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1、测试装置的特性研究目录第一章 概述1.1 测量装置的静态特性 81.2 标准和标准传递 91.3 测量装置的动态特性 91.4 测量装置的负载特性 91.5 测量装置的抗干扰性 10第二章 测试装置的静态特性2.1线性度 112.2灵敏度 112.3回程误差 122.4 分辨率 122.5零点漂移和灵敏度漂移 12第三章 测试装置的动态特性3.1动态特性的数学描述 133.2一阶、二阶系统的特性 15第四章 测试装置对任意输入的影响4.1系统对任意输入的响应 184.2系统对单位阶跃输入的响应 18第五章 实现不失真测量的条件5.1实现不失真测量的条件 20第六章 测试装置动态特性的测量6.1
2、频率响应法 216.2 阶跃响应法 21第七章 负载效应7.1负载效应 237.2 减轻负载效应的措施 23第八章 测试装置的抗干扰8.1 测试装置的干扰源 258.2 供电系统干扰及抗干扰 258.3信道通道的干扰及抗干扰 268.4接地设计 27第九章 结论和展望9.1结论 299.2展望 29参考文献 30致谢 30摘要：进入21世纪，信息在制造业的作用更显重要。获取准确信息那就是测试技术，测试技术非常重要。测试技术就依靠测试装置，而测试装置获取信息的准确度依靠测试装置的特性。本课题从测试装置的特性出发，对各个特性进行分析，例如动态特性，静态特性等等，解决如何才能提高测试装置的准确度；还
3、要考虑测试装置对任意输入的影响,实现不失真测量,这是测试装置的关键；还要查看负载效应，减少对测试装置的影响；最后是测量装置的抗干扰，提高测试装置的灵敏度。关键词：信息、测试装置、干扰 Abstract : Enters for the 21st century, the information reveals in the manufacturing industry function importantly.Gains accurate information that is tests the technology, the test technology is extremely imp
4、ortant.Test technology on dependence testing device, but testing device gain information accuracy dependence testing device characteristic. This topic embarks from the testing device characteristic, carries on the analysis to each characteristic, for example does the dynamic characteristic, static c
5、haracteristic and so on, how solve can enhance the testing devices the accuracy; Also must consider the testing device to the influence which inputs willfully, realizes the not distorted survey, this is the testing device key; Also must examine the loading effect, reduces to the testing device influ
