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1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一检 测 系 统学习单元二检测系统的抗干扰技术学习单元三虚 拟 仪 器学习单元四综 合 应 用模块十模块十 检测系统、虚拟仪器和综合应用检测系统、虚拟仪器和综合应用模块导读模块导读前面已讲过许多传感器的结构和工作原理，但是在实际应用中，单独地使用一种传感器来组成简单仪器仪表的可能性是很小的，如空调、洗衣机、电冰箱等家用电器都配备了多个不同类型的传感器，并与计算机、控制电路及机械传动部件组成一个综合系统，来达到某种设定的目的，这种系统称为检测控制系统。模块十模块十 检测系统、虚拟仪器和综合应用检测系统、虚拟仪器和综合应用模块导读模块导读随着
2、计算机、微电子等技术渗透到检测和仪器仪表技术领域，检测技术与仪器不断进步，相继出现了智能仪器、虚拟仪器等微机化仪器及其自动检测系统，计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊。与计算机技术紧密结合已是当今仪器与检测技术发展的主潮流。本模块主要介绍检测技术、虚拟仪器技术及传感器技术的综合应用。模块十模块十 检测系统、虚拟仪器和综合应用检测系统、虚拟仪器和综合应用学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统 检测技术的含义、地位和作用一、一、随着人类社会进入信息时代，以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的学科，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其主要应
3、用领域如下：学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统（1）检测技术是产品检测和质量检测的重要手段。借助于检测工具对产品进行质量评价是人们十分熟悉的，这是检测技术重要的应用领域。但传统的检测方法只能将产品分为合格品和废品，起到产品验收和废品剔除的作用。这种被动检测技术，对废品的出现并没有预先防止的能力。在传统检测技术基础上发展起来的主动检测技术（在线检测技术），使检测和生产加工同时进行，及时用检测结果对生产过程主动地进行控制，使之适应生产条件的变化或自动调整到最佳状态。这样，检测的作用已经不只是单纯检测产品的最终结果，而是掌握和干预造成这些结果的原因，从而进入质量控制的领域。学习单元一学习单
4、元一 检检 测测 系系 统统（2）检测技术在大型设备安全经济运行检测中应用广泛。电力、石油、化工、机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这些设备安全运行在国民经济中具有重大意义。通常设置故障检测系统对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期动态检测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的。这样做可以避免严重的突发事故，保证设备和人员安全，提高经济效益。即使设备发生故障也可以从检测系统提供的数据中找出原因，缩短检测周期，提高检修质量。另外，在日常生活中，这种连续检测可以及时发现设备故障前兆，采取预防性检修。随着计算机技术的发展，这类检测
5、技术已经发展到故障自诊断系统，可以采用计算机来处理检测信息，从而进行分析、判断，及时检测出设备故障并自动报警或采取相应的对策。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统（3）检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的部分。任何生产过程都可以看作是由“物流”和“信息流”组合而成的，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断，以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息
6、执行等功能。在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确、及时地将被控对象的各项参数监测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常工作。因此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的部分。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统（4）检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。人们在自然科学各个领域内从事的研究工作，一般是利用已知的规律对观测、试验的结果进行概括、推理，从而对所研究的对象取得定量的概念并发现它的规律性，然后上升到理论。因此，现代化检测手段所达到的水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。检测技术达到的水平越高，提供的信息量越大、越可靠，科学
7、研究取得突破性进展的可能性就越大。此外，理论研究的一些成果，也需要通过实验或观测来加以验证，这同样离不开必要的检测手段。从另一角度看，现代化生产和科学技术的发展也不断对检测技术提出新的要求，从而成为促进检测技术向前发展的动力。科学技术的新发现和新成果不断应用于检测技术，也有力地促进了检测技术自身的现代化。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统检测技术与现代化生产和科学技术的密切关系，使它成为一门十分活跃的技术学科，几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着越来越大的作用。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统 工业检测技术的内容二、二、工业检测涉及的内容广泛，常见的工业检测内容见表10-
