测控技术在结构健康监测中的应用-张广远
测控技术在医疗领域有何应用前景
测控技术在医疗领域有何应用前景测控技术，作为一门融合了测量、控制和信息技术的综合性学科，正以惊人的速度在医疗领域展现出其广阔的应用前景。
它不仅为医疗诊断和治疗带来了更高的精度和效率，还为改善患者的医疗体验和健康状况提供了有力的支持。
在疾病诊断方面，测控技术发挥着至关重要的作用。
例如，医学影像设备如 X 射线、CT、MRI 等，都是测控技术的杰作。
这些设备通过精确测量人体内部的结构和组织信息，为医生提供了清晰、准确的图像，帮助他们发现潜在的疾病。
以 CT 为例，其利用 X 射线对人体进行断层扫描，然后通过复杂的测控算法对扫描数据进行处理和重建，生成详细的三维图像。
医生可以借此观察到肿瘤、骨折、血管病变等异常情况，从而做出准确的诊断。
除了医学影像，生物传感器也是测控技术在诊断领域的重要应用。
生物传感器能够检测人体体液中的各种生物标志物，如血糖、胆固醇、激素等。
通过将生物分子与传感器表面的特定受体结合，引发电信号或光学信号的变化，从而实现对生物标志物的定量检测。
这种即时、便捷的检测方式对于糖尿病患者的血糖监测、心血管疾病的早期筛查等具有重要意义。
在治疗过程中，测控技术同样不可或缺。
手术机器人就是一个典型的例子。
这些机器人配备了高精度的传感器和运动控制系统，能够在医生的远程操作下进行精细的手术操作。
它们可以克服人手的颤抖和局限性，提高手术的精度和稳定性，减少手术创伤和并发症的发生。
例如，在神经外科手术中，手术机器人可以精确地定位和切除肿瘤，同时最大程度地保护周围的神经组织。
测控技术还在药物研发和生产中发挥着关键作用。
在药物研发阶段，高通量筛选技术可以同时对大量的化合物进行活性测试，大大提高了新药发现的效率。
而在药物生产过程中，各种测控仪器和系统可以实时监测生产参数，如温度、压力、浓度等，确保药物的质量和一致性。
此外，测控技术在康复医疗领域也有出色的表现。
例如，智能假肢和矫形器通过传感器感知患者的运动意图和身体状态，然后通过控制系统调整假肢或矫形器的运动，帮助患者恢复正常的运动功能。
测控技术在环境监测中的应用案例分析
测控技术在环境监测中的应用案例分析在当今社会，环境保护已成为全球关注的焦点。
为了更好地了解和改善环境质量，测控技术发挥着至关重要的作用。
测控技术能够对环境中的各种参数进行精确测量和控制，为环境监测和保护提供了有力的支持。
下面将通过几个具体的应用案例，深入分析测控技术在环境监测中的重要作用。
案例一：大气环境监测中的测控技术应用随着工业化和城市化的快速发展，大气污染问题日益严重。
为了准确监测大气中的污染物浓度，测控技术得到了广泛应用。
例如，使用高精度的气体传感器，可以实时监测空气中二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等污染物的浓度。
这些传感器能够将检测到的气体浓度转化为电信号，通过数据采集系统传输到监测中心。
在一些大城市，还建立了大气环境监测网络。
通过在不同区域设置监测站点，利用测控技术实现对整个城市大气环境的全面监测。
监测站点配备了自动气象站，能够测量风速、风向、温度、湿度等气象参数。
结合污染物浓度数据和气象参数，可以更准确地分析大气污染的扩散规律和来源。
此外，卫星遥感技术也在大气环境监测中发挥了重要作用。
卫星搭载的传感器可以获取大范围的大气数据，包括气溶胶浓度、臭氧分布等。
通过对卫星遥感数据的分析处理，可以了解大气污染的宏观态势，为制定环境保护政策提供依据。
案例二：水环境监测中的测控技术应用水是生命之源，但水污染问题严重威胁着人类的生存和发展。
在水环境监测中，测控技术同样不可或缺。
水质监测仪器是常见的测控设备，如 pH 计、溶解氧仪、电导率仪等。
这些仪器可以实时测量水体的酸碱度、溶解氧含量、电导率等参数，反映水体的污染程度和水质状况。
在河流、湖泊等水域，还会设置固定的监测站点。
监测站点通常配备有自动采样器和在线监测设备，能够定时采集水样并进行分析。
同时，利用物联网技术，将监测数据实时传输到远程监控中心，实现对水环境的实时监控。
对于地下水的监测，采用了一些特殊的测控技术。
例如，利用地下水监测井和压力传感器，可以监测地下水位的变化。
