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感測器/MEMS  

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 

作者:Glenn Weinreb,GW Instruments執行長

許多資料擷取系統直接連接感測器。與所有的測試系統一樣,必須先找出誤差,並盡最大可能地減小誤差。由於熱漂移、電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)、內部雜訊、走線、接地和遮罩等造成的誤差都會對整個測量作業帶來誤差。但如果能事先知道引起這些誤差的原因,就能夠最大限度地減少這些誤差。

本文將使用instruNet i423數位器進行測量實驗,這是專為直接連接各種不同感測器而設計的系統之一,它可以連接電壓感測器、電流感測器、電阻感測器、荷重感測器、應變計、熱電耦和熱電阻(RTD)等。文中提到的技術也可以應用於其它資料擷取系統。

在實驗中使用可以測量0到2kg力度的荷重感測器,內部包含4個350Ω電阻,這些電阻都連接至受壓會彎曲的金屬板上。彎曲金屬板將會改變電阻值。假定這個荷重感測器具有350Ω的來源阻抗、可接收3.3VDC激勵電壓,並能產生具有1.65VDC偏移量的±10mV訊號。資料擷取差分放大器看到的就是±10mV,我們將評估微伏(mV)級誤差。

圖1是荷重感測器的原理圖。從電氣角度來看,荷重感測器與應變計和mV/V壓力感測器是一樣的。


圖1:應變計本質上是一款具有4個電阻的橋接電路,電路兩端的電壓會隨著金屬板彎曲變形而發生改變

測試建置

感測器通常經由遮罩電纜連線到資料擷取系統。為了展示RFI(無線電波耦合於訊號線中),我們切斷了IN+導線,並導入一個干擾訊號以及函數產生器。函數產生器的5Vrms輸出連接到一根圍繞著10圈感測器IN+導線的裸線。我們還在函數產生器輸出端串聯了一個270Ω的電阻,以便於透過干擾線圈產生18mA的電流(5Vrms/270=18mArms)。

在第二個測量通道上連接了一個偽感測器,其電氣特性與荷重感測器類似。它包含4個在電纜末端懸浮於空中的獨立薄膜電阻,在此的函數產生器也採用與荷重感測器相同的方式連接。來源阻抗越高,耦合進來的RFI就越多。因此,偽感測器具有與荷重感測器相同的350Ω來源阻抗。第二個通道用於辨識荷重感測器本身的少許不穩定性。

第三個通道使用資料擷取IN+與IN-端子之間以及GND與IN+之間的一段2cm導線接地。這第三個通道用於確定內部系統雜訊和資料擷取系統本身的熱漂移。所有的實驗都使用測量範圍是±10mV的instruNet i423卡完成,並使用instruNet World Oscilloscope/Strip圖表軟體,提供軟體可選的6Hz和4000Hz雙極類比低通濾波器、軟體可選數位濾波器以及軟體可選積分(平均)功能。

許多荷重感測器製造商推薦使用10V的激勵電壓,這將在荷重感測器上消耗約285mW的功率(10^2/350=0.285)。這麼大的功耗將產生熱量和溫度漂移。因此,我們選擇以更低的3.3V電壓執行,對應31mW的更小功耗。

RFI耦合至感測器訊號

RFI所涉及的無線電波透過空氣耦合於導線中。這可以用Maxwell方程式來解釋,即導線#1中電流的變化會產生一個磁場流經導線#2迴路,並在該導線#2中感應電流,然後在流經電阻後轉換為電壓。RFI效應隨來源阻抗的增加而增強(來源訊號強度不足以抵抗RFI);因此,高來源阻抗和低電平測量是最大的挑戰。在實驗中將解釋訊號切換和正弦訊號如何耦合於訊號中。

On/Off切換RFI:當一根感測器導線附近的干擾訊號由低到高轉換時,產生一個向上的突波耦合於導線中;而當干擾訊號發生由高到低的轉換時,則會有一個向下的突波耦合(或者如果RFI磁通量方向相反時,則與此相反)。這正是我們有時在數位波形上看到突波的原因——它們與干擾的數位訊號或裝置的導通關斷有關。

正弦波RFI:另外,正弦波可以經由空氣傳播,並將另一個相同頻率的正弦波耦合於有用的訊號。調幅(AM)收音機接近1MHz,調頻(FM)收音機接近100MHz,這兩種正弦波眾所周知都會進入實驗室或工廠。

如何檢測RFI

建置資料擷取系統時,儘快地從一個通道進行數位化,保持所有的類比和數位低通濾波器以及積分(平均)功能均處於關閉狀態。然後以不同的水平刻度(如全螢幕時100us至50ms)觀察結果波形。即使你最終實驗是要以不同的取樣率與積分/濾波啟動的條件下數位化多個通道亦然。你也許覺得有必要開通濾波功能使訊號好看些,但現在得暫時抗拒這種誘惑,僅專注於更瞭解訊號即可。瞭解測量誤差的技巧是暫時忘掉最終目標,只進行一些簡單的實驗。圖2顯示源於200Hz方波的350uV突波,其中以166kS/s取樣速率從350Ω荷重感測器數位化8k樣本。


圖2:來自方波的高頻組成可能耦合於訊號中,產生有害的干擾

(下一頁繼續:尋找干擾源)


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