8、1。表10-1 常见的工业检测内容 学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统显然，在实际工业生产中，需要检测的量远不止表10-1所列的项目。而且，随着生产自动化程度的不断提高，工业生产对检测技术提出越来越多的新要求。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统 检测系统的基本结构和类型三、三、检测系统的大小及其复杂程度与被检测量的多少、被检测的性质及被测对象的特性有非常密切的关系。一个完整的检测过程一般包括信息的提取、转换、存储、传输、显示和分析处理等。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统图10-1所示为涵盖各种功能模块的检测系统的一般组成框图，包括传感器、模拟信号调理电路、底层显
9、示和信号分析与处理部分，以及将处理信号传送给控制器、数据显示、其他检测系统或上位机系统的通信接口和总线部分等，但并不是所有的检测任务都包括这些部分。图10-1 检测系统的一般组成框图学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统传感器的作用和地位如前所述，其输出信号必须经过适当的调整，使之与后续测试环节相适应。因为大多数传感器输出的电信号都很弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。而且，有的传感器输出的是非电量，需要转化为电量。传感器输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；如果检测仅对部分频段的信号感兴趣，就有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；当采用数字式仪器、仪表和计算机时，
10、模拟输出信号还要转化成数字信号等。常见的信号调整环节有电桥、放大镜、滤波器、调制解调器等。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统信号分析与处理使现代检测系统不断被注入新的内容，已逐渐成为检测系统的研究重点。常见的检测只是将传感器获得的信号进行放大和变换，以进行显示和输出，而分析和处理往往需要人工去完成。以计算机为基础的信息处理技术，使得现代检测系统能够解决过去常规无法解决的问题，使得复杂系统的实时控制得以实现，真正实现了检测的自动化和智能化。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统一个大型检测系统是由许多测量子系统或测量节点组成的，通信接口和总线能实现总系统与上位机之间，以及子系统与
11、子系统之间的信息交换。总线的意义，更多的是指一种规范、一种结构形式，而接口多指完成通信的硬件系统。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统现代检测系统大致可分为三类，即基本型、标准接口型和闭环控制型。基本型检测系统主要完成对被测参量的检测任务，对测量准确度要求较高；标准接口型检测系统集多种功能于一体，是计算机技术与仪器技术高度发展和相互结合的必然产物，并产生虚拟仪器的概念，使得设计高度自动化和智能化的现代检测成为现实。闭环控制型检测系统是指应用在闭环控制系统中的检测系统。它的主要任务是获取参数变换的定量数值，为控制器及时提供反馈信息，使控制器按照一定的控制规律输出控制信号给执行器，保证被控
12、制的参数按预定的规律变化。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统基本型检测系统基本型检测系统1.以计算机为终端的基本型现代检测系统如图10-2所示。图10-2 基本型现代检测系统学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统现场被测信号经模拟传感器和数字传感器接收并转化成模拟信号、数字信号或开关信号输出，再经相应的调理电路送入计算机，借助计算机丰富的软硬件资源对被测信号进行实时处理，实现智能化自动检测的目的。这种检测技术在非电量电测技术中已获得广泛应用。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统标准接口型检测系统标准接口型检测系统2.检测系统由各个功能模块组合在一起，模块之间的信号传输形
13、式有专门接口和标准接口两种类型。专门接口型检测系统由于其电气参数、接口形式和通信协议等不统一，各个模块之间的信息传输互联问题十分麻烦，系统设计缺乏灵活性，故一般只用在特殊场合或专用检测系统中，应用范围比较窄。标准接口型检测系统由模块（台式仪器或插件板）组合而成，所有模块的对外接口都按规定标准设计。组成系统时，若模块是台式仪器，用标准的无源电缆将各模板接插连接起来；若为插件板，只要各插件板插入机箱即可，非常方便灵活。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统GPIB（general purpose interface bus）总线系统由一台PC、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器子系统构成
14、。每台仪器子系统就是带有GPIB接口的单台仪器。GPIB接口在功能、电气和机械上都按国际标准设计，内含16条信号线，每条线都有特定的意义，即使不同厂商的产品也相互兼容，具有交换性，组织系统方便，拆散后各仪器子系统可单独使用，一块GPIB接口可带14台仪器。（1）GPIB总线系统。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统VXI（VMEbus extensions for instrumentation）是VME总线在仪器领域的扩展。其中，VME总线是一种结合GPIB仪器和数据采集（date acquisition，DAQ）板的最先进技术发展起来的高速、多厂商、开放式工业总线标准。VXI采用机
