传感器与检测技术第二版胡向东著第十四章现代检测技术资料讲义

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•差模干扰
检测系统的一个信号输入端相对于另一个信号输 入端的电位发生变化，即干扰信号与有用信号串联起 来一起进入输入端。
•共模干扰
相对于公共的电位基准点（通常为接地点），在 检测系统的两个输入端同时出现干扰。 共模干扰抑制比：
U cm Kd CMRR 20lg (dB) 20lg (dB) U cd Km
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接地原则：
低频电路（f＜1MHz）一点接地； 可有效克服地电位差的影响和公共地线的共 阻抗引起的干扰。
图14-6 单级电路的一点接地
a)任意点接地 b)一点接地
图14-7 多级电路的一点接地
a)串联接地 b)并联接地
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高频电路（f＞10MHz）大面积就近多点接地；
图14-8
静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱 两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。
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电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽 层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再 利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频 电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的 作用，即可同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用。
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二、意义及应用
单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段， 而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境 的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗 余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。
传感器数据融合技术的理论和应用涉及到信息电子学、 计算机和自动化学多个学科，是一门应用广泛的综合性高 新技术，在军事、工业、交通、金融等众多领域得到广泛 应用。
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八、数据融合关键技术
1.数据转换 不同层次、时间、空间信息→坐标变换 2.数据相关 将信息归为不同集合，保证数据的一致性 3.态势数据库
分为实时和非实时数据库。提供各种数据及分析结果、 中间结果及历史信息。
4.融合计算
进行分析、综合→态势决策
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九、数据融合方法 1.随机方法
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2.舰船上的应用
海军舰船传感器数据融合系统
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3.军事上的应用
军事多传感器数据融合系统
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14.3 虚拟仪器
14.3.1 虚拟仪器的出现
虚拟仪器(Virtual Instruments) 是检测技术与 计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是美国国家 仪器( National Instruments) 公司于1986 年提出的。 虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件 模块, 使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的 仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用, 提出了“软 件就是仪器”的概念。
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计算机技术和仪器技术结合：
• 充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传
统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制， 达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器的三大 功能全部放在计算机上实现。 • 在计算机中插入数据采集卡，然后，用软件在屏幕上 生成仪器面板，用软件来进行信号处理分析，实现传 统仪器的功能，这就是虚拟仪器。
2.耦合方式（获得噪声或干扰的途径） 电磁耦合（互感耦合） 由于两个电路之间存在互感，使 得当一个电路的电流变化时，通过磁 链影响到另一个电路。
静电耦合（电容耦合）
由于两个电路之间存在着寄生 电容，使一个电路的电荷变化影响 到另一个电路。
图14-2 电磁耦合
图14-3 静电耦合
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量电路包围起来。
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屏蔽的目的是隔断场的耦合，抑制各种场的干扰。 分类：
静电屏蔽
