上式补偿可收到比较好的效果；对于环境温度变化比较大，且补偿精度要求很高的场合，这种补偿会带来很大误差。为此，需采用更复杂的公式进行修正： yC = y(1+a0 + a1 2)+a2 +a3 2 式中，a0、a1用于补偿传感器灵敏度的变化；a2、a3用于补偿零位漂移。 对于传感器的灵敏度及零漂温度呈非线性变化的情况，上式可收到较好的效果。,传感器温度误差的校正方法2,93,3）量程自动切换及标度变换,量程自动切换：,如果传感器和显示器的分辨率一定，而系统(仪表)的测量范围很宽，为提高测量精度，系统应具有量程自动切换功能。自动切换量程有采用程控放大器和不同量程传感器两条途径。,（1）采用程控放大,通过控制放大器增益，对小幅值信号用大增益，对大幅值信号用小增益，使A/D转换器信号满量程达到均一化，程控放大器的反馈回路中包含一个精密梯形电阻网络或权电阻网络，使增益可按二进制或十进制规律进行控制。,程控放大器量程切换原理图,94,量程自动切换及标度变换,（2）采用不同量程传感器,采用不同量程传感器进行切换的方案，由微机通过多路转换器进行切换。1#传感器的最大测量范围为M1，2#为M2，且M1 M2，设它们的满量程输出相同。,启动时，总是1#传感器先接入工作，2#处于过载保护，待软件判别确认量程后，再置标志位，选取M1或M2。,95,标度变换,实用中，被测模拟量被检测出来并转为数字量后，常需要转换成操作员熟悉的工程量。因为被测对象的各种数据的量纲与A/D转换的输入值不同，这些参数经传感器和A/D转换后得到一系列数码，这些数码并不等于原来带有量纲的参数值，仅对应于参数大小，必须把它转换成带量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换是工程量变换，又称标度变换。有线性系统标度变换和非线性参数标度变换。,在非线性参数的标度变换中，其变换式应根据具体问题分析。首先求出其对应的标度变换公式，然后进行程序设计或在测量范围内实测一些典型数据制作一张数据表，再用查表程序实现标度变换，对那些中间数据可用插值法计算得到。,96,标度变换-线性系统,（1）线性系统,标度变换公式 ：,式中：A0测量范围最小值； Am测量范围最大值； NmAm所对应的数字量； N0A0所对应的数字量； Nx被测量工所对应的数字量。,例：已知某热处理炉温度测量系统的量程为200800，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量(8位)为0CDH，此时的温度值是多少? 解：已知A0=200， Am=800，Nx =0CDH=205，Nm=0FFH=255，此时温度Ax= Nx (Am-A0 )/ Nm + A0=205(800-200)/255+200 = 628,97,标度变换-非线性参数,（2）非线性参数的标度变换,被测量为非线性刻度时，则其变换式应根据具体问题分析，首先求出它所对应的标度变换公式，然后进行程序设计。 实例：在流量测量中，其流量和压差的公式为,式中： Q - 流量； P - 节流装置前后的差压； K - 刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸形状有关。 流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换式为,98,标度变换-流量测量,上式中，Qx：被测液体的流量值； Qm：流量仪表的上限值； Q0：流量仪表的下限值； Nx：差压变送器所测得的差压值(数字量)； Nm：差压变送器上限所对应的数字量； N0：差压变送器下限所对应的数字量。,对于流量仪表，一般下限皆为0，即Q0=0，所以上式可简化为,99,标度变换-流量测量,若取流量表下限对应的数字量N0=0，则上式可进一步简化为,前述三式即为不同初始条件下的流量标度变换公式。,与线性刻度标度变换公式一样，由于Qm，Q0，Nm，N0都是常数，所以公式就可分别记作：,上述三式即为各种不同条件下的流量标度变换公式，同样可以设计出流量标度变换程序。,100,8.3 检测系统抗干扰设计,1） 干扰的类型及产生2） 常用的抑制干扰措施3） 其他抑制干扰的措施,101,抗干扰技术,由于干扰的普遍存在，任何检测系统的检测结果总是达不到百分之百的准确，严重的干扰甚至会使检测系统不能正常工作。因此，在设计、制造和使用检测系统的过程中，都不能回避干扰的影响，尤其是高精度的检测系统，必须花很大的精力和成本去抑制干扰。