如何排查低压差测量中的误差问题

2016-08-07 12:40:52来源: eefocus 关键字:低压差测量  误差问题
 许多数据采集系统直接连接传感器。与所有测量系统一样,必须找出误差,并尽最大可能地减小这些误差。由于热漂移、EMI/RFI、内部噪声、走线、接地和屏蔽造成的误差都会对总的测量误差产生影响。如果知道引起误差的原因,就最大限度地减小这些误差。

       本文案例中使用的是instruNet i423数字化仪,这是专为直接连接许多不同传感器而设计的多种系统之一,它可以连接比如电压传感器、电流传感器、电阻传感器、称重传感器、应变计、热电偶和热电阻(RTD)。也可以将本文所述的技术应用于其它数据采集系统。
       实验使用的称重传感器可以测量0到2kg的力,内部包含4个350Ω电阻,电阻绑定在受压会弯曲的金属板上。金属板的弯曲会改变电阻值。可以将这个称重传感器想像为一个源阻抗为350Ω、接收3.3V DC激励电压并产生偏移量为1.65V DC的±10mV信号的传感器。数据采集差分放大器看到的就是±10mV,我们将评估毫伏级误差。本文中的所有图片都是来自这个装置的实际测量。图1是称重传感器的原理图。从电气角度看,称重传感器与应变计和mV/V压力传感器是一样的。

 

       图1:应变计实质上是一个有着4个电阻的桥电路,电路两端的电压会随着金属板弯曲变形而发生改变。
       我们将重点关注这些误差来源:
       耦合进传感器信号的射频干扰(RFI)
       耦合进传感器信号的50/60Hz电源
       数据采集系统的内部噪声
       热漂移和传感器不稳定性
       测试装置
       正常情况下,传感器通过一根屏蔽电缆连接到数据采集系统。然而出于演示射频干扰(无线电波耦合进信号线)的目的,我们切断了IN+导线,并引入了一个入侵信号和一个函数发生器。函数发生器的5Vrms输出连接到一根围着传感器IN+导线绕了10圈的裸导线。我们还在函数发生器输出端串联了一个270Ω的电阻,便于通过入侵线圈产生18mA的电流(5Vrms/270=18mArms).
我们还在第二个测量通道上连接了一个假的传感器,这个传感器与称重传感器有相同的电气特性。它包含4个在电缆末端悬浮于空中的独立薄膜电阻,函数发生器也采用与称重传感器相同的方式连接。源阻抗越高,耦合进来的射频干扰就越多。因此,假传感器具有与称重传感器相同的350Ω源阻抗。第二个通道用于识别来自称重传感器自身内部的少许不稳定性。
        第三个通道用一段位于数据采集IN+与IN-端子之间以及GND与IN+之间的2cm长导线接地。这第三个通道用于确定内部系统噪声和数据采集系统本身的热漂移。所有实验都是用测量范围是±10mV的instruNet i423卡完成,并使用instruNet World Oscilloscope/Strip图表软件。这种卡提供软件可选的6Hz和4000Hz双极模拟低通滤波器、软件可选数字滤波器和软件可选积分(平均)功能。
        许多称重传感器制造商推荐使用10V的激励电压,这将在称重传感器上消耗约285mW的功率(10^2/350=0.285)。这么大的功耗将产生热量和温度漂移。因此我们选择更低的3.3V电压,对应31mW更小的功耗。
       射频干扰耦合进传感器信号
        射频干扰(RFI)所涉及的无线电波将通过空气耦合进导线。这可以用麦克斯韦方程来解释,即导线#1中电流的变化将产生一个磁场流过导线#2做成的环,并在导线#2中感应出一个电流,然后在经过电阻后转换为电压。RFI效应随源阻抗的增加而增强(源信号强度不足以抵抗RFI);因此,高的源阻抗和低电平测量是最大的挑战。这里所示的实验将向你解释信号开关正弦信号如何耦合进你的信号。
        On/Off开关RFI:当一根传感器导线附近的入侵信号发生由低到高的转换时,会有一个向上的尖峰耦合进导线;当入侵信号发生由高到低的转换时,又会有一个向下的尖峰耦合(或者如果RFI磁通量是相反方向时与此相反)。这正是我们有时在数字化的波形上看到尖峰的原因——它们与入侵的数字信号或设备的导通关断有关。
        正弦波RFI:另外,正弦波可以通过空气传播,并将另一个相同频率的正弦波耦合进有用信号。调幅收音接近1MHz,调频收音机接近100MHz,两种正弦波众所周知都会进入实验室或工厂。
        如何检测RFI
       搭建你的数据采集系统,尽可能快地从一个通道进行数字化,保持所有的模拟和数字低通滤波器处于关闭状态,积分(平均)功能也处于关闭状态。然后以不同的水平刻度(比如全屏下100?s至50ms)观察结果波形。即使你最终实验是要以不同采样率并在积分/滤波打开的条件下数字化多个通道,也请这样做。你也许感到很有必要打开滤波功能使信号看上去好点。但目前暂时要抵抗住这种诱惑,专注于更多地了解你的信号。理解测量误差的技巧是暂时忘掉你的最终目标,并做一些简单的实验。图2显示了来自200Hz方波的350 ?V尖峰,其中我们以166ksamples/s的速度从350Ω称重传感器数字化了8k样本。

