如何排查低压差测量中的误差问题

许多数据采集系统直接连接传感器。与所有测量系统一样，必须找出误差，并尽最大可能地减小这些误差。由于热漂移、EMI/RFI、内部噪声、走线、接地和屏蔽造成的误差都会对总的测量误差产生影响。如果知道引起误差的原因，就最大限度地减小这些误差。

本文案例中使用的是instruNeti423数字化仪，这是专为直接连接许多不同传感器而设计的多种系统之一，它可以连接比如电压传感器、电流传感器、电阻传感器、称重传感器、应变计、热电偶和热电阻(RTD)。也可以将本文所述的技术应用于其它数据采集系统。
实验使用的称重传感器可以测量0到2kg的力，内部包含4个350Ω电阻，电阻绑定在受压会弯曲的金属板上。金属板的弯曲会改变电阻值。可以将这个称重传感器想像为一个源阻抗为350Ω、接收3.3VDC激励电压并产生偏移量为1.65VDC的±10mV信号的传感器。数据采集差分放大器看到的就是±10mV，我们将评估毫伏级误差。本文中的所有图片都是来自这个装置的实际测量。图1是称重传感器的原理图。从电气角度看，称重传感器与应变计和mV/V压力传感器是一样的。

图1：应变计实质上是一个有着4个电阻的桥电路，电路两端的电压会随着金属板弯曲变形而发生改变。
我们将重点关注这些误差来源：
耦合进传感器信号的射频干扰(RFI)
耦合进传感器信号的50/60Hz电源
数据采集系统的内部噪声
热漂移和传感器不稳定性
测试装置
正常情况下，传感器通过一根屏蔽电缆连接到数据采集系统。然而出于演示射频干扰(无线电波耦合进信号线)的目的，我们切断了IN+导线，并引入了一个入侵信号和一个函数发生器。函数发生器的5Vrms输出连接到一根围着传感器IN+导线绕了10圈的裸导线。我们还在函数发生器输出端串联了一个270Ω的电阻，便于通过入侵线圈产生18mA的电流(5Vrms/270=18mArms).
我们还在第二个测量通道上连接了一个假的传感器，这个传感器与称重传感器有相同的电气特性。它包含4个在电缆末端悬浮于空中的独立薄膜电阻，函数发生器也采用与称重传感器相同的方式连接。源阻抗越高，耦合进来的射频干扰就越多。因此，假传感器具有与称重传感器相同的350Ω源阻抗。第二个通道用于识别来自称重传感器自身内部的少许不稳定性。
第三个通道用一段位于数据采集IN+与IN-端子之间以及GND与IN+之间的2cm长导线接地。这第三个通道用于确定内部系统噪声和数据采集系统本身的热漂移。所有实验都是用测量范围是±10mV的instruNeti423卡完成，并使用instruNetWorldOscilloscope/Strip图表软件。这种卡提供软件可选的6Hz和4000Hz双极模拟低通滤波器、软件可选数字滤波器和软件可选积分(平均)功能。
许多称重传感器制造商推荐使用10V的激励电压，这将在称重传感器上消耗约285mW的功率(10^2/350=0.285)。这么大的功耗将产生热量和温度漂移。因此我们选择更低的3.3V电压，对应31mW更小的功耗。
射频干扰耦合进传感器信号
射频干扰(RFI)所涉及的无线电波将通过空气耦合进导线。这可以用麦克斯韦方程来解释，即导线#1中电流的变化将产生一个磁场流过导线#2做成的环，并在导线#2中感应出一个电流，然后在经过电阻后转换为电压。RFI效应随源阻抗的增加而增强(源信号强度不足以抵抗RFI)；因此，高的源阻抗和低电平测量是最大的挑战。这里所示的实验将向你解释信号开关和正弦信号如何耦合进你的信号。
On/Off开关RFI：当一根传感器导线附近的入侵信号发生由低到高的转换时，会有一个向上的尖峰耦合进导线；当入侵信号发生由高到低的转换时，又会有一个向下的尖峰耦合(或者如果RFI磁通量是相反方向时与此相反)。这正是我们有时在数字化的波形上看到尖峰的原因——它们与入侵的数字信号或设备的导通关断有关。
正弦波RFI：另外，正弦波可以通过空气传播，并将另一个相同频率的正弦波耦合进有用信号。调幅收音机接近1MHz，调频收音机接近100MHz，两种正弦波众所周知都会进入实验室或工厂。
如何检测RFI
搭建你的数据采集系统，尽可能快地从一个通道进行数字化，保持所有的模拟和数字低通滤波器处于关闭状态，积分(平均)功能也处于关闭状态。然后以不同的水平刻度(比如全屏下100 s至50ms)观察结果波形。即使你最终实验是要以不同采样率并在积分/滤波打开的条件下数字化多个通道，也请这样做。你也许感到很有必要打开滤波功能使信号看上去好点。但目前暂时要抵抗住这种诱惑，专注于更多地了解你的信号。理解测量误差的技巧是暂时忘掉你的最终目标，并做一些简单的实验。图2显示了来自200Hz方波的350 V尖峰，其中我们以166ksamples/s的速度从350Ω称重传感器数字化了8k样本。 图2：来自方波的高频分量可能耦合进你的信号，产生有害的干扰。
寻找干扰源
在重复性的数字化示波器轨迹的同时，将附近的设备打开和关闭(比如机器，泵，电源)，观察数字化波形上的变化。如果你关闭了一台附近的电源，并注意到尖峰消失了，那么说明这个电源耦合进了你的传感器。
入侵信号通过空气传播并耦合进了你的传感器电缆吗？抑或它通过你的地线传输？尝试移动你的传感器电缆，观察对数字化波形的影响。电缆位置影响图形吗？如果有影响，那么说明空气中的射频干扰正在通过具有不同物理尺寸(不同磁通量)的环线(你的电缆)传输。由于移动电缆而发生的辐射场改变是空中传输射频干扰的迹象。增加电缆屏蔽可能有用，还可以试试下面讨论的其它几种技术。
电缆/传感器的地连接到了外部金属(比如待测设备)吗？如果连了，从物理上断开它，观察对你信号的影响。如果信号有变化，那么你就知道电流正在流过你的地线，这是数据采集地和待测设备地之间存在的交流信号引起的。这被称为“地环路”，通常可以用电气上隔离传感器的方法来解决。地之间的交流电压差通常是由于改变电源引起的，包括改变地回路上的电流以及该地线上的相关压降。地之间的典型电压差是50mVdc加上15mVac。为了用灵敏的数据采集系统测量这种情况，将IN+连接到地#1，将IN-连接到地#2，尽可能快的数字化一个通道，观察全屏时100 s至25ms刻度下的波形。
差分放大器共模抑制功能有帮助吗？数据采集系统都有差分输入电路，它们测量两个输入之间的电压差。所有差分放大器都有这样一个参数：对两个输入端上的共模信号能够抑制多少？典型的指标是60Hz时抑制80dB。这意味着两个引脚上60Hz信号的万分之一被看作差分信号。
举例来说，用裸导线连接IN+和IN-，在IN+和GND之间施加一个60Hz、1Vrms的信号，然后进行数字化，你将会在IN+和IN-之间看到60Hz100 Vrms的信号。数据采集的一个小秘密是，这种抑制性能每10倍频将下降20dB，这意味着你在600Hz时可以达到千分之一的抑制，6KHz时是百分之一，60KHz时是十分之一，再高就没有抑制效果了。数字开关(比如尖峰)所涉及的频率经常超过60KHz。因此在许多情况下，放大器共模抑制功能并没有什么帮助，特别是对数字开关引起的射频干扰而言。