我們在本文案例中使用的是instruNet i423數(shù)字化儀，這是專為直接連接許多不同傳感器而設計的多種系統(tǒng)之一，它可以連接比如電壓傳感器、電流傳感器、電阻傳感器、稱重傳感器、應變計、熱電偶和熱電阻(RTD)。你也可以將本文所述的技術應用于其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

 

我們實驗使用的稱重傳感器可以測量0到2kg的力，內(nèi)部包含4個350Ω電阻，這些電阻綁定在受壓會彎曲的金屬板上。金屬板的彎曲會改變電阻值。你可以將這個稱重傳感器想像為一個源阻抗為350Ω、接收3.3V DC激勵電壓并產(chǎn)生偏移量為1.65V DC的±10mV信號的傳感器。數(shù)據(jù)采集差分放大器看到的就是±10mV，我們將評估毫伏級誤差。本文中的所有圖片都是來自這個裝置的實際測量。圖1是稱重傳感器的原理圖。從電氣角度看，稱重傳感器與應變計和mV/V壓力傳感器是一樣的。

圖1：應變計實質(zhì)上是一個有著4個電阻的橋電路，電路兩端的電壓會隨著金屬板彎曲變形而發(fā)生改變。

 

我們將重點關注這些誤差來源：

 

耦合進傳感器信號的射頻干擾(RFI)

 

耦合進傳感器信號的50/60Hz電源

 

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲

 

熱漂移和傳感器不穩(wěn)定性

 

 

正常情況下，傳感器通過一根屏蔽電纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。然而出于演示射頻干擾(無線電波耦合進信號線)的目的，我們切斷了IN+導線，并引入了一個入侵信號和一個函數(shù)發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器的5Vrms輸出連接到一根圍著傳感器IN+導線繞了10圈的裸導線。我們還在函數(shù)發(fā)生器輸出端串聯(lián)了一個270Ω的電阻，便于通過入侵線圈產(chǎn)生18mA的電流(5Vrms/270=18mArms).

 

我們還在第二個測量通道上連接了一個假的傳感器，這個傳感器與稱重傳感器有相同的電氣特性。它包含4個在電纜末端懸浮于空中的獨立薄膜電阻，函數(shù)發(fā)生器也采用與稱重傳感器相同的方式連接。源阻抗越高，耦合進來的射頻干擾就越多。因此，假傳感器具有與稱重傳感器相同的350Ω源阻抗。第二個通道用于識別來自稱重傳感器自身內(nèi)部的少許不穩(wěn)定性。

 

第三個通道用一段位于數(shù)據(jù)采集IN+與IN-端子之間以及GND與IN+之間的2cm長導線接地。這第三個通道用于確定內(nèi)部系統(tǒng)噪聲和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的熱漂移。所有實驗都是用測量范圍是±10mV的instruNet i423卡完成，并使用instruNet World Oscilloscope/Strip圖表軟件。這種卡提供軟件可選的6Hz和4000Hz雙極模擬低通濾波器、軟件可選數(shù)字濾波器和軟件可選積分(平均)功能。

 

許多稱重傳感器制造商推薦使用10V的激勵電壓，這將在稱重傳感器上消耗約285mW的功率(10^2/350=0.285)。這么大的功耗將產(chǎn)生熱量和溫度漂移。因此我們選擇更低的3.3V電壓，對應31mW更小的功耗。

 

 

射頻干擾(RFI)所涉及的無線電波將通過空氣耦合進導線。這可以用麥克斯韋方程來解釋，即導線#1中電流的變化將產(chǎn)生一個磁場流過導線#2做成的環(huán)，并在導線#2中感應出一個電流，然后在經(jīng)過電阻后轉換為電壓。RFI效應隨源阻抗的增加而增強(源信號強度不足以抵抗RFI)；因此，高的源阻抗和低電平測量是最大的挑戰(zhàn)。這里所示的實驗將向你解釋信號開關和正弦信號如何耦合進你的信號。

 

On/Off開關RFI：當一根傳感器導線附近的入侵信號發(fā)生由低到高的轉換時，會有一個向上的尖峰耦合進導線；當入侵信號發(fā)生由高到低的轉換時，又會有一個向下的尖峰耦合(或者如果RFI磁通量是相反方向時與此相反)。這正是我們有時在數(shù)字化的波形上看到尖峰的原因——它們與入侵的數(shù)字信號或設備的導通關斷有關。

