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測試與測量  

為低壓差測試作業進行除錯

上網時間: 2015年12月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:資料擷取  誤差  荷重感測器  共模抑制  i423 

尋找干擾源

在重複數位化示波器軌跡時,打開和關閉(如機器、泵、電源)附近的裝置,即可觀察數位化波形的變化。如果關閉了一台附近的電源,並注意到突波消失了,顯示這個電源耦合於感測器中。

干擾訊號透過空氣傳播耦合於感測器電纜嗎?還是經由地線傳輸?嘗試移動感測器電纜,觀察對於數位化波形的影響。電纜位置影響圖形嗎?如果是的話,那麼說明空氣中的RFI正透過具有不同實體尺寸(不同磁通量)的線路(你的電纜)傳輸。由於移動電纜而發生的輻射場改變是空中傳輸RFI的跡象。增加電纜遮罩可能有用,但也可以試試以下討論的幾種技術。

電纜/感測器接地連接到外部金屬(如待測物)嗎?如果是的話,實體上斷開後觀察對於訊號的影響。如果訊號有變化,就可知道電流正流經地線,這是由於資料擷取接地和待測物(DUT)接地之間存在的交流(AC)訊號引起的。它被稱為‘接地迴路’(ground loop),通常可以用電氣上隔離感測器的方法來解決。接地之間的AC電壓差通常是由於改變電源引起的,包括改變接地回程路徑上的電流以及與接地線有關的壓降。接地之間的典型電壓差是在50mVdc上加進15mVac。為了採用靈敏的資料擷取系統進行測量,將IN+連接到接地#1,將IN-連接到接地#2,儘快的數位化通道,並觀察全螢幕時100us至25ms的波形。

差分放大器共模抑制功能有幫助嗎?資料擷取系統都有差分輸入電路,用於測量兩個輸入之間的電壓差。所有的差分放大器都有這樣一個參數:兩個輸入端上的共模訊號能夠抑制多少?典型的指標是60Hz時抑制80dB。這意味著兩個接腳上60Hz訊號的萬分之一被視為差分訊號。

例如,以裸線連接IN+和IN-,在IN+和GND之間施加一個60Hz、1Vrms的訊號,然後進行數位化,你將會在IN+和IN-之間看到60Hz 100uVrms的訊號。資料擷取的一個小秘密是,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。數位切換(如突波)所涉及的頻率經常超過60KHz。因此在許多情況下,放大器共模抑制功能並沒有什麼作用,特別是對數位開關引起的RFI而言。

類比低導通濾波器功能有幫助嗎?圖3顯示4KHz雙極類比濾波器的效應,導致350uV突波在振幅中降低至15uV。將所繪製的垂直解析度從150uV/div增加到12uV/div後,更易於看到較小的突波。


圖3:低通濾波器可降低訊號中的高頻雜訊,提供不至於影響所需頻率的濾波作用

除了耦合於感測器訊號的RFI,其他誤差來源還包括耦合於感測器訊號的50/60Hz電源、資料擷取系統的內部雜訊,以及熱漂移和感測器不穩定性。

AC電源耦合:與低壓差量測作業有關的典型問題經常是60Hz (或50 Hz)電源耦合於感測器訊號中。為了偵測這種干擾形式,必須儘快為通道進行數位化。以60Hz正弦波而言,電纜越長,AC耦合的情況越嚴重。此外,如果感測器訊號速度快(如>60Hz),而你不想濾除所需的訊號,可以考慮使用數位帶阻濾波器,它能降低AC電源耦合,並使其他頻率保持不變。


圖4:AC電源頻率也會耦合於訊號中

內部系統雜訊:所有的資料擷取系統都存在內部雜訊,它可能被加進數位化訊號中。這是由於放大器都會為其接收訊號帶來一點雜訊的屬性所致。透過接地輸入(從IN+到IN-以及從IN+到測量系統GND)的導線,以濾波器/積分關斷儘快數位化通道,就可以觀察到全螢幕時100us至25ms的波形。

雜訊隨頻寬降低而減少。例如,在±10mV範圍測量instruNet i423系統雜訊,在125KHz 全頻寬時測得6uVrms,4KHz頻寬時測得1.2uVrms,6Hz頻寬時僅0.4uVrms。因此,改用類比濾波器較有幫助。

熱漂移和感測器不穩定:感測器將隨時間變遷發生變化,但問題是‘原因是什麼?又該如何測量?’事實上,原因通常來自於資料擷取系統熱漂移、感測器熱漂移或感測器不穩定。

資料擷取系統的內部溫度改變時導致微幅漂移現象。感測器熱漂移的情況類似,透過熱風槍微熱感測器,就會看到其間的變化。除了溫度與刺激的作用以外所發生的感測器變化,都算是感測器不穩定。其原因主要在於感測器本身。例如,荷重感測器受壓一段時間後可能發生些微機械性疲乏的現象,但仍維持在規格範圍。

結語

透過採用類比濾波器、數位濾波器以及積分進行一連串的實驗,就能查找出低壓誤差的來源,同時從實際的感測器、偽感測器以及接地輸入進行數位化。


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