无损检测技术及其应用 张广远
2、常规无损检测技术及其应用
2.2 液体渗透检测
优点
应用广泛，原理简明易懂，检查经济， 设备简单，显示缺陷直观，并可以同时 显示各个不同方向的各类缺陷。
对大型工件和不规则零件的检查以及 现场机件的抢修检查，更能显示其特殊 的优点。但渗透探伤对埋藏于表皮层以 下的缺陷是无能为力的。
缺点
它只能检查开口暴露于表面的缺陷， 另外还有操作工序繁杂等。
• 为了使磁粉图像便于观察，可以采用与被检工件表面有较 大反衬颜色的磁粉。常用的磁粉有黑色、红色和白色。为 了提高检测灵敏度，还可以采用荧光磁粉，在紫外线照射 下使之更容易观察到工件中缺陷的存在。
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2、常规无损检测技术及其应用
2.3 磁粉检测 磁粉检测原理
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2、常规无损检测技术及其应用
2.3 磁粉检测 磁粉检测应用
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1、无损检测概述
• 无损检测技术现状及发展
21世纪以来，伴随着科学技术特别是计算机技术、数字化 与图像识别技术、人工神经网络技术和机电一体化技术的大发 展，无损检测技术获得了迅速发展。在航空航天、核技术、武 器系统、电站设备、铁道与造船、石油与化工、建筑、冶金、 机械制造等领域中都有广泛应用。
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照相法
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电离检测法
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荧光屏直接观测法
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工业射线CT技术
• CT技术是断层照相技术，又称计算机层析照相技术， 它根据物体横断面的一组投影数据，经过计算机处理 后，得到物体横断面的图像。所以，它是一种由数据 到图像的重建技术。
• 射线照相一般仅能提供定性信息，不能实用于测定结 构尺寸、缺陷方向和大小。它还存在三维物体二维成 像、前后缺陷重叠的缺点。射线CT技术提出了全新的 影像形成概念，它比射线照相法能更快、更精确地检 测出材料和构件内部的细微变化，消除了照相法可能 导致的检查失真和图像重叠，并且大大提高了空间分 辨力和密度分辨力。
现代测控技术在医疗健康监测中的应用
现代测控技术在医疗健康监测中的应用在当今科技飞速发展的时代，现代测控技术正以其独特的优势逐渐渗透到医疗健康领域，为人们的健康监测带来了前所未有的变革。
现代测控技术是一门集测量、控制和信息处理为一体的综合性技术，它通过对各种生理参数的精确测量、实时监控和智能化分析，为医疗诊断和治疗提供了重要的依据和支持。
首先，让我们来了解一下现代测控技术的基本概念和组成部分。
现代测控技术主要包括传感器技术、数据采集与处理技术、通信技术以及计算机技术等。
传感器是获取生理参数的关键部件，它能够将人体的各种生理信号，如体温、血压、心率、血氧饱和度等，转化为电信号或其他易于处理和传输的形式。
数据采集与处理技术则负责对传感器采集到的数据进行滤波、放大、数字化等处理，以提高数据的质量和准确性。
通信技术使得这些数据能够在不同的设备和系统之间进行快速、稳定的传输，实现远程监测和医疗资源的共享。
计算机技术则为数据的存储、分析和可视化提供了强大的支持，帮助医生更直观地了解患者的健康状况。
在医疗健康监测中，现代测控技术的应用范围非常广泛。
其中，最为常见的应用之一是生命体征监测。
通过佩戴智能手环、智能手表等可穿戴设备，患者可以实时监测自己的心率、血压、睡眠质量等生命体征。
这些设备通常采用微型传感器和低功耗蓝牙技术，能够将监测数据传输到手机或其他终端设备上，并通过相应的应用程序进行分析和展示。
例如，当心率出现异常波动时，设备会及时发出预警，提醒患者注意休息或寻求医疗帮助。