15、箱式结构，一个插件相当于一台仪器或特定功能的器件，多个模块共存于一个机箱，组成一个测试系统，即插即用，结构紧凑，小巧轻便，集多功能于一体。系统组建者可像插放或更换书架上的书籍一样，灵活方便地插放或更换模板，随时构成所需的各种系统。（2）VXI总线系统。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统PXI（PCI extensions for instrumentation）是Compact PCI在仪器领域的扩展。PXI采用不少现存标准，以较低价格获取大量可用元件。最重要的是，通过保持与工业标准PC软件的兼容性，PXI允许工业用户使用它们所熟悉的软件工具和环境。基于PXI的检测系统将成为主流检测
16、平台之一。（3）PXI总线系统。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统串口仪器是基于串行数据传输的标准接口仪器，如基于RS232C、RS485和USB接口的仪器。（4）串口仪器。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统闭环控制型检测系统闭环控制型检测系统3.生产过程的自动控制是人们长期探索的生产方式，可通过对关键参数实时在线检测并控制这些参数按预定的规律变化，来达到生产的正常进行和高产优质的目的。闭环控制型现代检测系统是指应用在闭环控制系统中的检测系统。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统图10-3所示为典型生产过程控制系统中的检测系统结构框图。图中，现代检测系统的主要任务是
17、获取参数变换的定量数值，为控制器及时提供反馈信息，使控制器按照一定的控制规律输出控制信号给执行器，这样才能保证被控制的参数保持在希望的设定值或按预定的规律变化。图10-3 典型生产过程控制系统中的检测系统结构框图学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统生产过程的自动控制大体上可归纳为实时数据采集、实时判断决策和实时控制器。闭环控制系统中的现代检测系统可完成实时数据采集和实时判断决策两种功能，基于现场总线的智能仪表和设备是现代检测系统应用于大规模、现代化生产的主要形式。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统 检测技术的现状和发展趋势四、四、科学技术的快速发展为检测技术的发展创造了非常好
18、的条件，同时也向检测技术提出了更高更新的要求，尤其是计算机技术、微电子技术和信息处理技术的巨大进步，使检测技术得到空前的发展。小型化、数值化、智能化、网络化及软件多功能化成为仪器仪表研发的主导方向，智能传感器和虚拟化仪器正逐步替代传统的仪器仪表，应用于各行各业。随着现代科学技术的进步，检测技术的发展主要表现在以下几个方面：学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统利用新材料、新工艺和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器，提高了传感器的性能和适应性，实现了传感器的微型化和集成化。传感器与微型计算机结合，产生了智能传感器，它能自动选择量程和增益，自动校准和实时校准，进行非线性校正、漂移
19、等误差补偿和复杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等。（1）传感器水平的提高。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统光电、超声波、微波、射线技术促进了非接触性检测技术的发展，光纤、光放大器和滤波器等光元器件的发展使信号的传输和处理不再局限于电信号，而是可以采用光的检测方法。随着检测技术的发展，人们对检测的要求不再满足于对单一参数的测量，而是希望对系统中的多个参数进行融合测量，即采用多传感器融合技术，对系统中的多个参数进行单次测量，然后通过一定的算法对数据进行处理，分别得到各个参数。多传感器信息融合技术因其立体化的多参数测量性能而广泛地应用在军事、地质科学、机器人、智能交通、医学等领域
20、。（2）检测方法的推进。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统统检测的基本任务是获得有用信息，传统的方法是借助专门的仪器仪表及测量装置，通过适当方法和必要的信息分析处理技术，对传感器输出的信号进行处理，然后求取与被测对象有关的信息，通过适当的方法和必要的信息分析处理技术对传感器输出的信号进行处理，然后求取与被测对象有关的信息。可以说，现代检测系统是以计算机为信息处理核心，加上各种检测装置和辅助应用设备、并/串行通信接口及相应的智能化软件，组成的用于检测、测试、测量、计量、探测和用于闭环控制的测试环节等用途的专门设备。（3）检测仪器与计算机技术集成。学习单元一学习单元一 检检 测测 系系 统
21、统思考与练习问题1 一个自动检测系统由哪几部分组成？思考：问题2 如何设计一个检测系统？思考：学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术测量过程中不可避免地会遇到各种各样的干扰，干扰不仅使系统测量和控制失灵，甚至造成系统无法正常工作，进而损坏设备，引起事故。如何有效地排除和抑制各种干扰，是必须考虑和解决的问题。而要想提高检测系统的抗干扰能力，首先应分析干扰形成的原因、干扰的引入方式及途径，才能有针对性地解决系统的抗干扰问题。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术 干扰的类型及形成要素一、一、干扰问题是检测系统设计和使用过程中必须考虑的问题。所谓干扰，
22、就是指除有用信号以外对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素的总称。干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接收载体。三个要素缺少任何一项，干扰都不会产生，抗干扰技术就是针对三个要素的研究和处理。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术干扰源的类型干扰源的类型1.（1）内部干扰。内部干扰是指系统内部的各种元器件、信道、负载、电源等引起的干扰。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术信号通道干扰。计算机检测系统的信号采集、数据处理等都离不开信号通道的构建。在进行实际系统的信道设计时，必须要考虑其干扰问题。信号通道形成的干扰主要有共模干扰和静电耦合
