什么是光纖傳感器建模和建模的重要性

【資料簡(jiǎn)介】

　　什么是光纖傳感器建模和建模的重要性

　　在光纖傳感器電子測(cè)量裝置的電路中出現(xiàn)的、無用的信號(hào)稱為噪聲，當(dāng)噪聲影響電路正常工作時(shí)，該噪聲就稱為干擾。信號(hào)傳輸過程中干擾的形成必須具備三項(xiàng)因素，即干擾源、干擾途徑以及對(duì)噪聲敏感性較高的接收電路。因此消除或減弱噪聲干擾的方法可以針對(duì)這三項(xiàng)中的其中任意一項(xiàng)采取措施。在傳感器檢測(cè)電路中比較常用的方法，是對(duì)干擾途徑及接收電路采取相應(yīng)的措施以消除或減弱噪聲干擾。下面介紹幾種常用的、行之有效的抗干擾技術(shù)。

　　屏蔽技術(shù)

　　利用金屬材料制成容器．將需要保護(hù)的電路包在其中，可以有效防止電場(chǎng)或磁場(chǎng)的干擾，此種方法稱為屏蔽。屏蔽又可分為靜電屏蔽、電磁屏蔽和低頻磁屏蔽等。

　　靜電屏蔽

　　根據(jù)電磁學(xué)原理，置于靜電場(chǎng)中的密閉空心導(dǎo)體內(nèi)部無電場(chǎng)線，其內(nèi)部各點(diǎn)等電位。用這個(gè)原理，以銅或鋁等導(dǎo)電性良好的金屬為材料，制作密閉的金屬容器，并與地線連接，把需要保護(hù)的電路值r其中，使外部干擾電場(chǎng)不影響其內(nèi)部電路，反過來，內(nèi)部電路產(chǎn)生的電場(chǎng)也不會(huì)影響外電路。這種方法就稱為靜電屏蔽。例如傳感囂測(cè)量電路中，在電源變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)之間插入一個(gè)留有縫隙的導(dǎo)體，并把它接地，可以防止兩繞組之問的靜電耦合，這種方法就屬于靜電屏蔽。

　　光纖傳感器對(duì)于高頻干擾磁場(chǎng)，利用電渦流原理，使高頻干擾電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生電渦流，消耗干擾磁場(chǎng)的能量，渦流磁場(chǎng)抵消高頻干擾磁場(chǎng)，從而使被保護(hù)電路免受高頻電磁場(chǎng)的影響。這種屏蔽法就稱為電磁屏蔽。若電磁屏蔽層接地，同時(shí)兼有靜電屏蔽的作用。傳感器的輸出電纜一般采用銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽，既有靜電屏蔽又有電磁屏蔽的作用。屏蔽材料必須選擇導(dǎo)電性能良好的低電阻材料，如銅、鋁或鍍銀銅等。

　　低頻磁屏蔽

　　干擾如為低頻磁場(chǎng)，這時(shí)的電渦流現(xiàn)象不太明顯，只用上述方法抗干擾效果并不太好，因此必須采用采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便把低頻干擾磁感線限制在磁阻很小的磁屏蔽層內(nèi)部。使被保護(hù)電路免受低頻磁場(chǎng)耦合干擾的影響。這種屏蔽方法一般稱為低頻磁屏蔽。傳感器檢測(cè)儀器的鐵皮外殼就起低頻磁屏蔽的作用。若進(jìn)一步將其接地，又同時(shí)起靜電屏蔽和電磁屏蔽的作用。

　　基于以上三種常用的屏蔽技術(shù)，因此在干擾比較嚴(yán)重的她方，可以采用復(fù)合屏蔽電纜，即外層是低頻磁屏蔽層。內(nèi)層是電磁屏蔽層．達(dá)到雙重屏蔽的作用。例如電容式傳感器在實(shí)際測(cè)量時(shí)其寄生電容是必須解決的關(guān)鍵問題，否則其傳輸效率、靈敏度都要變低。必須對(duì)傳感器進(jìn)行靜電屏蔽，而其電極引出線就采用雙層屏蔽技術(shù)，一般稱之為驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)。用這種方法可以有效的克服傳感器在使用過程中的寄生電容。

　　接地技術(shù)

　　接地技術(shù)是抑制干擾的有效技術(shù)之一，是屏蔽技術(shù)的重要保證。正確的接地能夠有效地抑制外來干擾，同時(shí)可提高測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾因素。接地的目的有兩個(gè)：安全性和抑制干擾。因此接地分為保護(hù)接地、屏蔽接地和信號(hào)接地。保護(hù)接地以安全為目的，傳感器測(cè)量裝置的機(jī)殼、底盤等都要接地。要求接地電阻在10 ？以下。屏蔽接地是干擾電壓對(duì)地形成低阻通路，以防干擾測(cè)量裝置。接地電阻應(yīng)小于0．02 ？。

　　信號(hào)接地是電子裝置輸入與輸出的零信號(hào)電位的公共線，它本身可能與大地是絕緣的。信號(hào)地線又分為模擬信號(hào)地線和數(shù)字信號(hào)地線，模擬信號(hào)一般較弱，故對(duì)地線要求較高：數(shù)字信號(hào)一般較強(qiáng)，故對(duì)地線要求可低一些。

　　不同的傳感器檢測(cè)條件對(duì)接地的方式也有不同的要求，必須選擇合適的接地方法，常用接地方法有一點(diǎn)接地和多點(diǎn)按地。下面給出這兩種不同的接地處理措施。

