如何排查低壓差測量中的誤差問題
加入技術(shù)交流群
本文案例中使用的是instruNeti423數(shù)字化儀，這是專為直接連接許多不同傳感器而設(shè)計(jì)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(yīng)變計(jì)、熱電偶和熱電阻(RTD)。也可以將本文所述的技術(shù)應(yīng)用于其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)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，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?？梢詫⑦@個稱重傳感器想像為一個源阻抗為350Ω、接收3.3VDC激勵電壓并產(chǎn)生偏移量為1.65VDC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(shí)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(yīng)變計(jì)和mV/V壓力傳感器是一樣的。
我們將重點(diǎn)關(guān)注這些誤差來源：
耦合進(jìn)傳感器信號的射頻干擾(RFI)
耦合進(jìn)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
測試裝置
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(jìn)信號線)的目的，我們切斷了IN+導(dǎo)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(dǎo)線繞了10圈的裸導(dǎo)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(dú)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(jìn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)都是用測量范圍是±10mV的instruNeti423卡完成，并使用instruNetWorldOscilloscope/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(yīng)31mW更小的功耗。
射頻干擾耦合進(jìn)傳感器信號
射頻干擾(RFI)所涉及的無線電波將通過空氣耦合進(jìn)導(dǎo)線。這可以用麥克斯韋方程來解釋，即導(dǎo)線#1中電流的變化將產(chǎn)生一個磁場流過導(dǎo)線#2做成的環(huán)，并在導(dǎo)線#2中感應(yīng)出一個電流，然后在經(jīng)過電阻后轉(zhuǎn)換為電壓。RFI效應(yīng)隨源阻抗的增加而增強(qiáng)(源信號強(qiáng)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(shí)驗(yàn)將向你解釋信號開關(guān)和正弦信號如何耦合進(jìn)你的信號。
On/Off開關(guān)RFI：當(dāng)一根傳感器導(dǎo)線附近的入侵信號發(fā)生由低到高的轉(zhuǎn)換時，會有一個向上的尖峰耦合進(jìn)導(dǎo)線；當(dāng)入侵信號發(fā)生由高到低的轉(zhuǎn)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(shè)備的導(dǎo)通關(guān)斷有關(guān)。
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(jìn)有用信號。調(diào)幅收音機(jī)接近1MHz，調(diào)頻收音機(jī)接近100MHz，兩種正弦波眾所周知都會進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室或工廠。
如何檢測RFI
搭建你的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，盡可能快地從一個通道進(jìn)行數(shù)字化，保持所有的模擬和數(shù)字低通濾波器處于關(guān)閉狀態(tài)，積分(平均)功能也處于關(guān)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(jié)果波形。即使你最終實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(biāo)，并做一些簡單的實(shí)驗(yàn)。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。
尋找干擾源
在重復(fù)性的數(shù)字化示波器軌跡的同時，將附近的設(shè)備打開和關(guān)閉(比如機(jī)器，泵，電源)，觀察數(shù)字化波形上的變化。如果你關(guān)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(jìn)了你的傳感器。
入侵信號通過空氣傳播并耦合進(jìn)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(shù)。
電纜/傳感器的地連接到了外部金屬(比如待測設(shè)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(shè)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(guān)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?xí)r100?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(biāo)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(dǎo)線連接IN+和IN-，在IN+和GND之間施加一個60Hz、1Vrms的信號，然后進(jìn)行數(shù)字化，你將會在IN+和IN-之間看到60Hz100?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(dá)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(guān)(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(guān)引起的射頻干擾而言。
評論