23、干扰。共模干扰是指以相对公共的电位为基准点，在系统两个输入端上同时出现的干扰。静电耦合干扰的形成是由于电路之间存在寄生电容，影响系统内某一电路型号的变化，只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等高频信号，就可能存在静电耦合干扰。电源干扰。大多数电子和电气设备是由工业用电网络供电的，所以电源干扰是较为普遍的问题。那么工业系统中某些大型设备的起动、停止等都可能引起电源的过压、过冲、浪涌及尖峰等，这些都是必须加以重视的干扰因素。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术（2）外部干扰。外部干扰是指那些本身与系统结构无关，由使用条件和外部环境因素所决定的干扰，主要是来自自然界的干扰及周围电
24、气设备的干扰。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术自然干扰主要有地球大气放电（如雷电）干扰、宇宙干扰（如太阳产生的无线电辐射）、地球大气辐射及雨雪、沙尘、烟尘作用的静电放电干扰等，还有高压输电线、内燃机、电焊机等电气设备产生的放电干扰。自然干扰主要以电磁感应的方式通过系统的壳体、导线等形式进入电路，造成对系统的干扰。各种电气设备所产生的干扰有电磁场、电火花、高频加热等强电系统所造成的干扰。这些干扰会影响供电电源，进而影响检测系统。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术干扰的途径干扰的途径2.学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗
25、干扰技术（1）路的干扰漏电流耦合形成的干扰。它是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。漏电流耦合干扰经常发生在下列情况下：当用传感器测量较高的直流电压时；在传感器附近有较高的直流电压时；在高输入阻抗的直流放大电路中。传导耦合形成的干扰。噪声耦合经导线耦合到电路中是最明显的干扰现象。当导线经过具有噪声的环境时，噪声经过导线传送到电路而造成干扰。实践证明，经过电源线引入的电子装置的干扰无论从广泛性和严重性来说都是十分明显的，但常常被人们忽视。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术共阻抗耦合形成的干扰。当两个或两个以上的电路使用一段公共的线路，而这段线路又具有
26、一定的阻抗时，这个阻抗就成为这两个电路的共同阻抗。第二个电路的电流流过这个共阻抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压。例如，几个电路由一个电压供电时，会通过电源内阻形成共同干扰。在放大器中，各放大级通过接地线电阻也会形成互相干扰。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术（2）场的干扰静电耦合形成的干扰。电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路中的电荷变化影响到另一个电路。电磁耦合形成的干扰。电磁耦合又称互感耦合，它是在两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。辐射电磁场耦合形成干扰。辐射电磁场通常来源于大功
27、率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术电子测量装置的干扰方式电子测量装置的干扰方式3.根据干扰进入测量电路的方式不同，可将干扰分为差模干扰和共模干扰两种。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术v1 1）差模干）差模干扰扰差模干扰是使信号接收器的一个输入端电位相对于另一个输入端电位发生变化，即叠加在被测信号的干扰信号。产生差模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的电磁耦合等。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术差模干扰可用图10-4所示的方式等效表示，图中
28、的Es及Rs为有用信号源及内阻，Ud表示等效干扰电压，RL为接收器的输入电阻，Zd为阻抗。针对具体情况可以采用双绞信号传输线、传感器耦合端加滤波器、金属隔离线、屏蔽等措施来消除差模干扰。图10-4 差模干扰等效电路图学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术v2 2）共模干）共模干扰扰共模干扰往往是指同时加载在各个信号接收器输入信号接口端的共有的信号干扰。虽然它不直接影响结果，但是当信号接收器的输入电路参数不对称时，它会转换为差模干扰，对测量结果产生影响。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术共模干扰一般用等效电压源表示，图10-5所示为一般情况下的
29、等效电路。图中Es及Rs为有用信号源及内阻，Ud表示干扰电压源，Zd1、Zd2表示信号传输线对地漏阻抗。图10-5 共模干扰等效电路图 学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术从图中可以看出，当电路对称时，干扰电压源不会对接收器产生干扰。只有当电路不对称时，共模干扰才会转化成差模干扰，对信号接收起干扰作用。通常干扰源阻抗Zd1、Zd2比信号传输线阻抗Z1、Z2大得多，因此共模干扰转化成差模干扰的电压率很小。但共模干扰源的干扰电压值比信号源电压值高很多，一旦共模干扰转化成差模干扰时，对测量结果的影响就更严重，排斥它比较困难。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统
