检测技术及方法分析

传感器与检测技术传感器与检测技术3、检测技术及方法分析、检测技术及方法分析一、检测方法及其基本概念一、检测方法及其基本概念1 1 开环型检测和闭环型检测开环型检测和闭环型检测被检测量被检测量x x传感器检测传感器检测一次变换一次变换放大器放大器二次变换二次变换显示记录显示记录仪器仪器输出输出y y(1)(1)开环型检测开环型检测k1k3k2y=ky=k1 1k k2 2k k3 3x x(2)(2)闭环型检测闭环型检测传感器检测传感器检测一次变换一次变换放大器放大器二次变换二次变换显示记录显示记录仪器仪器x xy yk1k3k2反馈环节反馈环节x xf fy=y=k1k2k31+k2k3x令令k k2 2k k3 3=k=k 1,1,则则y=y=k k1 1k k1+1+k kx xk k1 1x x(1)(1)直接测量直接测量 电子卡尺电子卡尺2 2 直接检测与间接检测直接检测与间接检测(2)(2)间接测量间接测量 对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。基米德测量皇冠的比重）。静态测量静态测量 对缓慢变化的对象进对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。行测量亦属于静态测量。最高、最低最高、最低温度计温度计 动态测量动态测量 地震测量地震测量振动波形振动波形便携式仪表便携式仪表 可以显示波形的可以显示波形的便携式仪表便携式仪表接触式测量接触式测量 非接触式测量非接触式测量 例：例：红外前额体温计红外前额体温计 离线测量离线测量 产品质量检验产品质量检验在线测量在线测量 在流水线上，边加工，边检验，可提高产品在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。的一致性和加工精度。二、检测系统结构分析二、检测系统结构分析1 1 补偿结构补偿结构被检测量被检测量传感器传感器A Af fA A传感器传感器B Bf fB Bu u1 1+u u1 1干扰量干扰量u u2 2+u u2 2u u1 1y yA A +-y yB By y测量用测量用补偿用补偿用y yA A=f=fA A(u(u1 1,u,u2 2)y)yA A=f=fA A(u(u1 1+u u1 1,u,u2 2+u u2 2)返回返回y yB B =f=fB B(u(u1 1,u,u2 2)y yB B=f=fB B(u(u1 1,u,u2 2+u u2 2)y=y=y yA A-y-yB B=f=fA A(u(u1 1+u u1 1,u,u2 2+u u2 2)-f)-fB B(u(u1 1,u,u2 2+u u2 2)按照泰勒级数展开到二次项按照泰勒级数展开到二次项,得到得到条件条件:f:fA A(u(u1 1,u,u2 2)=f)=fB B(u(u1 1,u,u2 2)2 2 差分结构差分结构 (补偿结构的特例补偿结构的特例)被检测量被检测量传感器传感器A Af fA A传感器传感器B Bf fB Bu u1 1+u u1 1干扰量干扰量u u2 2+u u2 2 u u1 1-u u1 1y yA A +-y yB By yy=y=y yA A-y-yB B=f=fA A(u(u1 1+u u1 1,u,u2 2+u u2 2)-f)-fB B(u(u1 1-u u1 1,u,u2 2+u u2 2)按照泰勒级数展开到二次项按照泰勒级数展开到二次项,得到得到条件条件:f:fA A(u(u1 1,u,u2 2)=f)=fB B(-u(-u1 1,u,u2 2)对比补偿结构对比补偿结构,进一步消除了进一步消除了u u1 1的二次项的二次项.结论结论:(1)(1)差分结构的两个传感器采用对称形式差分结构的两个传感器采用对称形式,使测量使测量参数反对称发生作用，干扰参数对称发生作用参数反对称发生作用，干扰参数对称发生作用.由于由于传感器特性相同传感器特性相同,有有f fA A(u(u1 1,u,u2 2)=f)=fB B(-u(-u1 1,u,u2 2)(2)(2)差分结构能改善线性差分结构能改善线性,且能提高灵敏度且能提高灵敏度.