傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第2版)李增國(guó)主編 第二章

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)（第3版）信息工程系 侯遠(yuǎn)材和課程安排教材和課程安排 課程安排課程安排講講 課課 6464 課時(shí)課時(shí)習(xí)題課習(xí)題課 6 6 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)復(fù)習(xí)課復(fù)習(xí)課 2 2 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)總總 計(jì)計(jì) 7 72 2 學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)目 錄0 緒論1 傳感器簡(jiǎn)論 2 傳感器測(cè)量電路 3 電阻式傳感器4 電容式傳感器5 電感式傳感器6 壓電式傳感器7 霍爾式傳感器8 熱電偶傳感器9 光電式傳感器10 數(shù)字式傳感器11 新型傳感器12 傳感器實(shí)驗(yàn)2.1 傳感器測(cè)量電路的作用2.2 傳感器測(cè)量電路的類(lèi)型及組成2.3 噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測(cè)量電路2 2.1.1傳感器測(cè)量電路的作用2.2 傳

2、感器測(cè)量電路的類(lèi)型及組成2.3 噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測(cè)量電路 傳感器傳感器測(cè)量電路的基本概念及要求測(cè)量電路的基本概念及要求1.傳感器輸出信號(hào)的形式有模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)2.傳感器輸出信號(hào)的種類(lèi)有電壓、電流、電阻、電容、電感及頻率3.傳感器的動(dòng)態(tài)范圍大4.輸出的信號(hào)一般較弱5.傳感器內(nèi)部存在噪聲，輸出的信號(hào)與噪聲混合在一起6.傳感器的大部分輸出和輸入關(guān)系曲線為線性7.傳感器的輸出信號(hào)易受溫度影響測(cè)量電路的作用測(cè)量電路的作用 測(cè)量電路的作用測(cè)量電路的作用 阻抗匹配問(wèn)題阻抗匹配問(wèn)題 （在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)電路中的電流所起的在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)電路中的電流

3、所起的阻礙作用叫做阻抗阻礙作用叫做阻抗）滿足精度和可靠性的要求滿足精度和可靠性的要求放大器的放大倍數(shù)要滿足顯示器和放大器的放大倍數(shù)要滿足顯示器和A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或I/O接口對(duì)輸入電壓的要求接口對(duì)輸入電壓的要求元器件應(yīng)滿足使用環(huán)境的要求元器件應(yīng)滿足使用環(huán)境的要求應(yīng)考慮溫度影響以及電磁場(chǎng)的干擾應(yīng)考慮溫度影響以及電磁場(chǎng)的干擾測(cè)量電路的要求測(cè)量電路的要求測(cè)量電路需要考慮的因素： 電路的結(jié)構(gòu)，電源電壓和功耗要與系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)電路的結(jié)構(gòu)，電源電壓和功耗要與系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)2.1 傳感器測(cè)量電路的作用2.3 噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測(cè)量電路2 2.2 .2 傳感器測(cè)量電路的類(lèi)型及組成傳感器測(cè)量電路的類(lèi)型

4、及組成測(cè)量電路模擬電路模擬電路開(kāi)關(guān)型測(cè)量電路開(kāi)關(guān)型測(cè)量電路數(shù)字式測(cè)量電路數(shù)字式測(cè)量電路測(cè)量電路類(lèi)型 由于傳感器品種繁多，輸出信號(hào)的形式各不相同，因此輸出特性也不相同。模擬電路 模擬電路是傳感器測(cè)量電路最常用、最基本的電路，當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為動(dòng)態(tài)的電阻、電容和電感等電參數(shù)時(shí)，或以電壓、電荷、電量變化時(shí)，通常由模擬電路將信號(hào)按模擬電路的制式傳輸?shù)綔y(cè)量系統(tǒng)的終端。振蕩器振蕩器電源電源根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的類(lèi)型選擇合適的測(cè)量電路 傳感器輸出為電參量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路；如果輸出的是變化的電參數(shù)，則需要基本電路將其轉(zhuǎn)換成電參量。常用的基本轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路、分壓電路、運(yùn)算電路和脈沖調(diào)制電路。