6、ence; Finally is the metering equipment antijamming, enhances the testing device the sensitivity.Key words: Information, Test Device, Disturbance第一章 概 述为实现某种量的测量而选择或设测量装置时，就必须考虑这些测量装置能否准确获取被测量的量值及其变化，即实现准确测量，而是否能实现准确测量，则决定于测量装置的特性。这些特性包括静态与动态特性、负载特性、抗干扰等。这种划分只是为了研究上的方便，事实上测量装置的特性是统一的，各种特性之间是相互联系的。系统
7、动态特性的性质往往与某些静态特性有关。例如，若考虑静态特性中的非线性、迟滞、游隙等，则动态特性方程就成为非线性方程。显然，从难于求解的非线性方程很难得到系统动态特性的清晰描述。因此，在研究测量系统动态特性时，往往忽略上述非线性或参数的时变特性，只从线性系统的角度研究测量系统最基本的动态特性。11 测量装置的静态特性测量装置的静态特性是通过某种意义的静态标定过程确定的，因此对静态标定必须有一个明确定义。静态标定是一个实验过程，这一过程是在只改变测量装置的一个输人量，而其他所有的可能输人严格保持为不变的情况下，测量对应的输出量，由此得到测量装置输人与输出间的关系。通常以测量装置所要测量的量为输人，
8、得到的输人与输出间的关系作为静态特性。为了研究测量装置的原理和结构细节，还要，确定其他各种可能输人与输出间的关系，从而得到所有感兴趣的输人与输出的关系。除被测量外，其他所有的输人与输出的关系可以用来估计环境条件的变化与干扰输人对测量过程的影响或估计由此产生的测量误差。在静态标定的过程中只改变一个被标定的量，而其他量只能近似保持不变，严格保持不变实际上是不可能的。因此实际标定过程中除用精密仪器测量输人量（被测量）和被标定测量装置的输出量外，还要用精密仪器测量若干环境变量或干扰变量输人和输出，制造良好的测量装置对环境变化与干扰的响应（输出）应该很小。测量装置的静态测量误差与多种因素有关，包括测量装
9、置本身和人为的因素。本章只讨论测量装置本身的测量误差，特别是测量误差是由组成测量装置一些环节的误差造成时，如何由各环节的误差计算总误差。有一些测量装置对静态或低于一定频率的输人没有响应，例如压电加速度计。这类测量装置也需要考虑诸如灵敏度等类似于静态特性的参数，此时则是以特定频率的正弦信号为输人，研究其灵敏度。这种特性称为稳态特性，本书将其归人静态特性中加以讨论。12 标准和标准传递如果要得到有意义的标定结果，输入和输出变量的测量必须是精确的。用来定量这些变量的仪器（或传感器）和技术统称为标准。一个变量的测量精度是指测量接近变量真值的程度。这种接近程度是根据测量误差加以量化，即测量值与真值之差，
10、于是存在着如何建立变量真值的问题。将一个变量的真值定义为用精度最高的最终标准得到的测量值。实际上可能无法使用最终标准来测量该变量，但是可以使用中间的传递标准，这就引人逐级朔源的概念。测量所使用的传感器用实验室标准标定，实验室标准用传递标准标定，传递标准用最终标准标定。这里的实例为压力传感器标准传递和标定，建立传递标准时，还需用最终标准确定祛码加压活塞的直径，同时要确定当地的海拔高度，以确定当地重力加速度g ，而传递标准祛码则是要定期由国家计量院标定。1.3 测量装置的动态特性测量装置的动态特性是当被测量即输人量随时间快速变化时，测量输人与响应输出之间动态关系的数学描述。如前所述，在研究测量装置
11、动态特性时，往往认为系统参数是不变的，并忽略诸如迟滞、死区等非线性因素，即用常系数线性微分方程描述测量装置输入与输出间的关系。测量装置的动态特性也可用微分方程的线性变换描述，采用初始条件为零时Fourier变换可得传递函数，采用初始条件为零时Fourier 变换可得频响函数。此外，测量装置的动态特性也可用单位脉冲输人的响应来表示。1.4 测量装置的负载特性测量装置或测量系统是由传感器、测量电路、前置放大、信号调理、，二直到数据存储或显示等环节组成。若是数字系统，则信号要通过刀D 转换环节传输到数字环节或计算机，实现结果显示一存储或D / A 转换等。当传感器安装到被测物体上或进人被测介质，要从