 

 

        图2:来自方波的高频分量可能耦合进你的信号,产生有害的干扰。
        寻找干扰源
在重复性的数字化示波器轨迹的同时,将附近的设备打开和关闭(比如机器,泵,电源),观察数字化波形上的变化。如果你关闭了一台附近的电源,并注意到尖峰消失了,那么说明这个电源耦合进了你的传感器。
        入侵信号通过空气传播并耦合进了你的传感器电缆吗?抑或它通过你的地线传输?尝试移动你的传感器电缆,观察对数字化波形的影响。电缆位置影响图形吗?如果有影响,那么说明空气中的射频干扰正在通过具有不同物理尺寸(不同磁通量)的环线(你的电缆)传输。由于移动电缆而发生的辐射场改变是空中传输射频干扰的迹象。增加电缆屏蔽可能有用,还可以试试下面讨论的其它几种技术。
        电缆/传感器的地连接到了外部金属(比如待测设备)吗?如果连了,从物理上断开它,观察对你信号的影响。如果信号有变化,那么你就知道电流正在流过你的地线,这是数据采集地和待测设备地之间存在的交流信号引起的。这被称为“地环路”,通常可以用电气上隔离传感器的方法来解决。地之间的交流电压差通常是由于改变电源引起的,包括改变地回路上的电流以及该地线上的相关压降。地之间的典型电压差是50mVdc加上15mVac。为了用灵敏的数据采集系统测量这种情况,将IN+连接到地#1,将IN-连接到地#2,尽可能快的数字化一个通道,观察全屏时100?s至25ms刻度下的波形。
         差分放大器共模抑制功能有帮助吗?数据采集系统都有差分输入电路,它们测量两个输入之间的电压差。所有差分放大器都有这样一个参数:对两个输入端上的共模信号能够抑制多少?典型的指标是60Hz时抑制80dB。这意味着两个引脚上60Hz信号的万分之一被看作差分信号
        举例来说,用裸导线连接IN+和IN-,在IN+和GND之间施加一个60Hz、1Vrms的信号,然后进行数字化,你将会在IN+和IN-之间看到60Hz 100?Vrms的信号。数据采集的一个小秘密是,这种抑制性能每10倍频将下降20dB,这意味着你在600Hz时可以达到千分之一的抑制,6KHz时是百分之一,60KHz时是十分之一,再高就没有抑制效果了。数字开关(比如尖峰)所涉及的频率经常超过60KHz。因此在许多情况下,放大器共模抑制功能并没有什么帮助,特别是对数字开关引起的射频干扰而言。

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编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016080716611.html
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