接地和屏蔽注意事项——热电偶、应变计和低电平电路

　　导言

　　信噪比

　　电干扰在所有测量系统中都有一定程度的存在。仪器工程师通常设计系统，使被测信号比伴随信号的干扰大得多，不管这种干扰源是什么。它们将此参数指定为信噪比，并通常以分贝为单位进行测量.就电压而言，dB=20 log(V2/V1)，其中V2大于V1，V1是噪声级。

　　例如，120分贝是1，000，000：1的比率，160分贝是100，000，000：1，对于snr来说是非常可观的数字。仪器制造商为了使设备无噪音和高质量而遵循的设计规则包括正确的电路设计和印刷电路板上的布局以及接地、屏蔽和防护。一种常见的测量低电平信号的方法可能存在噪声问题，那就是使用差分输入放大器。

　　这种电路的拓扑结构倾向于消除某些类型的噪声。两端传感器的两个端子连接到差分放大器输入端，屏蔽和保护电路通常连接到信号接地和特殊保护屏蔽端子。这样就消除了传感器和仪器输入放大器之间的电流，后者可以产生噪声信号。使用差分输入时的一个缺点是，与单端配置相比，只有一半的传感器输入可用。也就是说，一个差分放大器消耗两个单端输入连接。

　　讨论

　　高信噪比对应变计和热电偶特别重要，与大多数传感器相比，它们的信号水平相对较低。这些传感器处理毫伏和微伏，信号已经接近在测试装置中可以测量到的典型噪声水平的值。相比之下，许多传感器具有1V、5V和10V的标准输出电平。

　　因此，10V比1微伏为10/0.000001，即一千万到一或二十测井(10/0.000001)=20测井(10，000000)=20(7)=140分贝。但是，与1微伏级的噪声相比，1.0毫伏的信号要严重得多。这里，0.001V是比较0.000001V，或20 log(0.001/0.000001)=20 log(1，000)=20(3)=60 dB。换句话说，第一个例子的信噪比是1000万比1，第二个例子的信噪比是1000比1。因此，在低电平信号电路中，保持高的信噪比是至关重要的，以防止被测变量被污染或产生不准确的结果。

　　程序

　　数据采集系统设计人员试图利用现有资源在设备内获得尽可能高的信噪比，但用户在减少噪声信号和最大限度地提高仪器测量精度方面也负有同等的责任。用户控制下对降低噪声水平、提高信噪比和提高精度有重要作用的几个因素包括传感器引线长度、接地点和屏蔽的应用以及铜线的温度系数。

　　一般预防措施

　　传感器和放大器输入之间的短引线是最小化噪声的首要考虑因素。长引线作为天线，可以接收各种电磁干扰。尽管应变计和热电偶具有低阻抗的特点，但使用短引线并将它们缠绕在一起仍然是很好的做法。图1说明了无屏蔽并行线将信号源连接到放大器输入端的情况。平行导线通过辐射导线的感应拾取噪声，主要是因为相互感应M1和M2不相等，距离d1和d2也不相等。

　　图2显示了如何通过扭转导线来消除或最小化干扰噪声。此外，热电偶应该使用热电偶引线而不是普通的铜线，因为TC导线是专为这一应用而设计的。

　　在大多数情况下，特殊的引线可能来自热电偶制造商或供应商。

　　第二个考虑是地面点。通常，地面连接要么是在放大器输入端，要么是传感器，但绝对不是两者兼而有之。当两个设备接地时，一个小但可测量的“接地回路”电流可以在它们之间流动，并在放大器输入端子处以不想要的噪声信号表现出来。最好的政策是遵循制造商对其特定仪器和传感器的接地建议。

　　图3中的电路显示了地球地#1和地#2之间的电位差。因此，当屏蔽、传感器返回和传感器屏蔽全部接地在接地#1和屏蔽的另一端、传感器返回、通用放大器终端和放大器底盘连接到接地#2时，产生两条接地环路路径。一个循环电流通过屏蔽导体，另一个流经信号返回(或公共)导线。

　　图4显示，当接地连接从接地#2移除时，通过屏蔽的接地环电流被消除。同样，当从放大器的终端2移除接地时，消除信号返回路径中的环路电流。此外，用铜、铝和锡屏蔽的导线可以最大限度地减少大部分的电气干扰，但在可能存在强磁场的情况下，可能需要用铁材料来屏蔽导线。单用铜或铝屏蔽可能不够有效。此外，接地这些屏蔽需要与其他屏蔽一样小心，以尽量减少地面回路电流，可以作为信号出现放大器输入端子。

　　铜丝具有较高的电阻温度系数。然而，当传感器信号太大时，由于导线的温度系数而引起的阻抗变化，往往被忽略。但在高阻抗、低电平电路或长引线电路中，导线本身或温度的变化对测量的影响可达10%或10%以上。然而，在许多情况下，电线电阻效应可以通过使用一个四线系统来消除，其中一对是“兴奋”线，另一对是“感觉”线，例如在桥接电路中。