12、物体与介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原有的量值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。这种效应不仅发生在传感器与被测物体之间，而且存在于测量装置的上述各环节之间。对于电路间的级连来说，负载效应的程度决定于前级的输出阻抗和后级的输人阻抗。将其推广到机械或其他非电系统，就是本章要讨论的广义负载效应和广义阻抗的概念。测量装置的负载特性是其固有特性，在进行测量或组成测量系统时，要考虑这种特性并将其影响降到最小。1.5 测量装置的抗干扰性测量装置在测量温度、振动等干扰，包括电源干扰、环境干扰（电磁场、声、光、温度、振动等干扰）和通信干扰。这些干扰的影响决定于测量装置的抗干扰性能，并
13、且与所采取的抗干扰措施有关。本章讨论这些干扰与测量装置的藕合机理与叠加到被测信号上形成的污染，同时讨论有效的抗干扰技术（如合理接地等）。对于多通道测量装置，理想的情况应该是各通道完全独立的或完全隔离的，即通道间不发生祸合与相互影响。实际上通道间存在一定程度的相互影响，即存在通道间的干扰。因此多通道测量装置应该考虑通道间的隔离性能。第二章 测量装置的静态特性测量装置的静态特性是在静态测量情况下描述实际测量装置与理想时不变线性系统的接近程度。以下讨论一些重要的静态特性。2.1 线性度线性度是指测量装置输人、输出之间的关系与理想比例关系（即理想直线关系）的偏离程度。实际上由静态标定所得到的输人、输出
14、数据点并不在一条直线上，这些点与理想直线偏差的最大值 max称为线性误差，也可以用百分数表示线性误差。这里的“理想直线”通常有二种确定方法：一种是最小与最大数据值的连线，即端点连线，另一种是数据点的最小二乘直线拟合得到的直线。通常较常使用后者式中Ymin 和Ymax -输出的最小值和最大值；Xmin 和Xmax - 输人的最小值和最大值； max-最大的线性误差2.2 灵敏度灵敏度定义为单位输人变化所引起的输出的变化，通常使用理想直线的斜率作为测量装置的灵敏度值，即：灵敏度是有量纲的，其量纲为输出量的量纲与输人量的量纲之比。2.3 回程误差回程误差也称为迟滞，是描述测量装置同输人变化方向有关的
15、输出特性。理想测量装置的输人、输出有完全单调的一一对应直线关系，不管输人是由小增大，还是由大减小，对于一个给定的输人，输出总是相同的。但是实际测量装置在同样的测试条件下，当输人量由小增大和由大减小时，对于同一个输人量所得到的两个输出量却往往存在差值。在整个测量范围内，最大的差值h 称为回程误差或迟滞误差。磁性材料的磁化曲线和金属材料的受力一变形曲线常常可以看到这种回程误差。当测量装置存在死区时也可能出现这种现象。2.4 分辨力引起测量装置的输出值产生一个可察觉变化的最小输人量（被测量）变化值称为分辨力。分辨力通常表示为它与可能输人范围之比的百分数。2.5 零点漂移和灵敏度漂移零点漂移是测量装置
16、的输出零点偏离原始零点的距离，它可以是随时间缓慢变化的量。灵敏度漂移则是由于材料性质的变化所引起的输人与输出关系（斜率）的变化。因此，总误差是零点漂移与灵敏度漂移之和，在一般情况下，后者的数值很小，可以略去不计，于是只考虑零点漂移。如需长时间测量，则需做出24h 或更长时间的零点漂移曲线。第三章 测量装置的动态特性3.1 动态特性的数学描述把测量装置视为定常线性系统，可用常系数线性微分方程式来描述该系统以及它的输出y （t）和输人x ( t) 约之间的关系。但使用时有许多不便。如果通过拉普拉斯变换建立与其相应的“传递函数”，通过傅立叶变换建立与其相应的“频率特性函数”，就可更简便，更有效地描述
17、装置的特性和输出y （t）约和输人x ( t ）之间的关系。1 传递函数设x ( , ）和Y （。）分别为输人x ( t ）、输出y ( t ）的拉普拉斯变换。获得 其中s为复变量，s = a 十jw；Gx（s）是与输人和系统初始条件有关的；而且H （s）却与系统初始条件及输人无关，只反映系统本身的特性。H （s）被称为系统的传递函数。若初始条件全为零，则因Gh（s) = 0 ，便有传递函数有以下几个特点：l ) H( s )与输人x ( t ）及系统的初始状态无关，它只表达系统的传输特性。对具体系统而言，它的H （s）不会因输人x ( t ）变化而不同，却对任一具体输人x （t）动都能确定地