　　一點(diǎn)接地

　　在低頻電路中一般建議采用一點(diǎn)接地，它有放射式接地線和母線式接地線路。放射式接地就是電路中各功能電路直接用導(dǎo)線與零電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接：母線式接地就是采用具有一定截面積的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體作為接地母線，直接接到零電位點(diǎn)，電路中的各功能塊的地可就近接在該母線上。這時(shí)若采用多點(diǎn)接地，在電路中會(huì)形成多個(gè)接地回路，當(dāng)?shù)皖l信號(hào)或脈沖磁場(chǎng)經(jīng)過這些回路時(shí)，就會(huì)引起電磁感應(yīng)噪聲，由于每個(gè)接地回路的特性不同，在不同的回路閉合點(diǎn)就產(chǎn)生電位差，形成干擾。為避免這種情況，最好采用一點(diǎn)接地的方法。

　　傳感器與測(cè)量裝置構(gòu)成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，但兩者之問可能相距較遠(yuǎn)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大地電流十分復(fù)雜，所以這兩部分外殼的接大地點(diǎn)之間的電位一般是不相同的，若將傳感器與測(cè)量裝置的零電位在兩處分別接地，即兩點(diǎn)接地，則會(huì)有較大的電流流過內(nèi)阻很低的信號(hào)傳輸線產(chǎn)生壓降，造成串模干擾。因此這種情況下也應(yīng)該采用一點(diǎn)接地方法。

　　多點(diǎn)接地

　　高頻電路一般建議采用多點(diǎn)接地。高頻時(shí)，即使一小段地線也將有較大的阻抗壓降，加上分布電容的作用，不可能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地，因此可采用平面式接地方式，即多點(diǎn)接地方式，利用一個(gè)良好的導(dǎo)電平面體（如采用多層線路板中的一層）接至零電位基準(zhǔn)點(diǎn)上，各高頻電路的地就近接至該導(dǎo)電平面體上。由于導(dǎo)電平面體的高頻阻抗很小，基本保證了每一處電位的一致，同時(shí)加設(shè)旁路電容等減少壓降。因此，這種情況耍采用多點(diǎn)接地方式。

　　濾波技術(shù)

　　濾波器是抑制交流串模干擾的有效手段之一。傳感器檢測(cè)電路中常見的濾波電路有Rc濾波器、交流電源濾波器和真流電源濾波器。下面介紹這幾種濾波電路的應(yīng)用。

　　RC濾波器

　　當(dāng)信號(hào)源為熱電偶、應(yīng)變片等信號(hào)變化緩慢的傳感器時(shí)，利用小體積、低成本的無源Rc濾波器將會(huì)對(duì)串模干擾有較好的抑制效果。但應(yīng)該一提的是，Rc濾波器是以犧牲系統(tǒng)響應(yīng)速度為代價(jià)來減少串模干擾的。

　　交流電源濾波器

　　電源網(wǎng)絡(luò)吸收了各種高、低頻噪聲，對(duì)此常用Lc濾波器來抑制混入電源的噪聲。

　　直流電源濾波器

　　直流電源往往為幾個(gè)電路所共用，為了避免通過電源內(nèi)阻造成幾個(gè)電路問相互干擾，應(yīng)該在每個(gè)電路的直流電源上加上Rc或Lc退耦濾波器，用來濾除低頻噪聲。

　　光纖傳感器中的彈性敏感元件，研究其在被測(cè)量作用下的力學(xué)行為：包括位移、應(yīng)變、應(yīng)力或者振動(dòng)特性；

　　光纖傳感器敏感單元幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理參數(shù)、邊界條件在內(nèi)的，傳感器彈性敏感元件的位移、應(yīng)變、應(yīng)力或者振動(dòng)特性與被測(cè)量之間的函數(shù)關(guān)系，即敏感結(jié)構(gòu)的力學(xué)和數(shù)學(xué)模型；

　　不同于第二部分中的傳感器特性（針對(duì)輸入輸出特性，相當(dāng)于把傳感器整體作為一個(gè)“黑匣子”，用來評(píng)估傳感器總體性能。它不能告訴我們傳感器敏感結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、物理參數(shù)以及邊界條件如何影響傳感器的性能，自然也不會(huì)提供從傳感器敏感結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)方面來改善其性能的辦法。

　　建模的重要性

　　定量研究傳感器一方面，傳感器是多學(xué)科的密集技術(shù)，涉及的知識(shí)內(nèi)容遍及許多基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)。各種敏感效應(yīng)的傳感器種類繁多，被測(cè)參數(shù)、測(cè)量范圍千差萬別，敏感元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣

　　光纖傳感器的研究工作本身還具有很強(qiáng)的工程性，實(shí)用性。這要求傳感器的建模也要充分體現(xiàn)這一點(diǎn)

　　建模的過程

　　光纖傳感器第一個(gè)階段：由實(shí)際問題本質(zhì)特征建立傳感器物理模型。此階段主要針對(duì)傳感器的基本工作原理進(jìn)行。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、明確、反映了傳感器的物理本質(zhì)，模型中的每一項(xiàng)都具有鮮明的物理意義。

　　光纖傳感器第二個(gè)階段：由傳感器的物理模型建立其數(shù)學(xué)模型。此階段主要根據(jù)傳感器的基本工作原理，針對(duì)傳感器的敏感元件進(jìn)行。其特點(diǎn)是包含了傳感器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理參數(shù)、邊界條件及其他約束條件；物理特征含蓄，具有較強(qiáng)的抽象性。

　　光纖傳感器第三個(gè)階段：求解數(shù)學(xué)模型。物理模型的建立對(duì)傳感器整個(gè)建模工作至關(guān)重要，它既依賴于對(duì)傳感器工作機(jī)理的理解，又依賴于已有的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)；數(shù)學(xué)模型的建立主要取決于傳感器相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，它是保證模型準(zhǔn)確、可靠的關(guān)鍵；數(shù)學(xué)模型的求解直接影響到整個(gè)建模工作的成效和應(yīng)用價(jià)值。