在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。 因此采用导电性能良好的金属外屏蔽罩，并将它接地（静 电屏蔽罩必须与被屏蔽电路的零信号基准电位相连），使 其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其 内部，
防护是指消除或减弱各种干扰影响的全部技术措施 的总称。
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二、干扰的分类及防护
机械干扰 热干扰 光干扰 湿度干扰 化学干扰
电磁干扰
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14.1.2
噪声源与噪声耦合方式
一、噪声与信噪比
1.噪声 在检测仪表中出现的不希望存在的变化无规律的无用
信号即为噪声。干扰即为噪声造成的不良效应。 噪声不能用确定的时间函数来描述，是随机过程。 2.信噪比
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五、数据融合的层次
1.原始层（数据层） 底层融合，对原始数据很少处理，直接综合。 处理量大、实时性差，对信息配准性要求高。 2.特征层 从原始信息中提取典型特征信息。主要方法： 神经网络、模糊聚类方法等。 3.决策层 最高层次。对原始信息进行预处理，获得初步 的决策结果后进行融合。具有较好的容错性， 数据处理量较大。
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14.2 多传感器数据融合技术
一、概念
传感器数据融合（Sensor Data Fusion）又称信息 融合，它是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行 综合处理和优化的技术。传感器数据融合技术从多信息 的视角进行分析及综合，以产生对被测对象统一的最佳 估计。 多传感器数据融合的目的是利用多个传感器或联合 操作的优势，提高传感器系统的有效性，消除少量传感 器的局限性。最终目的是构造高性能智能化系统。
加权平均法 Bayes概率推理法 用测量值的概率描述和先验知识计算备选假设的概 率，并不断更新，确定被测对象的最佳估计。 Dempster-Shafer证据推理 利用鉴别框架，将不同的证据体（信息源）合并成 一个新的证据体 卡尔曼滤波
利用统计特征递推→最优估计 产生式规则
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图14-21
不同导线的电磁感应
b)双绞线
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a)平行线
三、印刷电路板的抗干扰
尽量采用插接式结构，且留有余地；
交直流分开，强弱电分开，输入/输出分开；
集成器件电源和地线之间接入0.01―0.1uf陶瓷或 独石电容，且电容引线要短； 电路之间连线应尽量短，避免长距离敷设； 电源线、地线应加粗或大面积辐射； 跨接线不能过多； 采用双面线路板，正反面垂直交叉，避免直角走线。
传感器2输入
信息融合中心
传感器1输出 传感器2 传感器2输出
最终融合结果
传感器1输入 传感器2输入 传感器M输入 传感器1输入 传感器2输入 传感器N输入
…… 传感器N输入 传感器N
传感器1
传感器2
……
传感器M
……
传感器1
传感器2
……
传感器N
初级融合中心1
……
初级融合中心L
最终融合结果
次级融合中心
最终融合结果
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虚拟仪器 “软件就是仪器”
具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。
百度文库
组成：计算机、模块化功能硬件和控制软件。
操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言 控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、 显示、存储及数据生成。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的 输入输出，软件才是整个仪表的关键。操作者可以通 过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器系统的功 能与规模。
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三、数据融合的特性 1.数据融合的时、空特性
时间性：对观测目标在不同时间的观测值进行融合 空间性：对同一时刻不同空间位置的多传感器观测 进行融合 时间、空间同时考虑
2.数据融合的系统性
强调系统、整体协调
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四、数据融合的优点 • • • • • 准确性和全面性 冗余性和容错性 互补性 可靠性 实时性和经济性
辐射电磁场耦合
大功率的高频电气设备、广播、电视、通讯发射台等， 不断向外发射电磁波，对测量系统造成干扰。
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14.1.3 常用抗干扰技术
一、干扰的抑制 消除或抑制噪声源 破坏干扰途径 削弱或降低接收电路对噪声的敏感性 二、抗干扰措施 1.屏蔽
利用金属罩（铜、铝等铁磁材料）将信号源或测
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6.滤波
滤波器是一种允许某一频带信号通过，而阻止 另某些频带通过的网络，是抑制干扰的有效的手段 之一，特别是对抑制经导线耦合到电路中的噪声干 扰效果尤其显著。 硬件滤波 软件滤波
算术平均值滤波
限幅滤波 滑动滤波
加权滤波
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图14-17
高频干扰电压对称滤波器