18、给出相应的、不同的输出。 2 ) H ( s ）是对物理系统的微分方程，它只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构。同一形式的传递函数可以表征具有相同传输特性的不同物理系统。例如液柱温度计和RC 低通滤波器同是一阶系统，具有形式相似的传递函数，而其中一个是热学系统，另一个却是电学系统，两者的物理性质完全不同。3 ）对于实际的物理系统，输入x( t ）和输出y ( t ）都具有各自的量纲。用传递函数描述系统传输、转换特性理应真实地反映量纲的这种变换关系。这关系正是通过系数a n、a n-1 、a1 、a0 和bm、bm-1 、 、bl 、b 0反映的。这些系数的量纲将因具体物理系统和输入、输出
19、的量纲而异。4 ) H ( s）中的分母取决于系统的结构。分母中s最高幂次n 代表系统微分方程的阶数。分子则和系统同外界之间的关系，如输人（激励）点的位置、输人方式、被测量及测点布置情况有关。一般测量装置总是稳定系统，其分母中，的幂次总是高于分子中s的幂次，即n m。2 频率响应函数频率响应函数是在频率域中描述系统特性的，而传递函数是在复数域中来描述系统的特性的，比在时域中用微分方程来描述系统特性有许多优点。许多工程系统的微分方程式及其传递函数极难建立，而且传递函数的物理概念也很难理解。与传递函数相比较，频率响应函数有着物理概念明确、容易通过实验来建立及利用它和传递函数的关系，也极易由它求出传
20、递函数等优点。因此，频率响应函数就成为实验研究系统的重要工具。(1 )幅频特性、相频特性和频率响应函数 常线性系统的频率保持性，系统在简谐信号x(t )=X0sinwt的激励下，所产生的稳态输出也是简谐信号，y ( t ) = Yosin （wt+）。这一结论可从微分方程解的理论得出。此时输人和输出虽为同频率的简谐信号，但两者的幅值并不一样。其幅值比A=Y0/X0和相位差&都随频率w而变，是w的函数。定常线性系统在简谐信号的激励下，其稳态输出信号和输人信号的幅值比被定义为该系统的幅频特性，记为A（w）稳态输出对输人的相位差被定义为该系统的相频特性，记为&(w)。两者统称为系统的频率特性。因此系
21、统的频率特性是指系统在简谐信号激励下，其稳态输出对输人的幅值比、相位差随激励频率w变化的特性 ( 2 ）频率响应函数的求法在系统的传递函数H ( s ）已知的情况下，可令H(s)中s=jw,便可求得频率响应函数H(w)。 频率响应函数有时记为H（jw）, 以此来强调它来源于H (s)|s=jw. 若研究在t=0时刻将激励信号接入稳定常系数线性系统时，令s=jw, 代人拉普拉斯变换中，实际上就是将拉普拉斯变换变成傅里叶变换。同时考虑到系统在初始条件均为零时，有H(s) 等于Y(s) 和X(s) 之比的关系，因而系统的频率响应函数H(w) 就成为输出y(t) 的傅里叶变换Y(w) 和输人x(t)
22、的傅里叶变换X(w) 之比，即这一结论有着广泛用途。3 脉冲响应函数若装置的输人为单位脉冲&(t), 现因单位脉冲&(t) 的拉普拉斯变换为1 ，即x ( s ) L&(t)=1因此装置的输出y(t)& 的拉普拉斯变换必将是H(s), 也即y(t)&=L-1H(s), 并可以记为h ( t ) ，常称它为装置的脉冲响应函数或权函数。脉冲响应函数可视为系统特性的时域描述。至此，系统特性的时域、频域和复数域可分别用脉冲响应函数h ( t ）、频率响应函数H （t）和传递函数H (s) 来描述。三者存在着一一对应的关系。h ( t ）和传递函数H (s) 是一对拉普拉斯变换对；h(t) 和频率响应函