锁定锁定放大器放大器和和毫伏计毫伏计的的测量结果测量结果三、提高检测精度的方法三、提高检测精度的方法锁定放大器原理锁定放大器原理两个两个1Hz1Hz正弦信号相乘的结果正弦信号相乘的结果 1Hz1Hz和和1.1Hz1.1Hz两正弦信号相乘的结果两正弦信号相乘的结果 真正需要的信号真正需要的信号调制信号的频率调制信号的频率干扰信号干扰信号低通滤波低通滤波V VO O(t(t)=)=rcos(wrcos(wo ot t+)V Vi i(t)cosw(t)coswo ot+n(tt+n(t)=0.5rVi(t)cos=0.5rVi(t)cos+cos(2w+cos(2wo ot+t+)+)+rn(t)cos(wrn(t)cos(wo ot t+)=0.5rVi(t)cos0.5rVi(t)cos结论结论-当输入信号与参考信号同相时当输入信号与参考信号同相时,有最大有最大输出输出0.5rVi(t).0.5rVi(t).相当于信号传输的延时相当于信号传输的延时,一般不会一般不会为零为零,但是可以通过调节移相器使但是可以通过调节移相器使最小，从而得到最小，从而得到最大输出最大输出.排除了排除了n(tn(t)的干扰的干扰思考思考:反相时呢反相时呢?参考信号参考信号输入信号输入信号 相敏检波电路相敏检波电路 直流参考量输入直流参考量输入 交交流流参参考考量量输输入入 J J 信号输入端信号输入端 输输出出信信号号 抗干扰技术抗干扰技术 1 1 干扰干扰是广义上的噪声，是人们所不希望的信号的统称。是广义上的噪声，是人们所不希望的信号的统称。2 2 噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。3 3 衡量噪声对有用信号的影响常用衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比信噪比（S/NS/N）来表示来表示.它它是指在信号通道中，有用信号功率是指在信号通道中，有用信号功率P PS S与噪声功率与噪声功率P PN N 之比之比,或者或者是是有用信号电压有用信号电压US与噪声电压与噪声电压UN 之比之比。4 4 信噪比常用对数形式来表示，单位为信噪比常用对数形式来表示，单位为dBdB，即，即 S/N=10lgS/N=10lg（P PS S/P PN N ）=20lg=20lg（U US S/U UN N ）dBdB 干扰与噪声干扰与噪声干扰的类型干扰的类型 一、机械干扰一、机械干扰 机械干扰是指机械振动或机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影参数，造成可逆或不可逆的影响。对机械干扰，可选用专用响。对机械干扰，可选用专用减振弹簧减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。小系统的振幅。橡胶橡胶 海绵软垫海绵软垫橡胶垫脚及弹簧橡胶垫脚及弹簧振动试验台振动试验台 频率、振幅均可调节频率、振幅均可调节 将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅下，产品指标是否变化。下，产品指标是否变化。固定固定跌落试验跌落试验 产品在运输产品在运输过程中常因为遭过程中常因为遭受剧烈震动或跌受剧烈震动或跌落而损坏或性能落而损坏或性能变差，因此需要变差，因此需要做抗跌落试验和做抗跌落试验和测试。测试。跌落试验机跌落试验机 用绝缘漆浸用绝缘漆浸渍过渍过的控制的控制变压器变压器 浸漆可防止水分浸漆可防止水分 进入线圈内部进入线圈内部二、湿度及化学干扰二、湿度及化学干扰 当环境相对湿度增加时，物体当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。烂。仪器设备的防潮试验仪器设备的防潮试验喷淋试验喷淋试验三、热干扰三、热干扰 设备和元器件长期在高温下工作设备和元器件长期在高温下工作,或者环境温度或者环境温度发生变化时发生变化时,会引起寿命和耐压等级降低等。会引起寿命和耐压等级降低等。