共阻抗耦合 由于几个电路之间有公共阻抗，当一个电路中的 电流流经公共阻抗产生压降时，就形成对其它电路的 干扰电压。 电源内阻抗的共阻抗耦合 公共地线的共阻抗耦合
信号输出电路的共阻抗耦合
漏电耦合 由于绝缘不良，流经绝缘 电阻R的漏电流造成干扰。
图14-4 漏电耦合
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传导耦合 经导线检拾到噪声，再经其传输到噪声接收电路而形 成干扰。
大面积多点接地
强电地线与信号地线分开设置； 模拟信号地线与数字信号地线分开设置； 交流地线与直流地线分开设置；
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接地方式： 传感器接口电路的接地
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检测装置与计算机系统的一点接地
图14-9
三条地线与系统地线相联
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3.浮空 浮空又称浮置、浮接。如果检测装置的输入放大器 的公共线，既不接机壳也不接大地。则称为浮空。被浮 空的检测系统，其检测装置与机壳、大地没有任何导电 性的直接联系。 浮空的目的是要阻断干扰电流的通路。浮空后，检 测电路的公共线与大地(或机壳)之间的阻抗很大，因此，
浮空与接地相比能更强地抑制共模干扰电流。
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4.隔离 当检测装置的信号测量电路及信号源在两端接地时， 很容易形成环路电流，引起干扰。这时就需要采用隔离 的方法。特别当测量系统含有模拟与数字信号、低压与 高压混合电路时，必须对电路各环节进行隔离。这样还
可以同时起到抑制漂移和安全保护的作用。
隔离的方法主要是采用变压器隔离和光电耦合器。
图14-18
低频干扰电压滤波器
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图14-19
高、低频干扰电压滤波器
图14-20
电源退耦滤波器
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7.采用合适的连接电缆线
连接电缆线尽量短； 双绞线具有较强的防护能力，可使干扰电压大为 降低； 间距小，对屏蔽网的分布电容及阻抗基本相同； 电磁感应电流方向相反，互相抵消；
低频磁屏蔽
采用高导磁材料作屏蔽层，使低频干扰磁通被 限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，防止其干扰。
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驱动屏蔽 驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的
电位相等。它能有效抑制通过寄生电容的耦合干扰。
图14-5
驱动屏蔽
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2.接地 目的：
保证人身及设备安全 抑制干扰 消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪 声电压．以及免受电磁场和地电位差的影响，即： 不使其形成地环路。 地线种类 屏蔽接地线或机壳接地线 信号接地线（模拟、数字接地线） 负载接地线 交流电源地线
第14章
现代检测技术
14.1 抗干扰技术 14.2 多传感器信息融合技术 14.3 虚拟仪器 14.4 软测量技术 本章要点
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14.1 抗干扰技术
14.1.1 干扰与防护
一、概念 干扰是指影响测量装置和仪表正常工作的各种 外部和内部的无用信号。 分类： 内部干扰：正确设计，部件合理布局、选用 外部干扰：采取抗干扰措施
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六、数据融合模型
低层处理 高层处理
传感 器1 特 征 提 取 分
参 数 估 计 决
传感 器2
类 识 别
策
传感 器3
目标状态测量 目标属性测量
状态向量 特征、属性
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七、数据融合结构形式
传感器1输入
传感器1输入 传感器2输入 传感器N输入
传感器1
传感器1 传感器2 …… 传感器N
PS US S / N 10lg 20lg PN UN
信噪比用来衡量噪声对有用信号的影响
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二、噪声源
即噪声的来源，主要包括放电噪声、电气设备 噪声及设备固有噪声等。 三、噪声的耦合方式 1.噪声形成干扰的三要素： 噪声源
图14-1
耦合通道
接收电路
噪声形成干扰的三要素
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2.人工智能方法 • 模糊逻辑推理 • 神经网络方法 • 智能融合方法
环境 实际传感 器 分析 抽象 传感器类 型 数值 计算 传感器数 学模型
知识库
环境
实际传感 器
多传感器 并行处理
分析 抽象
感觉缓冲 器
信息融合
环境信息 控制信息
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十、应用实例
1. 在机器人中的应用
自主移动装配机器人
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图14-14
光电隔离
图14-15
变压器隔离
图14-16
微机的电源隔离
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5.对称电路（平衡电路）
指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的
所有电路，对地或对其他导线的结构对称，且对应的 阻抗相等。（如电桥电路）
此结构可使电路所检拾的噪声相等，从而使负载
上的噪声电压互相抵消，抑制了干扰。