23、数H(w) 又是一对傅里叶变换对。4 环节的串联和并联若两个传递函数中各为Hl(s) 和H2(s) 的环节串联时，它们之间没有能量交换，则串联后所组成的系统之传递函数H (s) 在初始条件为零类似地，对几个环节串联组成的系统，有若两个环节并联则因 而有3.2 一阶、二阶系统的特性1 . 一阶系统一阶系统的输人、输出关系用一阶微分方程来描述。实际上，最一般形式的一阶微分方程为 可改写为 一阶装置的脉冲响应函数为一阶系统的频响函数一阶系统的伯德图和奈魁斯特图 2 二阶系统二阶系统可用二阶微分方程式描述。通常是如下两种形式 或 二阶系统频响函数为 二阶系统的脉冲响应函数为 以下是二阶系统相应的伯德图
24、和奈魁斯特图第四章 测试装置对任意输入的影响4.1 系统对任意输入的影响工程控制学指出：输出y （t）等于输人x ( t ）和系统的脉冲响应函数h ( t ）的卷积。即它是系统输人一输出关系的最基本表达式，其形式简单，含义明确。但是，卷积计算却是一件麻烦事。利用h （t）同H(s)、H(w) 的关系，以及拉普拉斯变换、傅立叶变换的卷积定理，可以将卷积运算变换成复数域、频率域的乘法运算，从而大大简化了计算工作。定常线性系统在平稳随机信号的作用下，系统的输出也是平稳随机过程。4.2 系统对单位阶跃输入的响应一、二阶系统在单位阶跃输入 的作用下，其响应分别为一阶系统 二阶系统 由于单位阶跃函数可看成
25、单位脉冲函数的积分，故单位阶跃输人作用下的输出就是系统脉冲响应的积分。对系统的突然加载或者突然卸载可视为施加阶跃输人。施加这种输人既简单易行，又能充分揭示测量装置的动态特性，故常被采用。理论上看，一阶系统在单位阶跃激励下的稳态输出误差为零。系统的初始上升斜率为1 /t。在t =t时, y（t ）二0 . 632 ; t = 4 t时，y（t ) = 0 . 982 ; t = 5 t时，y（t ) = 0 . 993 。理论上系统的响应当t 趋向于无穷大时达到稳态。毫无疑义，一阶装置的时间常数：越小越好。二阶系统在单位阶跃激励下的稳态输出误差也为零。但是系统的影响在很大程度上决定于阻尼比&和固
26、有频率wn 。系统固有频率为系统的主要结构参数所决定。Wn越高，系统的响应越快。阻尼比&直接影响超调量和振荡次数。&0 时超调最大，为100 % ，且持续不息地振荡着，达不到稳态。&1 ，则系统转化到等同于两个一阶环节的串联。此时虽然不发生振荡（即不发生超调），但也需经超长的时间才能达到稳态。如果阻尼比&选在0 . 6 一0 . 8 之间，则系统以较短时间大约（5 一7 ) Wn ，进人稳态值相差士（2 一5 % ）的范围内。这也是很多测量装置的阻尼比取在这区间内的理由之一。第五章 实现不失真测量的条件5.1 实现不失真测量的条件设有一个测量装置，其输出y( t ）和输人x(t) 满足下列关系
27、 其中，Ao 和At 都是常数。 此式表明这个装置输出的波形和输人波形精确地一致，只是幅值（或者说每个瞬时值）放大了A 0倍和在时间上延迟了t0而已。这种情况，被认为测量装置具有不失真测量的特性。现根据上式来考察测量装置实现测量不失真的频率特性。对该式作傅立叶变换，则 从实现测量不失真条件和其他工作性能综合来看，对一阶装置而言，如果时间常数t 越小，则装置的响应越快，近于满足测试不失真条件的频带也越宽。所以一阶装置的时间常数t 原则上越小越好。 对于二阶装置，其特性曲线上有两个频段值得注意。在w0 . 3 wn范围内，可司的数值较小，且&(w）-w特性曲线接近直线。A （w）在该频率范围内的变
28、化不超过10 % ，若用于测量，则波形输出失真很小。在w( 2 . 5 一3 ）wn范围内，&(w)接近180 ，且随w变化很小。此时如果在实际测量电路中或数据处理中减去固定相位差或者把测量信号反相180 ，则其相频特性基本上满足不失真测量条件。但是此时幅频特性A （w）太小，输出幅值也太小。若二阶装置输人信号的频率w在（0.3-2.5 ）wn区间内，装置的频率特性受夸的影响很大，需作具体分析。 一般来说，在&=0.6-0.8 时，可以获得较为合适的综合特性。计算表明，对二阶系统，当&0 . 70 时，在0-0.58 wn的频率范围内，幅频特性A （w）的变化不超过5 % ，同时相频特性&(w
