傳感器與測試技術(shù)第六章課件

1、第6章 傳感器應(yīng)用技術(shù)6.1傳感器的選擇6.2供電電源6.3 抗干擾技術(shù)6.1 傳感器的選擇6.1.1 選擇傳感器時應(yīng)考慮的因素（1）與測量條件有關(guān)的因素：包括測量的目的、被測量的性質(zhì)、測量范圍、輸入信號的幅值、頻帶寬度、精度要求、測量所需的時間等。（2）與傳感器性能有關(guān)的因素：包括靜態(tài)性能指標(biāo)、動態(tài)性能指標(biāo)、模擬量與數(shù)字量、輸出量的數(shù)量級、負載效應(yīng)、過載保護與報警等。（3）與使用環(huán)境有關(guān)的因素：包括傳感器的安裝場所、使用環(huán)境條件（溫度、濕度、振動、電磁場等）、信號傳輸距離、現(xiàn)場提供的功率容量等。（4）與購買和維護有關(guān)的因素：包括性價比、零部件的儲存、售后服務(wù)制度、保修時間與交貨日期等。6.1

2、.2 選擇傳感器的一般步驟（1）借助于傳感器的分類表，根據(jù)被測量的性質(zhì)，找出符合用戶需要的傳感器類別，再從典型應(yīng)用中初步確定幾種傳感器。（2）借助于常用傳感器的比較表、價格表，按被測量的測量范圍、精度要求、環(huán)境要求等情況再次確定傳感器的類別。（3）借助于傳感器的產(chǎn)品目錄選型樣本或傳感器手冊，查出傳感器的規(guī)格型號和性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。6.2 供電電源6.2.1 電池 電池有錳干電池、堿性電池、鋰電池和鎳鎘電池等。 錳干電池，價格非常便宜，標(biāo)稱電壓為1.5 V，電流容量隨大小不同而異，如SUM3單節(jié)電池約為500 mAh。 堿性電池包括堿性錳電池、水銀電池和氧化銀電池，容量比錳干電池大，水銀電池與

3、氧化銀電池在放電過程中其電壓變化小，常用于基準電壓源等。 鋰電池的標(biāo)稱電壓為3 V，能量密度也比錳干電池高510倍，自放電小，可保存10年左右。 鎳鎘電池一般為可充電電池，能進行500次以上的充放電，容量為50 mAh10 Ah，標(biāo)稱電壓為1.2 V，但市場銷售的多為疊層電池，其內(nèi)阻很小，放電電壓也比錳干電池穩(wěn)定。6.2.2 穩(wěn)壓電源 穩(wěn)壓電源主要由變壓器、整流電路、濾波電容和穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。變壓器將交流電網(wǎng)220 V變成合適的交流電壓；整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓；濾波電容起濾波作用；穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定的基準電壓。下圖所示為骨外固定力測量儀的穩(wěn)壓電源。6.3 抗干擾技術(shù)6.3.1 電磁干擾

4、 在傳感器技術(shù)中，把來自測控系統(tǒng)內(nèi)部的無用信號稱為噪聲，而把來自外部的無用信號稱為干擾。工程實踐中把噪聲和干擾總稱為“干擾”。 形成電磁干擾要具備三個要素：向外發(fā)送干擾的源（噪聲源）；傳播電磁干擾的途徑（耦合通道）；承受電磁干擾的受體（受擾設(shè)備）。 為了使測控系統(tǒng)不受內(nèi)外電磁干擾，必須采取三方面的措施：消除或抑制噪聲源；切斷或破壞噪聲源與受擾設(shè)備之間的耦合通道；加強受擾設(shè)備抗電磁干擾的能力，降低其對干擾的敏感度。1噪聲及噪聲源信噪比越大，表示噪聲的影響越小。 常見的噪聲源有：各種放電現(xiàn)象的放電噪聲源、電氣設(shè)備噪聲源和固有噪聲源。固有噪聲源是由于物理性的無規(guī)則波動所造成的，如熱噪聲、粒散噪聲、接

5、觸噪聲等。自然界雷電、有觸點電器、放電管、工業(yè)用高頻設(shè)備、電力輸電線、機動車、大功率發(fā)射裝置、超聲波設(shè)備等都是常見的噪聲源。2噪聲耦合方式 噪聲耦合方式有靜電耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏電流耦合等，如圖所示。a是由電路間的寄生電容造成的b是由電路間的寄生互感造成的c是由電路的公共阻抗造成的d是由電路間的漏電流造成的靜電耦合互感耦合 阻抗耦合 漏電流耦合6.3.2 屏蔽、接地、隔離、布線與滅弧技術(shù) 在測控系統(tǒng)設(shè)計、組裝和使用中，主要通過屏蔽、接地、隔離、合理布線、滅弧、濾波和采用專門電路與器件等措施抑制干擾。1電磁屏蔽與雙絞線傳輸 電磁屏蔽就是采用高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率的材料制成封閉容器，將受擾