5、 為了提高信號(hào)的抗干擾能力，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。（調(diào)制是利用被測(cè)的低頻信號(hào)去控制高頻震蕩中的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率、相位）使其隨被測(cè)低頻信號(hào)的變化而變化） 量程切換電路是為適應(yīng)不同測(cè)量范圍的參數(shù)需要而設(shè)置的 有些參數(shù)，要求數(shù)字顯示或送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，需要采用A/D轉(zhuǎn)換電路開(kāi)關(guān)型測(cè)量電路傳感器的輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)信號(hào)（如光線的通斷信號(hào)或電觸點(diǎn)通斷信號(hào)等）時(shí)的測(cè)量電路稱為開(kāi)關(guān)型測(cè)量電路。放大信號(hào)的生成與消失正是在有關(guān)器件觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)過(guò)程中完成的。數(shù)字式測(cè)量電路 傳感器的輸出經(jīng)放大、整形以后成為數(shù)字脈沖信號(hào)。為了提高傳感器的分辨力，常采用細(xì)分電路使傳感器的輸出在一個(gè)變化周期內(nèi)不是只輸出一個(gè)脈沖，而是

6、輸出n個(gè)脈沖，n為細(xì)分?jǐn)?shù)。數(shù)字式測(cè)量電路典型的組成框圖根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的不同，相應(yīng)的接口方式有：根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的不同，相應(yīng)的接口方式有：（1）模擬量接口傳感器輸出信號(hào) 放大 取樣/保持 模擬多路開(kāi)關(guān) A/D轉(zhuǎn)換 I/O接口 計(jì)算機(jī)（2）開(kāi)關(guān)量接口開(kāi)關(guān)型傳感器輸出（邏輯1或0） 緩沖器 計(jì)算機(jī)（3）數(shù)字量接口數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號(hào)（二進(jìn)制代碼、BCD碼及脈沖序列） 計(jì)數(shù)器 緩沖器 計(jì)算機(jī)2.1 傳感器測(cè)量電路的作用2.2 傳感器測(cè)量電路的類(lèi)型及組成2 2.3 .3 噪聲與抗干擾技術(shù)噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測(cè)量電路 靈敏度不要選的太高。 降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的功率。 對(duì)于噪聲

7、干擾問(wèn)題，一要解決噪聲的來(lái)源問(wèn)題，二要解決噪聲信號(hào)是如何進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的。為了為了減小減小誤差誤差噪聲與抗干擾技術(shù)噪聲與抗干擾技術(shù)在傳感器電路的信號(hào)輸入/輸出轉(zhuǎn)換過(guò)程中，所出現(xiàn)的與被測(cè)量無(wú)關(guān)的隨機(jī)信號(hào)，稱為噪聲。噪聲噪聲性質(zhì)性質(zhì)噪聲噪聲噪聲干擾通常有噪聲干擾通常有3個(gè)要素：個(gè)要素：1.噪聲源2.通道（噪聲源到接收電路之間的耦合電路）3.接收電路（對(duì)噪聲比較敏感的電路）噪聲形成干擾的途徑噪聲源噪聲源噪聲可以分為外部干擾噪聲和內(nèi)部干擾噪聲噪聲可以分為外部干擾噪聲和內(nèi)部干擾噪聲1.內(nèi)部干擾噪聲內(nèi)部干擾噪聲傳感器測(cè)量裝置元器件的性能或電氣參數(shù)隨機(jī)變動(dòng)時(shí)對(duì)傳感器及其測(cè)量電路形成的干擾。常見(jiàn)的內(nèi)部干擾噪聲有