29、）也接近于直线，因而所产生的相位失真也很小。 测量系统中，任何一个环节产生的波形失真，必然会引起整个系统最终输出波形失真。虽然各环节失真对最后波形的失真影响程度不一样，但是在原则上信号频带内都应使每个环节基本上满足不失真测量的要求。第六章 测量装置动态特性的测量要使测量装置精确可靠，不仅测量装置的定度应精确，而且要定期校准。定度和校准就其实验内容来说，就是对测量装置本身特性参数的测量。对装置的静态参数进行测量时，一般以经过校准的“标准”静态量作为输人，求出输人，输出特性曲线。根据这条曲线确定其回程误差，整理和确定其校准曲线、线性误差和灵敏度。所采用的输入量误差应当是不大于所要求测量结果误差的1
30、 / 3 -l / 5 或更小些。下面主要叙述对装置本身动态特性的测量方法。6.1 频率响应法通过稳态正弦激励试验可以求得装置的动态特性。对装置施以正弦激励，即输人x （t）= Xosin2ft, 在输出达到稳态后测量输出和输人的幅值比和相位差。这样可得该激励频率f 下装置的传输特性。测试时，对测量装置施加峰一峰值为其量程20 的正弦输入信号，其频率自接近零频的足够低的频率开始，以增量方式逐点增加到较高频率，直到输出量减少到初始输出幅值的一半止，即可得到幅频和相频特性曲线A ( f ）和&(f)一般来说在动态测量装置的性能技术文件中应附有该装置的幅频和相频特性曲线。对于一阶装置，主要的动态特性
31、参数是时间常数：。可以通过幅频和相频特性直接确定t值。对于二阶装置，可以从相频特性曲线直接估计其动态特性参数：固有频率wn和阻尼比&。在wwn处，输出对输人的相角滞后为90，该点斜率直接反映了阻尼比的大小。但是一般来说相角测量比较困难。所以，通常通过幅频曲线估计其动态特性参数。对于欠阻尼系统（&1 ) ，幅频特性曲线的峰值在稍偏离wn的wr处,且 或 6.2 阶跃响应法用阶跃响应法求测量装置的动态特性是一种时域测试的易行方法。实践中无法获得理想的单位脉冲输人，从而无法获得装置的精确的脉冲响应函数；但是，实践中却能获得足够精确的单位脉冲函数的积分 单位阶跃函数及阶跃响应函数。在测试时，应根据系统
32、可能存在的最大超调量来选择阶跃输人的幅值，超调量大时，应适当选用较小的输人幅值。 1 由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数简单说来，若测得一阶装置的阶跃响应，可取该输出值达到最终稳态值的63 所经过的时间作为时间常数：。但这样求得的：值仅取决于某些个别的瞬时值，未涉及响应的全过程，测量结果的可靠性差。如改用下述方法确定时间常数，可获得较可靠的结果。一阶装置的阶跃响应表达式，可改写为两边取对数，有 2 由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数 该式为典型欠阻尼二阶装置的阶跃响应函数表达式。它表明其瞬态响应是以圆频率作衰减振荡的。按照求极值的通用方法，可求得各振荡峰值所对应的时间，将t=/wd代人式,
33、求得最大超调量M和阻尼比&的关系式 整理后可得 简化后可得 第七章 负载效应在实际测量工作中，测量系统和被测对象之间、测量系统内部各环节之间互相联接必然产生相互作用。接人的测量装置，构成被测对象的负载；后接环节总是成为前面环节的负载，并对前面环节的工作状况产生影响。两者总是存在着能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加（如并联时）或连乘（如串联时）。7.1 负载效应 前面曾在假设相联接环节之间没有能量交换，因而在环节互联前后各环节仍保持原有的传递函数的基础上导出了环节串、并联后所形成的系统的传递函数。然而这种只有信息传递而没有能量交换的联接，在实际系统中甚少遇到。只
