仪表测量系统中的噪声干扰及其抑制方法.pdf

在工业仪表和测量系统中，噪声干扰是一种普遍存在的问题，它不仅来源于测量系统内部，还可能由于外界环境的影响而产生。这些噪声干扰的存在，会显著影响测量系统的精度和可靠性，因此，了解噪声信号的产生机理及其抑制方法对于提高测量质量至关重要。 噪声信号可以根据其特性被区分为随机性和确定性信号。噪声信号的随机性表现为热噪声或约翰逊噪声，这是一种由于电子器件中电子的随机热运动所产生的白噪声，其功率谱密度与器件的绝对温度成正比，且在宽频带测量系统中可达到数百微伏的幅值。而散粒噪声则是由半导体器件内部载流子随机扩散运动引起，属于另一种形式的白噪声。与之不同的是，确定性的干扰信号可能来自外部环境，例如由电力线路耦合产生的50Hz工频干扰信号。 在分析噪声干扰对测量精度的影响时，通常采用戴维南等效电路理论，将测量系统的传感环节等效为电源和内阻抗。通过等效电路可以进一步探讨由于噪声或干扰信号导致的测量误差。噪声和干扰信号以串模和共模的形式存在，影响测量信号。在串模干扰中，电压会加在传感环节上，使测量信号偏离理想值；而在共模干扰中，干扰电压会导致测量系统负载端电位升高，进而可能引起串模电压的产生。 噪声信号的产生可以分为内部噪声源和外部产生的噪声。内部噪声源包括器件噪声和机噪声。器件噪声主要是由电子器件的随机热运动和晶体管中载流子的随机扩散引起的散粒噪声；机噪声则是由于测量系统的不完善性，如涡街流量计中的紊流状态等因素引起的。 外部产生的噪声和干扰主要来源于大功率输配电线路和用电设备。这些干扰通常通过三种耦合方式进入测量线路：电磁耦合、静电耦合和多点接地。电磁耦合是由于测量线路与电力线路过于接近而产生较大的互感系数，从而在测量线路中感应出干扰电压；静电耦合则是由于高压电力线产生的静电场通过与测量线路的耦合电容，在测量线路中产生干扰电压；多点接地导致大功率用电设备引起的漏电流流动，影响测量系统的稳定性。 针对噪声和干扰信号的抑制方法，一般可以分为硬件滤波器设计、屏蔽技术和软件滤波等策略。在硬件上，设计合理的滤波电路可以有效滤除特定频率的噪声，如使用低通、带通、高通或陷波滤波器等。屏蔽技术通过金属材料的屏蔽作用，阻止电磁场对测量线路的干扰。此外，软件滤波，例如利用数字信号处理技术中的平均滤波、中值滤波、卡尔曼滤波等，可以在信号处理阶段对噪声进行有效抑制。 噪声干扰及其抑制方法涉及的知识点包括噪声信号的分类、等效电路模型分析、噪声产生机理、噪声干扰的影响以及抑制噪声的方法。理解这些知识点对于工程师和研究人员来说，是进行有效的噪声控制和提高测量系统性能的基础。通过对噪声干扰的深入了解和有效的抑制，可以显著提高工业仪表测量系统的准确性和可靠性。