什么是光纖傳感器建模和建模的重要性

【資料簡介】

　　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量裝置的電路中出現的、無用的信號稱為噪聲，當噪聲影響電路正常工作時，該噪聲就稱為干擾。信號傳輸過程中干擾的形成必須具備三項因素，即干擾源、干擾途徑以及對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這三項中的其中任意一項采取措施。在傳感器檢測電路中比較常用的方法，是對干擾途徑及接收電路采取相應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。

　　屏蔽技術

　　利用金屬材料制成容器．將需要保護的電路包在其中，可以有效防止電場或磁場的干擾，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

　　根據電磁學原理，置于靜電場中的密閉空心導體內部無電場線，其內部各點等電位。用這個原理，以銅或鋁等導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，把需要保護的電路值r其中，使外部干擾電場不影響其內部電路，反過來，內部電路產生的電場也不會影響外電路。這種方法就稱為靜電屏蔽。例如傳感囂測量電路中，在電源變壓器的一次側和二次側之間插入一個留有縫隙的導體，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。

　　光纖傳感器對于高頻干擾磁場，利用電渦流原理，使高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內產生電渦流，消耗干擾磁場的能量，渦流磁場抵消高頻干擾磁場，從而使被保護電路免受高頻電磁場的影響。這種屏蔽法就稱為電磁屏蔽。若電磁屏蔽層接地，同時兼有靜電屏蔽的作用。傳感器的輸出電纜一般采用銅質網狀屏蔽，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，這時的電渦流現象不太明顯，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部。使被保護電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。這種屏蔽方法一般稱為低頻磁屏蔽。傳感器檢測儀器的鐵皮外殼就起低頻磁屏蔽的作用。若進一步將其接地，又同時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，因此在干擾比較嚴重的她方，可以采用復合屏蔽電纜，即外層是低頻磁屏蔽層。內層是電磁屏蔽層．達到雙重屏蔽的作用。例如電容式傳感器在實際測量時其寄生電容是必須解決的關鍵問題，否則其傳輸效率、靈敏度都要變低。必須對傳感器進行靜電屏蔽，而其電極引出線就采用雙層屏蔽技術，一般稱之為驅動電纜技術。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

　　接地技術是抑制干擾的有效技術之一，是屏蔽技術的重要保證。正確的接地能夠有效地抑制外來干擾，同時可提高測試系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)自身產生的干擾因素。接地的目的有兩個：安全性和抑制干擾。因此接地分為保護接地、屏蔽接地和信號接地。保護接地以安全為目的，傳感器測量裝置的機殼、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地形成低阻通路，以防干擾測量裝置。接地電阻應小于0．02 ？。

　　信號接地是電子裝置輸入與輸出的零信號電位的公共線，它本身可能與大地是絕緣的。信號地線又分為模擬信號地線和數字信號地線，模擬信號一般較弱，故對地線要求較高：數字信號一般較強，故對地線要求可低一些。

　　不同的傳感器檢測條件對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接地和多點按地。下面給出這兩種不同的接地處理措施。

　　一點接地

　　在低頻電路中一般建議采用一點接地，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線與零電位基準點連接：母線式接地就是采用具有一定截面積的優(yōu)質導體作為接地母線，直接接到零電位點，電路中的各功能塊的地可就近接在該母線上。這時若采用多點接地，在電路中會形成多個接地回路，當低頻信號或脈沖磁場經過這些回路時，就會引起電磁感應噪聲，由于每個接地回路的特性不同，在不同的回路閉合點就產生電位差，形成干擾。為避免這種情況，最好采用一點接地的方法。

　　傳感器與測量裝置構成一個完整的檢測系統(tǒng)，但兩者之問可能相距較遠。由于工業(yè)現場大地電流十分復雜，所以這兩部分外殼的接大地點之間的電位一般是不相同的，若將傳感器與測量裝置的零電位在兩處分別接地，即兩點接地，則會有較大的電流流過內阻很低的信號傳輸線產生壓降，造成串模干擾。因此這種情況下也應該采用一點接地方法。

　　多點接地

　　高頻電路一般建議采用多點接地。高頻時，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，不可能實現一點接地，因此可采用平面式接地方式，即多點接地方式，利用一個良好的導電平面體（如采用多層線路板中的一層）接至零電位基準點上，各高頻電路的地就近接至該導電平面體上。由于導電平面體的高頻阻抗很小，基本保證了每一處電位的一致，同時加設旁路電容等減少壓降。因此，這種情況耍采用多點接地方式。

　　濾波技術

　　濾波器是抑制交流串模干擾的有效手段之一。傳感器檢測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用。

　　RC濾波器

　　當信號源為熱電偶、應變片等信號變化緩慢的傳感器時，利用小體積、低成本的無源Rc濾波器將會對串模干擾有較好的抑制效果。但應該一提的是，Rc濾波器是以犧牲系統(tǒng)響應速度為代價來減少串模干擾的。

　　交流電源濾波器

　　電源網絡吸收了各種高、低頻噪聲，對此常用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電路所共用，為了避免通過電源內阻造成幾個電路問相互干擾，應該在每個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，研究其在被測量作用下的力學行為：包括位移、應變、應力或者振動特性；

　　光纖傳感器敏感單元幾何結構參數、物理參數、邊界條件在內的，傳感器彈性敏感元件的位移、應變、應力或者振動特性與被測量之間的函數關系，即敏感結構的力學和數學模型；

　　不同于第二部分中的傳感器特性（針對輸入輸出特性，相當于把傳感器整體作為一個“黑匣子”，用來評估傳感器總體性能。它不能告訴我們傳感器敏感結構的幾何參數、物理參數以及邊界條件如何影響傳感器的性能，自然也不會提供從傳感器敏感結構的細節(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，傳感器是多學科的密集技術，涉及的知識內容遍及許多基礎科學和技術科學。各種敏感效應的傳感器種類繁多，被測參數、測量范圍千差萬別，敏感元件結構復雜多樣

　　光纖傳感器的研究工作本身還具有很強的工程性，實用性。這要求傳感器的建模也要充分體現這一點

　　建模的過程

　　光纖傳感器第一個階段：由實際問題本質特征建立傳感器物理模型。此階段主要針對傳感器的基本工作原理進行。其特點是簡潔、明確、反映了傳感器的物理本質，模型中的每一項都具有鮮明的物理意義。

　　光纖傳感器第二個階段：由傳感器的物理模型建立其數學模型。此階段主要根據傳感器的基本工作原理，針對傳感器的敏感元件進行。其特點是包含了傳感器的幾何結構參數、物理參數、邊界條件及其他約束條件；物理特征含蓄，具有較強的抽象性。

　　光纖傳感器第三個階段：求解數學模型。物理模型的建立對傳感器整個建模工作至關重要，它既依賴于對傳感器工作機理的理解，又依賴于已有的實際工作經驗；數學模型的建立主要取決于傳感器相關的技術基礎和數學基礎，它是保證模型準確、可靠的關鍵；數學模型的求解直接影響到整個建模工作的成效和應用價值。