此外，一些专业的医疗监测设备，如心电图机、血压计等，也采用了现代测控技术，实现了更精确的测量和更便捷的操作。
除了生命体征监测，现代测控技术在疾病诊断方面也发挥着重要作用。
例如，在心血管疾病的诊断中，动态心电图监测可以连续记录患者 24 小时甚至更长时间的心电活动，为医生提供更全面、更准确的心电信息，有助于发现潜在的心律失常和心肌缺血等问题。
在呼吸系统疾病的诊断中，肺功能检测仪可以测量患者的肺活量、用力呼气量等指标，帮助医生评估患者的呼吸功能。
结构健康监测技术的发展与应用
结构健康监测技术的发展与应用在现代工程领域，确保各类结构的安全性、可靠性和耐久性至关重要。
结构健康监测技术作为一种有效的手段，能够实时获取结构的状态信息，及时发现潜在的问题，为结构的维护、管理和决策提供科学依据。
本文将探讨结构健康监测技术的发展历程、主要技术手段以及在不同领域的广泛应用。
一、结构健康监测技术的发展历程结构健康监测技术的发展可以追溯到上世纪五六十年代。
早期的监测主要依靠人工巡检和简单的仪器测量，如使用卡尺、水准仪等工具对结构的变形和位移进行定期检测。
这种方法不仅效率低下，而且难以发现早期的微小损伤。
随着传感器技术和计算机技术的飞速发展，结构健康监测技术逐渐走向自动化和智能化。
上世纪八十年代，一些先进的传感器，如应变计、加速度计等开始应用于结构监测中，能够实时采集结构的力学响应数据。
进入二十一世纪，无线传感器网络的出现使得监测系统的布置更加灵活便捷，大大降低了安装和维护成本。
近年来，随着人工智能、大数据和云计算等技术的融入，结构健康监测技术实现了质的飞跃。
通过对海量监测数据的分析和挖掘，能够更加准确地评估结构的健康状况，预测潜在的故障和风险。
二、结构健康监测技术的主要手段1、传感器技术传感器是结构健康监测系统的核心部件，负责采集结构的各种物理参数。
常见的传感器包括应变传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器等。
这些传感器能够将结构的物理量转化为电信号，以便后续的数据处理和分析。
应变传感器可以测量结构在受力情况下的应变变化，从而判断结构的受力状态；位移传感器用于监测结构的位移和变形；加速度传感器能够获取结构的振动响应，用于分析结构的动力特性；温度传感器则用于监测环境温度对结构性能的影响。
2、数据采集与传输技术采集到的传感器数据需要进行有效的传输和存储。
目前，数据采集系统通常采用分布式架构，能够同时采集多个传感器的数据，并通过有线或无线的方式将数据传输到数据中心。
无线传输技术如 Zigbee、WiFi 和蓝牙等在结构健康监测中得到了广泛应用，提高了系统的灵活性和可扩展性。
结构健康监测技术的研究与应用
结构健康监测技术的研究与应用随着人们对建筑结构安全性的要求日益增加，结构健康监测技术在工程领域中扮演着至关重要的角色。
通过对结构进行实时的监测和评估，可以准确判断结构的健康状况，及时发现潜在的问题，并采取相应的修复措施。
本文将介绍结构健康监测技术的研究与应用。
一、背景和意义建筑结构是人类生活和工作的基础设施，其安全性直接关系到我们的生命财产安全。
然而，由于结构受到气候、地震、物理损伤等因素的影响，会出现疲劳、裂缝、变形等问题。
这些问题的长期存在会导致结构的不稳定和破坏，危及人们的生命和财产安全。
因此，结构健康监测技术的研究与应用对于提高结构安全性具有重要的意义。
二、结构健康监测技术的原理和方法1. 传感器技术：传感器是结构健康监测技术的核心。
通过安装在结构体内或表面的传感器，可以实时监测结构的变化和响应。
常用的传感器包括应变计、加速度计、位移计等。
传感器可以将获取的数据传输给数据采集系统进行分析和处理。
2. 数据采集与处理技术：结构健康监测技术需要对传感器采集到的大量数据进行处理和分析。
数据采集系统可以对传感器采集到的数据进行实时监测和存储，并提供数据查询和分析功能。
数据处理技术可通过信号处理、数据挖掘和模型建立等方法，从复杂的数据中提取有用的信息，评估结构的健康状况。
3. 健康评估方法：结构健康监测的目标是评估结构的健康状况，包括结构的稳定性、强度、刚度等参数。
常用的健康评估方法包括模型识别、模型更新、有限元分析等。
通过这些方法，可以对结构进行定量的评估，及时判断结构是否存在潜在的问题。