克服热干扰的防护措施有：克服热干扰的防护措施有：1 1 热屏蔽热屏蔽 2 2 恒温法恒温法 3 3 采取软、硬件温度补偿措施等采取软、硬件温度补偿措施等 4 4 加强散热加强散热 5 5 选用低温漂元件选用低温漂元件散热实例散热实例 散热风扇散热风扇四、电磁干扰四、电磁干扰 电电磁磁干干扰扰源源分分为为两两大大类类：自自然然界界干干扰扰源源和和人人为为干干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。扰源，后者是检测系统的主要干扰源。1.1.自自然然界界干干扰扰源源包包括括地地球球外外层层空空间间的的宇宇宙宙射射电电噪噪声声、太太阳阳耀耀斑斑辐辐射射噪噪声声以以及及大大气气层层的的天天电电噪噪声声。后后者者的的能能量量频频谱谱主主要要集集中中在在30MHz30MHz以以下下，对对检检测测系系统统的的影影响响较大。较大。2.2.人人为为干干扰扰源源又又可可分分为为有有意意发发射射干干扰扰源源和和无无意意发发射干扰源。射干扰源。自然界干扰源和人为干扰源自然界干扰源和人为干扰源 闪电产生电磁场干扰闪电产生电磁场干扰变电站会产生高次谐波变电站会产生高次谐波干扰以及电晕放电干扰干扰以及电晕放电干扰自然界干扰源和人为干扰源自然界干扰源和人为干扰源雷达会产生大功率高频干扰雷达会产生大功率高频干扰 X光机产生大功率光机产生大功率高频干扰高频干扰电吹风机干扰电视机的演示电吹风机干扰电视机的演示 电吹风机产生的电电吹风机产生的电磁波干扰的两种途径磁波干扰的两种途径:一一 通过共用的电源插通过共用的电源插座座二二 以空间电磁场传输以空间电磁场传输的方式由电视机的天线的方式由电视机的天线接收。应设法切断这些接收。应设法切断这些干扰途径。干扰途径。常用的干扰抑制措施常用的干扰抑制措施一、屏蔽技术一、屏蔽技术 利用金属材料制成容利用金属材料制成容器，将需要防器，将需要防护的的电路包路包围在其中，可以防止在其中，可以防止电场或磁或磁场耦合干耦合干扰的方法称的方法称为屏蔽。屏蔽。未加屏蔽罩时，中频变压器未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。线圈易受外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器加屏蔽罩后的中频变压器1 1 静电屏蔽静电屏蔽 仪器设备的屏蔽仪器设备的屏蔽外壳必须接地外壳必须接地带孔带孔屏蔽板屏蔽板各种静电屏蔽各种静电屏蔽自制的自制的屏蔽屏蔽罩罩通风屏蔽窗通风屏蔽窗 开关电源采用带孔的开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄可防止电磁干扰外泄 2.2.电磁屏蔽电磁屏蔽 镀铜镀铜电磁屏蔽盒磁屏蔽盒军用屏蔽帐篷军用屏蔽帐篷导电纤维材料编织而成的导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材军用电磁屏蔽器材 军用军用 电子方舱电子方舱屏蔽通信车屏蔽通信车防电磁波屏蔽围裙防电磁波屏蔽围裙导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服辐射源辐射源防电磁波防电磁波屏蔽服装屏蔽服装防电磁波屏蔽围裙防电磁波屏蔽围裙防防辐辐射射面面罩罩屏蔽室屏蔽室 导电导电PVC地板地板 用于防静电用于防静电及及底部底部屏蔽屏蔽干扰信号无法穿透干扰信号无法穿透钢板屏蔽室钢板屏蔽室 二、接地技术二、接地技术 接地起源于接地起源于强强电技技术，它的本意是接大地，主，它的本意是接大地，主要着眼于安全。要着眼于安全。这种地种地线也称也称为“保安地保安地线”。它的它的接地接地电阻阻值必必须小于小于规定的数定的数值。对于于仪器、通器、通讯、计算机等算机等电子技子技术来来说，“地地线”多是指多是指电信号的基准信号的基准电位，也称位，也称为“公共参考公共参考端端”，它除了作，它除了作为各各级电路的路的电流通道之外，流通道之外，还是保是保证电路工作路工作稳定、抑制干定、抑制干扰的重要的重要环节。它可以接。它可以接大地，也可以与大地隔大地，也可以与大地隔绝。保安地线保安地线 电烙铁的外壳电烙铁的外壳必必须良好地接大地，以保证良好地接大地，以保证人身安全以及焊接对象人身安全以及焊接对象不致被静电击穿。不致被静电击穿。防静电手腕带的使用防静电手腕带的使用接地接地