30、的抗干扰技术v3 3）共模干扰抑制）共模干扰抑制比比检测系统对共模干扰的抑制能力可以用共模干扰抑制比来衡量。共模干扰抑制比是指作用于系统的共模干扰信号与使系统产生同样输出所需的差模信号之比，通常用对数形式表示，即 式中，Ucm为作用于系统的共模干扰信号；Ucd为使系统产生同样输出所需的差模信号。共模干扰抑制比KCMR值越高，说明系统对共模干扰抑制能力越强。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术 抑制干扰的措施二、二、尽管外部干扰和内部干扰产生的原因不同，但是它们的传播途径和影响控制系统的机理基本相同，因而消除或抑制它们的方法和措施没有本质区别。抑制干扰的措施很多，主要包
31、括硬件抑制和软件抑制等。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术硬件抑制干扰措施硬件抑制干扰措施1.（1）屏蔽技术。屏蔽室是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道。按需要屏蔽的干扰场的性质不同，屏蔽技术可分为静电屏蔽、低频磁场屏蔽和电磁屏蔽。静电屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料做屏蔽体，屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地，使其内部的电力线不外传，同时外部的电场也不影响内部。使用静电屏蔽技术时，应注意屏蔽体必须接地，否则虽然导体内无电力线，但导体外仍有电力
32、线，导体仍受影响，起不到静电屏蔽作用。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术低频磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。低频磁场屏蔽的原理是使绝大部分磁通量经屏蔽体通过，所以对静磁场及低频交变磁场要采用坡莫合金之类的高磁导率材料做成屏蔽层，并保证磁场通畅，以便将干扰限制在磁阻很小的屏蔽体的内部，起到抗干扰的作用，同时要有一定的厚度，以减少磁阻。电磁屏蔽是利用导电良好的金属材料（如铜、铝等）做出屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，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。考虑到高频趋肤效应，高频涡流仅在屏蔽层表面一层，因此
33、屏蔽层的厚度仅须考虑机械强度。将电磁屏蔽妥善接地后，其具有电场屏蔽和磁场屏蔽两种功能。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术（2）隔离。隔离是指把干扰源与接收系统隔离开，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切割，达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等。光电隔离。光电隔离所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时，是借助于光作为媒介物进行耦合，其输入和输出电路既没有电耦合也没有磁耦合，切断了电和磁的干扰耦合通道，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术图10-6所示为一般光电耦合
34、器组成的输入/输出线路。在控制系统中，它既可以用于一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、晶体管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路。光电耦合器共模抑制比大、无触点、响应速度快、稳定可靠，具有很强的抗电磁干扰的能力，因此得到了广泛应用。图10-6 一般光电耦合器组成的输入/输出线路学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术变压器隔离。对于交流信号的传输一般使用变压器隔离信号的方法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。图10-7所示为变压器耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟
35、负载和信号源隔离开，即把模拟电路和数字电路断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。图10-7 变压器耦合隔离电路学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术继电器隔离。继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用触点控制和传输电信号，从而实现强电和弱点的隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术（3）接地。接地是保证人身和设备安全、抗噪声干扰的一种方法。接地有两种情况：一种是设定一个基准面（如金属机壳），所
36、有信号回路都与之相连，包括测量仪器在内的所有电子仪器内部均采用此接法；另一种是直接接地，工业电源、电子设备等都与大地相连。合理地选择接地方式是抑制电容性耦合、电感性耦合及电阻耦合，减小或削弱干扰的重要措施。检测系统接地包括一点接地和多点接地两种方式。一般低频电路由于布线和元件间的电感影响很小，公共阻抗影响很大，因此应采用一点接地。而在高频电路中，地线具有电感，因而增加了地线阻抗，而且地线变成天线，向外辐射噪声信号，因此要采用多点接地。通常规定频率在1 MHz以下用一点接地，频率在10 MHz以上用多点接地。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术一点接地。一点接地就是将各