      热电偶

　　热电偶应在可能的情况下与被测试的设备电隔离，以避免接地回路电流、共模电压问题和感应电压或电流。然而，大多数热电偶仪器放大器提供安装在等温块上的不接地温度基准输入端子，以帮助将此类噪声问题降至最低。例如，图5显示了温度补偿等温块和输入连接到IOTECDBK 81™系列热电偶放大器。

　　当热电偶引线必须被屏蔽时，使用输入到放大器的屏蔽连接，不要将屏蔽的另一端(在被测试的设备上)连接到地面。然而，当热电偶必须接地时，使用相同的接地端子连接到屏蔽，而不使用放大器端的屏蔽连接。(请记住，盾牌不能两端接地。)

　　应变计

　　应变计(经常是热电偶)被机械地、有时电地固定在被测试的设备上。这种布置可以为接地回路电流和共模电压噪声信号设置路径.使用非感应型应变计，并只在传感器端接地屏蔽。使用数据采集系统的差分输入端子，并确保两个终端都不是无意中通过一个不显眼的“潜行电路”接地的。

　　图6是一个例子，在这种情况下，选择差分放大器输入，但电缆屏蔽连接到放大器公共。信号接地与系统接地之间出现共模电压ECM.电缆屏蔽中的分布电容将放大器输入阻抗分流到地面，并通过信号源设置噪声电流(ICM)路径。

　　在放大器输入端，将屏蔽与系统接地的连接移除，并将屏蔽与传感器处的信号接地连接，如图7所示，减少电缆电容的影响，并防止共模电流ICM流过信号源。这样大大提高了系统的共模抑制率。

　　应变计和其他与应变计模块一起使用的电桥电路，如IOTECWBK 16™通常不接地。WBK 16使用由隔离和限流电源提供的励磁电压的差分输入放大器，以帮助最小化噪声问题。但是，当应变计线需要屏蔽时，请使用高质量的电缆，如CA-177应变片电缆，并将屏蔽连接到DB9金属外壳上。外壳不返回共同接地，因此共模电压和电流不能干扰被测信号。另外，使用双绞线作为信号输入、激励输出和遥感器输入。

　　请参见图8，WBK 16的框图，以获得一个显示与全桥应变计连接的示例。有时，上述一些预防措施不能默示地遵循。当有疑问时，最好的方法是使用数据采集系统的差分输入终端，而不是单端输入，并将屏蔽连接到传感器或信号源公共终端。

　　其他考虑

　　信号源的阻抗应远低于放大器的输入阻抗，以保证较高的系统精度。当信号源阻抗接近零时，噪声信号对放大器的振幅也是如此。然而，在大多数情况下，用户不必担心这些问题。大多数数据采集系统制造商都考虑过这种负载问题，并提供了匹配传感器和特殊电路的特定信号调理放大器。

　　例如，信号调理器可用于热电偶和应变计，提供适当的阻抗匹配和温度补偿。然而，在具有测量电压、电流和电阻等一般功能的信号调理器中，不一定要指定传感器或信号源，用户应该咨询数据采集系统制造商，以确保他们购买合适的信号调理放大器。

　　例如，并不是所有的通用电压放大器都被设计成与应变计、桥电路和其他一些传感器或电路一起工作，特别是那些可能超过放大器输入的共模电压额定值的传感器或电路。与应用程序工程师讨论您的测试设置也是一个好主意，以确保您的数据采集系统能够正确地连接到信号源，即使您确信您已经做出了正确的决定。

　　源阻抗计算

　　对于非指定电压和电流测量，必须知道源阻抗，以便选择适当的信号调理器。通常，换能器制造商提供一张数据表，其中包括指定其阻抗及其确定方法的设备。当没有这种方法时，可以使用一些经验方法来确定源阻抗。图9所示的一种方法是用已知的高阻抗伏特计测量开路电压输出。

　　接下来，将已知的阻抗连接到相同的终端，并测量负载下的电压和电流。(确保所选择的阻抗不低到导致电流超过设备的额定值。)源(内)阻抗可由方程计算：

ZI=Ze(V2-V1)/V2
其中：ZI=内阻抗，欧姆
ZE=已知的外部阻抗，欧姆
V1=测量的开路输出电压，V
V2=测量的闭路输出电压，V

　　典型环境和提示

　　电动机、发电机和大型变压器都会带来独特的问题。大的电磁场可能耦合到传感器引线上，产生噪声。当用加速度计测量电机或发电机振动时，放大器输入端可使用陷波滤波器消除可能诱发的60 Hz信号。当感兴趣的振动频率在数百赫兹范围内时，这不是一个问题。

　　除了交流干扰，直流电机和发电机也产生干扰磁场。使用上述相同的屏蔽建议，使用适合于环境的铜、铝和铁材料。