 

正弦波RFI：另外，正弦波可以通過空氣傳播，并將另一個相同頻率的正弦波耦合進有用信號。調(diào)幅收音機接近1MHz，調(diào)頻收音機接近100MHz，兩種正弦波眾所周知都會進入實驗室或工廠。

 

 

搭建你的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，盡可能快地從一個通道進行數(shù)字化，保持所有的模擬和數(shù)字低通濾波器處于關閉狀態(tài)，積分(平均)功能也處于關閉狀態(tài)。然后以不同的水平刻度(比如全屏下100?s至50ms)觀察結果波形。即使你最終實驗是要以不同采樣率并在積分/濾波打開的條件下數(shù)字化多個通道，也請這樣做。你也許感到很有必要打開濾波功能使信號看上去好點。但目前暫時要抵抗住這種誘惑，專注于更多地了解你的信號。理解測量誤差的技巧是暫時忘掉你的最終目標，并做一些簡單的實驗。圖2顯示了來自200Hz方波的350 ?V尖峰，其中我們以166ksamples/s的速度從350Ω稱重傳感器數(shù)字化了8k樣本。

圖2：來自方波的高頻分量可能耦合進你的信號，產(chǎn)生有害的干擾。

 

 

在重復性的數(shù)字化示波器軌跡的同時，將附近的設備打開和關閉(比如機器，泵，電源)，觀察數(shù)字化波形上的變化。如果你關閉了一臺附近的電源，并注意到尖峰消失了，那么說明這個電源耦合進了你的傳感器。

 

入侵信號通過空氣傳播并耦合進了你的傳感器電纜嗎？抑或它通過你的地線傳輸？嘗試移動你的傳感器電纜，觀察對數(shù)字化波形的影響。電纜位置影響圖形嗎？如果有影響，那么說明空氣中的射頻干擾正在通過具有不同物理尺寸(不同磁通量)的環(huán)線(你的電纜)傳輸。由于移動電纜而發(fā)生的輻射場改變是空中傳輸射頻干擾的跡象。增加電纜屏蔽可能有用，還可以試試下面討論的其它幾種技術。

 

電纜/傳感器的地連接到了外部金屬(比如待測設備)嗎？如果連了，從物理上斷開它，觀察對你信號的影響。如果信號有變化，那么你就知道電流正在流過你的地線，這是數(shù)據(jù)采集地和待測設備地之間存在的交流信號引起的。這被稱為“地環(huán)路”，通?？梢杂秒姎馍细綦x傳感器的方法來解決。地之間的交流電壓差通常是由于改變電源引起的，包括改變地回路上的電流以及該地線上的相關壓降。地之間的典型電壓差是50mVdc加上15mVac。為了用靈敏的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量這種情況，將IN+連接到地#1，將IN-連接到地#2，盡可能快的數(shù)字化一個通道，觀察全屏時100?s至25ms刻度下的波形。

 

差分放大器共模抑制功能有幫助嗎？數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都有差分輸入電路，它們測量兩個輸入之間的電壓差。所有差分放大器都有這樣一個參數(shù)：對兩個輸入端上的共模信號能夠抑制多少？典型的指標是60Hz時抑制80dB。這意味著兩個引腳上60Hz信號的萬分之一被看作差分信號。

 

舉例來說，用裸導線連接IN+和IN-，在IN+和GND之間施加一個60Hz、1Vrms的信號，然后進行數(shù)字化，你將會在IN+和IN-之間看到60Hz 100?Vrms的信號。數(shù)據(jù)采集的一個小秘密是，這種抑制性能每10倍頻將下降20dB，這意味著你在600Hz時可以達到千分之一的抑制，6KHz時是百分之一，60KHz時是十分之一，再高就沒有抑制效果了。數(shù)字開關(比如尖峰)所涉及的頻率經(jīng)常超過60KHz。因此在許多情況下，放大器共模抑制功能并沒有什么幫助，特別是對數(shù)字開關引起的射頻干擾而言。