6、電路置于該容器中，從而抑制該容器外的干擾對容器內(nèi)電路的影響。（1）電磁屏蔽 屏蔽的結(jié)構(gòu)形式主要有屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、屏蔽銅箔、隔離倉和導(dǎo)電涂料等。屏蔽材料分電場屏蔽和磁場屏蔽材料兩類。電場屏蔽一般采用電導(dǎo)率較高的銅、鋁、銀等金屬材料，磁場屏蔽一般采用磁導(dǎo)率較高的磁材料（如鐵、鈷、鎳等）。（2）雙絞線傳輸 抑制電磁感應(yīng)干擾應(yīng)采用雙絞線，其中一根作屏蔽線，另一根用作信號傳輸線；抑制靜電感應(yīng)采用金屬網(wǎng)狀編織的屏蔽線，金屬網(wǎng)作屏蔽層，芯線用于傳輸信號。雙絞線對外來磁場干擾引起的感應(yīng)電流情況如圖所示。（3）屏蔽線與屏蔽電纜 屏蔽線是在單股導(dǎo)線的絕緣層外罩以金屬編織網(wǎng)或金屬薄膜（屏蔽層）構(gòu)成。屏蔽電纜是將幾

7、根絕緣導(dǎo)線合成一束再罩以屏蔽層構(gòu)成。屏蔽層一般接地，使其信號線不受外部電器干擾的影響。需要注意的是，屏蔽層接地應(yīng)嚴格遵守一點接地的原則，以免產(chǎn)生地線環(huán)路而使信號線中的干擾增加。2接地技術(shù) 接地通常有兩種含義：一是連接到系統(tǒng)基準地，二是連接到大地。連接到系統(tǒng)基準地是指系統(tǒng)各電路通過低阻抗導(dǎo)體與電氣設(shè)備的金屬地板或金屬外殼連接，但并不連接到大地；而連接到大地是指將電氣設(shè)備的金屬地板或金屬外殼通過低阻抗導(dǎo)體與大地連接。（1）共基準電位接地 測控系統(tǒng)中的基準電位是各電路工作的參考電位，參考電位通常選為電路中直流電源的零電位端。參考電位與大地的連接方式主要有直接接地、懸浮接地、一點接地等。直接接地適用于

8、高速、高頻和大規(guī)模的測控系統(tǒng)。 一點接地適用于低頻測控系統(tǒng)，可分為串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種方式，如圖所示。（a）串聯(lián)接地方式 （b）并聯(lián)接地方式 懸浮接地簡稱浮地，即系統(tǒng)各電路通過低阻抗導(dǎo)體與電氣設(shè)備的金屬地板或金屬外殼連接，并作為系統(tǒng)各電路的參考電位（零電位）。懸浮接地的優(yōu)點是不受大地電流的影響，內(nèi)部器件也不會因高電壓感應(yīng)而擊穿，但在高壓情況下要注意操作安全問題。（2）抑制干擾接地 電氣設(shè)備的某些部分與大地相連接可以起到抑制干擾的作用。從連接方式上講，抑制干擾接地又可分為部分接地、一點接地與多點接地、直接接地與懸浮接地等類型。（3）安全保護接地 將電氣設(shè)備的金屬地板或金屬外殼與大地連接，可消除

9、觸電危險。進行安全接地連接時，必須確保較小的接地電阻和可靠的連接方式，防止日久失效。此外，要確保獨立接地，即將接地線通過專門的低阻抗導(dǎo)線與最近處的大地連接。3隔離技術(shù) 隔離技術(shù)就是把電路上的干擾源和易受干擾的部分隔離開，使測控系統(tǒng)與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，不產(chǎn)生直接的電聯(lián)系。隔離的實質(zhì)是把引入的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。測控系統(tǒng)與現(xiàn)場干擾之間、強電與弱電之間常采用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離等。 測控系統(tǒng)中器件布局、走線方式、連接導(dǎo)線的種類、線徑的粗細、線間距離、導(dǎo)線長短、屏蔽方式及分布對稱性都與抑制干擾有關(guān)。對于印制電路板上的器件布局，原則上應(yīng)將相互有關(guān)的器件相對

10、集中。對于印制電路板上的布線，應(yīng)注意降低電源線和地線的阻抗。電路板間配線在使用扁平電纜時要注意其長度一般不應(yīng)超過傳輸信號波長的1/3。4布線5滅弧技術(shù) 為消除或減小接通或斷開電感性負載產(chǎn)生的瞬時高電壓所帶來的干擾，需要在電感性負載上并聯(lián)各種吸收浪涌電壓（或浪涌電流）并抑制電弧或火花放電的元器件。通常將這些元器件稱為滅弧元件，與此有關(guān)的技術(shù)稱為滅弧技術(shù)。常用的滅弧元件有RC回路、泄放二極管 、硅堆整流器 、壓敏電阻 、雪崩二極管 等，其連接電路如圖所示。6.3.3 電源干擾抑制技術(shù)1電網(wǎng)干擾抑制技術(shù) 抑制電網(wǎng)干擾的措施可采用線路濾波器、切斷噪聲變壓器等。線路濾波器實質(zhì)上是一個交流電源濾波器，如圖所示。 切斷噪聲變壓器（Noise Cutout Transformer，NCT）的結(jié)構(gòu)、鐵芯材料、形狀以及線圈位置都比較特殊，可以