34、有用不接触的辐射源信息探测器，如可见光和红外探测器或其他射线探测器，才可算是这类联接。 当一个装置联接到另一个装置上，并发生能量交换时，就会发生两种现象：l ）前装置的联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生变化。2 ）两个装置共同形成一个新的整体，该整体虽然保留其两组成装置的某些主要特征，但其传递函数已不能表达。某装置由于后接另一装置而产生的种种现象，称为负载效应。 负载效应产生的后果，有的可以忽略，有的却是很严重的，不能对其掉以轻心。下面举一些例子来说明负载效应的严重后果。 集成电路芯片温度虽高但功耗很小，约几十毫瓦，相当于一个小功率的热源。若用一个带探针的温度计去测其结点的工作温度，显然温
35、度计会从芯片吸收可观的热量而成为芯片的散热元件，这样不仅不能测出正确的结点工作温度，而且整个电路的工作温度都会下降。又如，在一个单自由度振动系统的质量块m 上联接一个质量为mf 的传感器，致使参与振动的质量成为m + m f，从而导致系统固有频率的下降。7.2 减轻负载效应的措施减轻负载效应所造成的影响，需要根据具体的环节、装置来具体分析而后采取措施。对于电压输出的环节，减轻负载效应的办法有： l ）提高后续环节（负载）的输人阻抗。 2 ）在原来两个相联接的环节之中，插人高输人阻抗、低输出阻抗的放大器，以便一方面减小从前面环节吸取能量，另一方面在承受后一环节（负载）后又能减小电压输出的变化，从
36、而减轻总的负载效应。 3 ）使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前环节吸取能量。例如用电位差计测量电压等。如果将电阻抗的概念推广为广义阻抗，那么就可以比较简捷地研究各种物理环节之间的负载效应。 总之，在测试工作中，应当建立系统整体的概念，充分考虑各种装置、环节联接时可能产生的影响。测量装置的接人就成为被测对象的负载，将会引起测量误差。两环节的联接，后环节将成为前环节的负载，产生相应的负载效应。在选择成品传感器时，必须仔细考虑传感器对被测对象的负载效应。在组成测试系统时，要考虑各组成环节之间联接时的负载效应，尽可能减小负载效应的影响。对于成套仪器系统来说，各组成部分之间相互影响，仪器生产的
37、厂家应该有了充分的考虑，使用者只需考虑传感器对被测对象所产生的负载效应。第八章 测试装置的抗干扰在测试过程中，除了待测信号以外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重歪曲测量结果。轻则测量结果偏离正常植，重则淹没了有用信号，无法获得测量结果。测量系统中的无用信号就是干扰。显然，一个测试系统抗干扰能力的大小在很大程度上决定了该系统的可靠性，是测量系统重要特性之一。因此，认识了干扰信号，重视抗干扰设计是测试工作中不可忽视的问题。8.1 测量装置的干扰源测量装置的干扰来自多方面。机械振动或冲击会对测量装置（尤其传感器）产生严重的干扰；光线对测量装置中的半导体
38、器件会产生干扰；温度的变化会导致电路参数的变动，产生干扰；以及电磁的干扰，等等。干扰窜人测量装置有三条主要途径: l ）电磁场干扰干扰以电磁波辐射的方式经空间窜人测量装置。2 ）信道干扰信号在传输过程中，通道中各元器件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。3 ）电源干扰这是由于电源波动、市电电网干扰信号的窜人以及装置供电电源电路内阻引起各单元电路相互藕合造成的干扰。一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可除去大部分的电磁波干扰。而绝大部分测量装置都需要供电，所以外部电网对装置的干扰以及装置内部通过电源内阻相互藕合造成的干扰对装置的影响最大。因此，如何克服通过电源造成的干扰应重点注意。8.2 供电系统干