三、结构健康监测技术的应用领域1. 桥梁和道路：结构健康监测技术可以用于桥梁和道路的监测和维护。
通过实时监测桥梁和道路的变化，可以及时检测到裂缝、变形等问题，并采取必要的维修和加固措施，保障交通的畅通和行车的安全。
2. 高层建筑：高层建筑的安全性对于人们的生活和工作至关重要。
结构健康监测技术可以用于对高层建筑的结构参数进行实时监测，判断是否存在裂缝、变形等问题，以及其对建筑的影响。
智能测控工程在环境监测技术中的应用与意义
智能测控工程在环境监测技术中的应用与意义在当今社会，环境问题日益严峻，对环境进行有效的监测和保护已成为当务之急。
智能测控工程作为一项先进的技术手段，在环境监测领域发挥着越来越重要的作用。
它不仅能够提供更加准确、实时的数据，还能帮助我们更好地理解和应对环境变化所带来的挑战。
智能测控工程在环境监测中的应用十分广泛。
其中，水质监测是一个重要的方面。
通过智能传感器和监测设备，可以实时监测水中的各种污染物浓度，如化学需氧量（COD）、氨氮、重金属等。
这些设备能够自动采集水样，并将数据传输到中央控制系统进行分析和处理。
与传统的人工采样和实验室分析相比，大大提高了监测的效率和准确性，能够及时发现水质的异常变化，为采取相应的治理措施提供依据。
在大气环境监测方面，智能测控工程同样表现出色。
利用高精度的气体传感器，可以对空气中的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等污染物进行实时监测。
这些传感器可以安装在固定的监测站点，也可以搭载在移动监测车辆上，实现对不同区域大气质量的动态监测。
此外，结合气象数据和地理信息系统（GIS），还能够对大气污染物的扩散趋势进行预测，为制定空气污染防控策略提供科学支持。
土壤环境监测也是环境监测的重要组成部分。
智能测控技术可以用于监测土壤的酸碱度、肥力、重金属含量等指标。
通过在土壤中埋设传感器，能够长期、连续地收集土壤数据，帮助我们了解土壤质量的变化情况，为土壤污染治理和土地资源的合理利用提供决策依据。
除了对常规污染物的监测，智能测控工程在生态环境监测中也具有重要意义。
例如，通过对森林生态系统中的温度、湿度、光照等参数的监测，可以评估森林的健康状况和生态功能。
对于湿地、草原等生态系统，同样可以利用智能测控技术来监测生物多样性、水资源状况等关键指标，为生态保护和修复提供数据支持。
智能测控工程在环境监测中的应用，带来了诸多显著的意义。
首先，提高了监测数据的准确性和可靠性。
传统的监测方法往往受到人为因素和采样时间、地点等限制，导致数据存在一定的误差。
测控技术与仪器在实践中的应用
测控技术与仪器在实践中的应用【摘要】测控技术与仪器在实践中的应用广泛存在于各个领域，对于工业生产、医疗行业、环境监测、航天领域以及智能家居等方面都起着至关重要的作用。
在工业生产中，测控技术可以帮助企业实现生产自动化，提高生产效率和产品质量。
在医疗行业中，各种测控仪器可以用于诊断、治疗和监测疾病，为医生提供准确的数据支持。
在环境监测领域，测控技术可以帮助监测空气质量、水质情况等，保护人类健康和生态环境。
在航天领域，测控技术可以用于导航、飞行控制等，确保飞行器安全稳定运行。
而在智能家居中，各种测控仪器可以实现远程控制、智能化管理，提升家居生活质量。
测控技术与仪器的广泛应用促进了社会发展和科技进步，为人类社会带来了巨大的便利和利益。
【关键词】测控技术，仪器，应用，工业生产，医疗行业，环境监测，航天领域，智能家居，社会发展，科技进步1. 引言1.1 测控技术与仪器在实践中的应用测控技术与仪器在实践中的应用正日益广泛，不仅深刻影响着工业生产和医疗行业，也在环境监测、航天领域以及智能家居等领域展现出了巨大的应用潜力。
测控技术的发展使得人类能够更准确地控制和监测各种物理量，从而提高生产效率、保障安全，甚至拓展了人类探索未知世界的可能性。
测控仪器在医疗行业中的应用，可以帮助医生准确诊断疾病、监测患者生理指标，为患者提供更精准的治疗方案。
在环境监测中，测控技术可以实时监测大气、水质、土壤等环境参数，为环境保护和生态平衡提供重要数据支持。
航天领域则需要精密的测控技术来确保飞行器的安全和准确性，探索宇宙的未知领域。