37、种具有不同电平信号的信号地线、噪声地线和金属件地线分别在电路中适当地接地，而不应相互串联。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术图10-8所示为串联一点接地，即多级电路通过一段公用地线后在一点接地。它虽然避免了零点接地可能产生的干扰，但在这段公用地线上仍存在着不同点的对地电位差。图10-8 串联一点接地学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术由于这种接地方式布线简单，因此常用在级数不多、各种电平相差不大及抗干扰能力较强的数字电路中。但当各电路的电平相差很大时就不能使用，因为高电平将会产生很大的地电流并干扰到低电平电路。学习单元二学习单元二 检测系统
38、的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术图10-9所示为并联一点接地。这种方式在低电平时最适用，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连接的地线尺寸较大，用起来比较麻烦。图10-9 并联一点接地学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术多点接地。若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰，这时最好采用多点接地，如图10-10所示。各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。图10-10 多点接地学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术（4）滤波。滤波是抑制干扰传导的一
39、种方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往要比接收的信号的频谱宽得多，因此，当接收器接收有用信号时，也会接收那些不希望有的干扰。这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。滤波电路的功能是使一部分频率顺利通过，而将另一部分频率进行较大的衰减。由于传感器输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器的输出信号常采用低通滤波器，它仅允许低频信号通过而不能通过高频信号。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术图10-11所示为典型的二阶RC有源低通滤波电路，它由二阶RC滤波电路构成，其中将第一阶电容C1接到放大器输出端。图10-11 典型的二阶RC有源
40、低通滤波电路学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术设f0为滤波电路的滤波截止频率，f1为人为干扰频率。当f1f0时，输出电压uo和输入电压ui的相位差在90以内，则输出电压uo通过电容使输入电压ui的幅度增强，从而提高了电压的幅值；而当f1f0时，输出电压uo通过电容使输入电压ui的幅值下降，使干扰信号衰减。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术软件抑制干扰技术软件抑制干扰技术2.（1）数字滤波。数字滤波就是通过一定的计算机程序对采样信号进行平滑处理，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪声的影响，以保证系统的可靠性。不需要增加硬件设备，只要在程
41、序进入控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。（2）软件陷阱技术。软件陷阱技术是通过指令将强行捕获的程序引向指令地址，并在此用专门的出错处理程序加以处理的软件抗干扰技术。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术（3）“看门狗”技术。计算机受到干扰而失控，引起程序出现乱码，也可能使程序进入“死循环”。当指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控程序摆脱“死循环”的困境时，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，它能使失控的程序摆脱“死循环”。“看门狗”技术既可以由硬件实现，也可以由软件实现，还可以通过两者结合实现。学习单元二学习单元二 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术思
42、考与练习问题1 影响检测系统的干扰有哪些？思考：问题2 常用的硬件和软件抗干扰技术分别有哪些？思考：学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器随着计算机技术的不断发展，自动化检测仪器系统开始向计算机化方向发展，虚拟仪器（virtual instruments，VI）就是其中最具有代表性的一种。它是现代计算机技术、仪器技术及其他新技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着21世纪自动检测与电子测量仪器技术发展的方向。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器 虚拟仪器概述一、一、虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念1.虚拟仪器这一概念最早由美国NI（
43、National Instrument）公司提出。它突破了以往传统仪器的特点，充分利用不断发展和完善的计算机技术，以通用计算机和标准总线技术为平台，利用计算机的硬件资源，并辅以软件作为VI的开发平台。用户利用面向测量仪器的控制和管理的视窗软件平台（LabVIEW、LabWindows/CVI、HP-VEE等），它集测量、管理和控制于一身，一台普通的计算机、若干软件包和基本的硬件电路（如数据采集电路、GPIB仪表、VXZ仪表等）就可以构成一套完整的测试系统，并且具备数据处理功能和友好的人机界面（虚拟面板）。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点2.基于计算机和标