39、扰及抗干扰由于供电电网面对各种用户，电网上并联着各种各样的用电器。用电器（特别是感应性用电器，如大功率电动机）在开、关机时都会给电网带来强度不一的电压跳变。这种跳变的持续时间很短，人们称之为尖峰电压。在有大功率耗电设备的电网中，经常可以检测到在供电的50HZ 正弦波上叠加着有害的l000 V 以上的尖峰电压。它会影响测量装置的正常工作。1 电网电源噪声把供电电压跳变的持续时间 t 1s者，称为过压和欠压噪声。供电电网内阻过大或网内用电器过多会造成欠压噪声。三相供电零线开路可能造成某相过压。供电电压跳变的持续时间1st1ms 者，被称为浪涌和下陷噪声。它主要产生于感应性用电器（如大功率电动机）在
40、在开、关机时产生的感应电动势。供电电压跳变的持续时间 t lms 者，被称为尖峰噪声。这类噪声产生的原因较复杂，用电器间断的通断产生的高频分量、汽车点火器所产生的高频干扰祸合到电网都可能产生尖峰噪声。2 供电系统的抗干扰供电系统常采用下列几种抗干扰措施：( 1 ）交流稳压器它可消除过压、欠压造成的影响，保证供电的稳定。( 2 ）隔离稳压器由于浪涌和尖峰噪声主要成分是高频分量，它们不通过变压器级圈之间互感藕合，而是通过线圈间寄生电容祸合的。隔离稳压器一次、二次侧间用屏蔽层隔离，减少级间藕合电容，从而减少高频噪声的窜人。( 3 ）低通滤波器它可滤去大于50Hz 市电基波的高频干扰。对于50HZ 市
41、电基波，则通过整流滤波后也可完全滤除。( 4 ）独立功能块单独供电电路设计时，有意识地把各种功能的电路（如前置、放大、A/D 等电路）单独设置供电系统电源。这样做可以基本消除各单元因共用电源而引起相互藕合所造成的干扰。8.3 信道通道的干扰及抗干扰1.0信道干扰的种类信道干扰有下列几种：( 1 ）信道通道元器件噪声干扰它是由于测量通道中各种电子元器件所产生的热噪声（如电阻器的热噪声、半导体元器件的散粒噪声等）造成的。( 2 ）信号通道中信号的窜扰元器件排放位置和线路板信号走向不合理会造成这种干扰。( 3 ）长线传输干扰对于高频信号来说，当传输距离与信号波长可比时，应该考虑此种干扰的影响。2 信
42、道通道的抗干扰措施信道通道通常采用下列一些抗干扰措施：( l ）合理选用元器件和设计方案如尽量采用低噪声材料、放大器采用低噪声设计、根据测量信号频谱合理选择滤波器等。( 2 ）印制电路板设计时元器件排放要合理小信号区与大信号区要明确分开，并尽可能地远离；输出线与输出线避免靠近或平行；有可能产生电磁辐射的元器件（如大电感元器件、变压器等）尽可能地远离输人端；合理的接地和屏蔽。( 3 ）在有一定传输长度的信号输出中，尤其是数字信号的传输可采用光藕合隔离技术、双绞线传输。双绞线可最大可能地降低电磁干扰的影响。对于远距离的数据传送，可采用平衡输出驱动器和平衡输人的接收器。8.4 接地设计测量装置中的地
43、线是所有电路公共的零电平参考点。理论上，地线上所有的位置的电平应该相同。然而，由于各个地点之间必须用具有一定电阻的导线连接，一旦有地电流流过时，就有可能使各个地点的电位产生差异。同时，地线是所有信号的公共点，所有信号电流都要经过地线。这就可能产生公共地电阻的藕合干扰。地线的多点相连也会产生环路电流。环路电流会与其他电路产生藕合。所以，认真设计地线和接地点对于系统的稳定是十分重要的。 地方式有下列几种，可供选择：1 单点接地各单元电路的地点接在一点上，称为单点接地。其优点是不存在环形回路，因而不存在环路地电流。各单元电路地点电位只与本电路的地电流及接地电阻有关，相互干扰较小。2 串联接地各单元电路的地点顺序连接在一条公共的地线上 ，称为串联接地。显然，电路1 与电路2 之间的地线流着电路1 的地电流，电路2 与电路3 之间流着电路1 和电路2 的地电流之和，依次类推。因此，每个电路的地电位都受到其他电路的影响，干扰通过公共地线相互藕合。但因接法简便，虽然接法不合理，还是常被采用。采用时应注意：l ）信号电路应尽可能靠近电源，即靠近真正的地点。2 ）所有地线应尽可能粗些，以降低地线电阻。3 多点接地做电路板时把尽可能多的地方做成地，或者说，把