8、：電阻中自由電子和不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所引起的電阻熱噪聲；由半導(dǎo)體內(nèi)帶電粒子的不規(guī)則和不連續(xù)運(yùn)動(dòng)引起的半導(dǎo)體散彈噪聲；兩種材料之間的不完全接觸所引起的接觸噪聲。2.外部干擾噪聲外部干擾噪聲機(jī)械振動(dòng)或沖擊，使傳感器中的元器件發(fā)生振動(dòng)變形引起的噪聲；射線輻射干擾引起的噪聲及測(cè)量裝置以外的各種因素引起的噪聲；電氣設(shè)備、高壓電網(wǎng)、雷電和放電器等的火花放電、弧光放電、電暈放電、輝光放電產(chǎn)生的放電噪聲；由工頻、高頻、射頻等大功率設(shè)備、電子開(kāi)關(guān)、脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電磁噪聲；以及環(huán)境、濕度、光照、振動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境噪聲等。耦合通道（耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的電路元件或電網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過(guò)相互作

9、用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。）干擾噪聲進(jìn)入傳感器及其測(cè)量電路的通道，通常是以對(duì)干擾信號(hào)的耦合方式進(jìn)行的。1.電容性耦合（由信號(hào)之間的分布電容產(chǎn)生的耦合，即兩個(gè)電路之間存在的寄生電容，可使一個(gè)電路的電荷變化影響到另一個(gè)電路）2. 共阻性耦合（由于兩個(gè)電路共有阻抗，當(dāng)一個(gè)電路有電流過(guò)時(shí)，通過(guò)共有阻抗在另一個(gè)電路中產(chǎn)生干擾電壓）3. 漏電流耦合（由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流引起的噪聲干擾）漏電流耦合干擾發(fā)生的情況：（1）傳感器測(cè)量較高的直流電壓時(shí)（2）傳感器附近有較高的直流電壓時(shí)（3）高輸入阻抗的直流放大電路抗干擾技術(shù)1.靜電屏蔽：以銅或鋁等導(dǎo)電性良好的金屬材料，制作封閉的金屬容器，并與

10、地線相連接，把需要屏蔽的電路置于其中，使外部的干擾電場(chǎng)不影響內(nèi)部的電路；反過(guò)來(lái)，內(nèi)部產(chǎn)生的電力線也無(wú)法去影響外電路。靜電屏蔽的容器上允許有較小的空洞（作為引線孔）2.磁屏蔽：對(duì)于低頻磁場(chǎng)的干擾，可以采用強(qiáng)磁材料做成屏蔽體對(duì)干擾信號(hào)加以屏蔽。3.接地：測(cè)量裝置接地有兩個(gè)目的，一是為了安全；二是為了給裝置的電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓，并給高頻形成的干擾提供一個(gè)工作接地。測(cè)量裝置中的地線，除特別說(shuō)明接大地外，一般都是指作為電信號(hào)的基準(zhǔn)電位的信號(hào)地線。信號(hào)地線是各級(jí)電路中靜態(tài)、動(dòng)態(tài)電流的通道。4.浮置：又稱浮空、浮接。指的是測(cè)量裝置中信號(hào)放大器的公共線不接地也不接機(jī)殼，而采用懸浮起來(lái)的方式。浮置與接地是兩種正好相反的抗干擾手段，前者是阻斷噪聲干擾通道，而后者是給噪聲干擾信號(hào)提供一個(gè)良好的接地通道，測(cè)量裝置一旦被浮置后，將明顯增大系統(tǒng)公共線與地之間的阻抗，反而大大減少共模干擾電流，起到減少或抑制干擾的作用。5.光電耦合：由于兩個(gè)電路之間采用光電耦合，所以能把兩個(gè)電路的地電位完全隔開(kāi)。這樣，即使兩個(gè)電路的地電位不同也不會(huì)造成干擾。濾波技術(shù)：濾波器是抑制噪聲干擾的重要技術(shù)之一。所謂濾波技術(shù)就是用電容和電感線圈或電容和電阻