44、准仪器总线技术的虚拟仪器技术使测量成本更低、功能更多、灵活性更强、速度更快、人机界面更友好。在虚拟仪器系统中，软件是关键，因为是软件为用户使用或构造VI提供了集成开发环境、仪器硬件接口和用户接口。NI公司提出的“软件就是仪器”（The software is the instrument.）的概念，形象地说明了软件在虚拟仪器中的关键作用。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器NI公司站在巨人Microsoft的肩膀上，推出面向测量仪器的控制和管理的视窗软件平台LabVIEW，为用户使用和开发虚拟仪器系统提供了一个界面友好、使用便捷、功能强大的图形化编辑环境。LabVIEW软件包带有大量标
45、准仪器驱动程序库，这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制和通信，为用户提供了仪器硬件接口的软件模块。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器表10-2是虚拟仪器和传统仪器的比较，可以看出，虚拟仪器的最大特点是以计算机技术为平台，充分发挥了软件的作用。表10-2 虚拟仪器与传统仪器的比较学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器 虚拟仪器的构成二、二、虚拟仪器由硬件和软件两部分组成，其基本结构如图10-12所示。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源（如处理器、存储器及显示器等）和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、通信及图形化用户接口。图10-12 虚拟仪器系统的基
46、本结构学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器硬件构成硬件构成1.虚拟仪器的硬件是指计算机及为其配置的必要的仪器硬件模块（如各种传感器、信号调理器、数字输入/输出、ADC和DAC等）。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器计算机硬件平台可以采用各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在处理性能、存储能力、显示、网络和总线标准等方面的发展促进了虚拟仪器系统的快速发展。在传统系统中，仪器是由制造商定型的，功能是由制造商定义的。但在虚拟仪器中，仪器硬件只是作为一个组成部分，它将与计算机软、
47、硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号。除了万用表、示波器和计数器等基本仪器外，仪器硬件还包括通用接口总线GPIB和RS-232、插入式数据采集DAQ卡和VXI总线。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器DAQ卡指的是基于计算机标准总线（如ISA、PIC等）的内置功能插卡，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ卡可方便、快速地组建基于计算机的仪器，实现一机多型和一机多用。在性能方面，随着模/数转换技术、仪器放大器、抗混淆滤波器与信号调理技术的迅速发展，DAQ卡已经成为引人注目的仪器选件。目前，DAQ卡的采样频率高达兆赫级，甚至可达1 GHz
48、，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O、模拟I/O、计数器/定时器等通道。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器仪器厂家生产大量的DAQ功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数字分析仪、动态数字信号分析仪和任意波形发生器。在PC上挂接若干DAQ功能模块，配上相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性，对大多数用户来说，这种方案很实用，具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器软件开发平台软件开发平台2.应用软件为用户提
49、供了一个彼此相容的集成的框架，它使自上而下的设计直观而容易。利用开发环境先设计虚拟仪器框架，把一台虚拟仪器所需的仪器硬件和软件结合在一起组成一个统一体，如采集和控制（RS-232、GBIP、VXI和DAQ卡）、数据分析、数据表达（文件管理、数据显示和硬件复制输出）及用户接口等。开发环境必须是灵活的，这样用户才能容易地组建虚拟仪器，或根据应用要求的变化重新装配。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者组建自己的虚拟仪器系统并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI
50、开发软件。LabVIEW软件采用图形化编程环境，是非常实用的开发软件；LabWindows/CVI软件是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSI C开发环境。除了上述开发软件外，美国惠普公司的HP-VEE和HPTIC平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-Tns软件，以及美国HEM Data公司的Snap-Marter平台软件，也是国际公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。学习单元三学习单元三 虚虚 拟拟 仪仪 器器虚拟仪器软件开发平台除了上述的专用于虚拟仪器开发软件外，还有加载于Visual Basic下的Component Works，它使Vis