而智能家居中的测控仪器应用，则可以实现家庭设备的远程控制和智能化管理，为人们的生活带来更大的便利和舒适。
随着科技的不断进步和应用的不断拓展，测控技术与仪器的广泛应用将继续推动社会发展和科技进步。
2. 正文2.1 工业生产中的测控技术应用工业生产是测控技术与仪器应用的重要领域之一。
测控技术在工业生产中发挥着至关重要的作用，可以实现对生产过程的自动监控、调节和优化，提高生产效率、质量和安全性。
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2、一般步骤
确定测试任务
在如下环境中完成如下任务 • 任务
参数监测/检测/监控 参数计算（功率测量、传递函数） 场分布，面、阵测量——组/复合传感器
• 环境 高压、高温、高冲击 工作介质:水、油、空气或蒸气 被测表面:材质、偏差
2、一般步骤
选择测量方法 • 功能
在线测量/离线测量——是否固定 实时测量/离线分析——是否现场给出结果 实时测控 数据存储、数据发布/数据传输
测控技术在结构健康监测中的应用张广远
主要内容
一、测试系统设计步骤 二、测控技术在结构健康监测中的应用实 例
一、测试系统设计步骤
内容
1. 基本原则 2. 一般步骤 3. 抗干扰设计
1、基本原则
测试系统典型组成
传感器、信号调理、信号处理、显示与记录
测
试
传感器
对
象
信号调理 显示/记录
信号处理
数据采集
• 实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
测试任务：广东地区山区桥梁温度场
测试方法：埋入式接触测量，长 期监测 精度：0.02℃ 传感器：PT100铂电阻
测试系统设计：太阳能供电、远 程无线传输
• 实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
温度传感器1 温度传感器2 温度传感器n
多路温度测量系统 高精度采集器
辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应 电动势造成的干扰
漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间 距不够产生的漏电现象
公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻 抗串联产生的干扰
Cm En
Zi Un
M
In
Zi
Un
Ra Φ
EI
Ri
a)
b)
R 图7-23 产生差模干扰的例子
Zi En Un
In
对传感器的影响——涡流传感器
• 选择传感器
切角面
3x探头直径
指标：灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等
工程考虑：传感器种类越少越好 Δ 合并：位移＋振动 Δ 类型优化：一种传感器多种测量(涡流传感器：位移、 振动、转速)
输出标准：减少信号处理难度
Δ 电流 4~20mA、电压±5V; 数字通讯（TCP/IP）
Ri
A
Rc2
机壳
机壳
机壳
绝缘层
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 电缆屏蔽层
Δ 单地原则 Δ 屏蔽线的接地应与公共端连接
Us
1
放 大
器
Us
C1
1放
C2
大 器
2
C3
2
正确连接
UG
UG
正确连接
3、抗干扰设计
隔离技术 ——切断地环路电流干扰
两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰 数字电路很适用 模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件
16通道多路切换板
RS485总线 4G DTU
集中式采集方案
优点：精度高，可以通过校准做到； 缺点：校准过程比较复杂，系统设计 计编程工作量较大
• 实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
温度传感器1 单片机1
温度传感器2 单片机2
温度传感器nRS485总线 4G DTU
单片机n
分布式方案：采用专用的温度测量芯片
数据处理