,测量中,来自测量系统内部和外部、影响测量装置或传输环节正常工作和测试结果的各种因素的总和，称为干扰(噪声)。消除或削弱各种干扰影响的全部技术措施总称为抗干扰技术或称为防护。,形成干扰有三个要素: 干扰源、干扰通道和受感系统。,102,干扰的类型,根据干扰产生的原因，干扰通常可分为以下几种类型。,（1）电和磁干扰,电和磁的干扰对于传感器或各种检测仪表来说是最为普遍和影响最严重的干扰，必须认真对待这种干扰。,（2）机械干扰,对于机械干扰主要是采取减振措施来解决，例如采用弹簧减振、减振软垫及隔板等措施。,（3）热干扰,对于热干扰，工程上通常采取热屏蔽、恒温法、对称平衡结构和温度补偿元件等方法进行抑制。,103,（4） 光干扰,对于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽问题。,（5） 湿度干扰,通常采取的措施是避免将检测装置放置在潮湿处，仪器装置定时通电加热去潮，电子器件和印刷电路浸漆或用环氧树脂封灌等。,（6） 化学干扰,必须根据使用环境对仪器设备采取必要的防腐措施，将关键的 元器件密封并保持仪器设备清洁。,（7） 射线辐射干扰,干扰的类型,104,干扰的来源,（1） 自然干扰,由大气层发生的自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁辐射干扰统称为自然干扰，如雷电、大气低层电场的变化，电离层变化，太阳黑子的电磁辐射等。,（2） 电气设备干扰,电气设备所产生的干扰包括放电干扰、工频干扰、开关干扰及射频干扰等。,（3） 内部干扰,设备内部由于设计不良或某些器件工作会形成干扰。内部干扰有长期干扰和瞬时干扰之分。热电动势、热噪声、信号耦合、工频纹波等造成的干扰属于长期干扰，而转接过程、微音干扰、压电效应等干扰属于瞬时干扰。,105,电子测量装置的两种干扰类型,根据干扰进入测量电路的方式不同，干扰可分为串模干扰与共模干扰。,（1） 串模干扰,串模干扰：干扰电压与有效信号串联叠加后作用到系统上。 常见串扰：外部交变磁场对传感器的一端进行电磁耦合；外部高压交变电磁场对传感器的一端进行漏电流耦合。,（2） 共模干扰,共模干扰：相对于公共的电位基准点(通常为接地点)，在信号接收器的两个端子上同时出现的干扰。 它不直接影响结果，但是，当信号接收器的输入电路不对称时，它会转为串模干扰，对测量结果产生影响。,106,常用的抑制干扰措施,为保证检测系统正常工作，必须削弱和防止干扰影响，例如消除或抑制干扰源、破坏干扰途径以及削弱被扰对象(接收电路)对干扰的敏感性。通过采取各种抗干扰措施，使系统能稳定可靠工作，从而提高检测精度。,（1）屏蔽技术,利用铜或铝等低电阻值材料制成容器，将需要防护的部分包起来或者利用导磁性良好的铁磁材料制成的容器将需要防护的部分包起来，这种防静电或电磁的相互感应所采用的技术措施称为屏蔽。 屏蔽的目的就是隔断电、磁场的耦合通道。,107,屏蔽技术,静电屏蔽,静电屏蔽就是利用与大地相连接的导电性良好的金属容器，内部无电力线，即各点电位相等。同时外部的电场也不影响其内部。,电磁屏蔽,电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生涡流，再利用涡流磁场抵消高频干扰磁场的影响，从而达到抗高频电磁场干扰的效果。,低频磁屏蔽,对低频磁场干扰，要采用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰限制在磁阻很小的磁屏蔽体内，起到抗干扰的作用。,驱动屏蔽,驱动屏蔽就是用被屏蔽导体的电位，通过1：1电压跟随器来驱动屏蔽层导体的电位，实现等电位。,108,接地技术,合理的接地方式是抑制电容性、电感性以及电阻耦合，减小或削弱干扰的重要措施；电测装置的地线：保安接地：以安全防护为目的，将电测装置的机壳、底盘等接地；信号接地：信号接地是指电测装置中的零电位(基准电位)接地线，但不一定真正接大地。信号地线分为模拟信号地线和数字信号地线。前者是指模拟信号的零电平公共线，后者是指数字信号的零电平公共线，两种地线应分别设置。信号源接地：信号源地线是传感器本身的零电位电平基准公共线。负载接地,109,电路一点接地准则,(1)单级电路的一点接地,例如，单级选频放大器的原理电路上有7条线需接地，如果只从原理图的要求接线，则这7个线端可任意接在接地母线的不同位置上。这样，不同点间的电位差就有可能成为这级电路的干扰信号，所以，这7个线