电源
1、基本原则
测试系统设计原则
测量装置选用
满足关键指标 合理的带宽 接口标准
误差分配
综合误差最小或合成不确定度最小 选择直接测量量的测量精度适中的方案，降低难度
传感器选用
优先考虑功能、然后再是指标
其它：成本、实现
2、一般步骤
步骤
确定测试任务 选择测量方法 选择传感器 后续测量系统的选定 相应的软件设计与编制 测量系统的性能评定
Zc
Un
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位
利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部 电力线，消除静电耦合
• 磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量
铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器
• 电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/板）做成的接
3、抗干扰设计
干扰源
• 外部干扰——环境 电磁场、振动、温度、湿度等
• 内部干扰——电路 Δ 元器件干扰 Δ 信号回路干扰 Δ 负载回路干扰 Δ 电源干扰 Δ 数字电路干扰
3、抗干扰设计
干扰传播路径
静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有 效输入成分
电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回 路中引起的感应电动势
3、抗干扰设计
接地技术
• 接地原则：一点接地
Δ 地线应连在一起并通过一点接地 Δ 避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，产生干扰
Rc1
Rs
Us
Rc2
放
Ri 大 器
信号地线 （测试系统）
电源地线
保护地线 （机壳、机架、机箱）
系统）
A
B
UG
接地系统布置图
二、测控技术在结构健康监测中的应用
• 实例1 山岭重丘地区桥梁温度场监测
• 指标
非线性度、精度、量程、分辨率 稳定性、温漂、零漂 频响
• 成本
简易：传感器＋电压表；传感器＋A/D板＋计算机 适中：传感器＋信号处理＋信号测量 先进：传感器＋信号处理＋测量、分析、传输
2、一般步骤
选择传感器
• 被测参数——传感器类型
振动、位移、温度Байду номын сангаас转速、压力、扭矩
• 测试部位
传感器
对被测量的影响——加速度传感器
圆柱面
3x探头直径
2、一般步骤
后续测量系统的选定
• 传感器与信号调理装置的匹配问题 • 各个测量装置的静动态特性匹配问题 • 测量系统的精度设计指标 • 频响
相应的软件设计与编制
• 实现测试系统的自动化、智能化 ——成本 • 人机交互界面
测量系统的性能评定
• 经济合理性 • 抗干扰能力 • 测试精度分析
优点：系统实现简单； 缺点：精度依赖于温度芯片的测量精度校准过程比较复杂
• 实例2 桥梁挠度测量系统
地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 屏蔽导线、屏蔽电缆
3、抗干扰设计
屏蔽技术
• 简单的屏蔽——接地、浮置
在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统 为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地
o 安全可靠 o 制造工艺复杂 o 飞机、舰船上的设备采用浮地
Rs Us
Rc1
Ui
测试电路1
光耦合器件
测试电路2
滤波技术——阻止某一频带信号通过测试系统
0.5-2mH
直
流
+
C2 100μF
电
C1 0.01~0.1μF
源
直 流
+
C2 2000μ
电
C1 0.01μF
源
3、抗干扰设计
接地技术
• 接地作用：
Δ 安全、基准电位 Δ 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）
• 接地方式
Δ 并联接地 Δ 串联接地 Δ 串并联接地