北航傳感器原理6

1、傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)及及應(yīng)用應(yīng)用傳感器的特性（三）傳感器的特性（三）李李成成2013.03.282013.03.28 思考題思考題1(1(第第2 2講：傳感器的特性講：傳感器的特性) )1 1. .主要靜態(tài)主要靜態(tài)性能指標(biāo)：線性度性能指標(biāo)：線性度? ?2 2. .求解線性度的參考直線？求解線性度的參考直線？課程回顧：課程回顧：3 3. . 主要靜態(tài)性能指標(biāo)主要靜態(tài)性能指標(biāo)：遲滯？：遲滯？School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci.

2、 & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法p 敏感機(jī)理敏感機(jī)理p 器件缺陷器件缺陷p 轉(zhuǎn)換電路（電、熱、磁轉(zhuǎn)換電路（電、熱、磁）School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.光電位置探測(cè)器是一種能測(cè)量光點(diǎn)在探測(cè)器表面上連續(xù)位置的光學(xué)探測(cè)器。 當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD 將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光點(diǎn)在 PSD 的位置。入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小對(duì) PSD 的位置輸出信號(hào)均無關(guān)。PSD 的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心”

3、位置有關(guān)。 PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維PSD可測(cè)光點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)。 PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成，P型層在表面，N型層在底面，I層在中間。落在PSD上的入射光轉(zhuǎn)換成光電子后由P型兩端電極輸出光電流I1和I2。因電荷通過的P型層是一均勻的電阻，所以光電流與光的入射點(diǎn)到電極間的距離成反比。2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.6當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點(diǎn)的距離為xA時(shí)，在入射位置上產(chǎn)生與入

4、射輻射成正比的信號(hào)電荷，此電荷形成的光電流通過電阻p型層分別由電極1與2輸出。設(shè)p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過n型層上電極的電流I0為I1和I2之和。 I0= I1+I2 PSDPSD器件結(jié)構(gòu)示意圖器件結(jié)構(gòu)示意圖LIIIIx12122.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.PSDPSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)PSDPSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)示意圖測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)示意圖2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪

5、聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.PSDPSD測(cè)量三軸坐標(biāo)測(cè)量三軸坐標(biāo)2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.PSDPSD與與CCDCCDPSD利用進(jìn)入光接收元件光接收元件的整個(gè)光點(diǎn)的光量分布的整個(gè)光點(diǎn)的光量分布來測(cè)定光點(diǎn)中心，并將其確定為目標(biāo)物位置。但光量分布受目標(biāo)物表面狀況的影響，造成測(cè)量偏差。CCD 檢測(cè)每個(gè)像素上光每個(gè)像素上光 點(diǎn)的光量分布點(diǎn)的光量分布峰值峰值，并其確定為目標(biāo)物位置。

6、光光接收元件上的光點(diǎn)光量分布接收元件上的光點(diǎn)光量分布2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法p 被測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)（多干擾因素耦合）、不一致性被測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)（多干擾因素耦合）、不一致性p 機(jī)械噪聲、熱噪聲、電磁噪聲、特殊應(yīng)用機(jī)械噪聲、熱噪聲、電磁噪聲、特殊應(yīng)用p 機(jī)械配合、電路連接、儀器屏蔽機(jī)械配合、電路連接、儀器屏蔽School of Instru. Sci. & Opto-electro. En

7、g.外部噪聲耦合外部噪聲耦合的途徑的途徑耦合通道傳導(dǎo)耦合經(jīng)公共阻抗耦合電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合電容性耦合電感性耦合2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.平行導(dǎo)線容性耦合平行導(dǎo)線容性耦合若導(dǎo)線2為信號(hào)端，與放大器輸入端相連，那么便構(gòu)成敏感電路。由容性耦合形成的對(duì)敏感電路的干擾，在不考慮C1時(shí)為：電容電容性耦合性耦合增

8、大R，減小C2121()ssj CuujCCR2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.抑制容性耦合常用的方法：抑制容性耦合常用的方法：(1)提高輸入阻抗R(2)采用屏蔽導(dǎo)線(需減小干擾源導(dǎo)線和屏蔽伸出導(dǎo)線間耦合電容)(3)在印制電路板內(nèi)破壞電容耦合最關(guān)鍵的部位，是處在前置級(jí)的第一個(gè)運(yùn)放；(4)減小共模干擾在運(yùn)放的兩輸入管腳處布一圈地線進(jìn)行屏蔽2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. &

9、Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器的信噪比，是表示傳感器檢測(cè)微弱信號(hào)能力的一種評(píng)價(jià)指標(biāo)，指的是傳感器接收的被信號(hào)量與噪聲量的比值。通常用信噪比（記為S/N或SNR）作為信號(hào)與噪聲強(qiáng)度的比率評(píng)價(jià)指價(jià)。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法p 差動(dòng)法、相關(guān)法、解調(diào)法差動(dòng)法、相關(guān)法、解調(diào)法p 傳感器的選擇傳感器的選擇p 增強(qiáng)增強(qiáng)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸能力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸能力p 噪聲

10、濾波技術(shù)噪聲濾波技術(shù)p 隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)p 同頻噪聲處理技術(shù)同頻噪聲處理技術(shù) 1 1）選擇高信噪比頻段；）選擇高信噪比頻段； 2 2）高信噪比的）高信噪比的特征參數(shù)，人工智能信號(hào)提取特征參數(shù)，人工智能信號(hào)提取School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.抑制抑制電磁場(chǎng)干擾的主要方法電磁場(chǎng)干擾的主要方法n合理接地n電磁屏蔽n其它措施即嚴(yán)格遵守電磁兼容性(electro-magnetic compatibility, EMC)原則，實(shí)現(xiàn)不互相干擾、協(xié)調(diào)共同工作的設(shè)計(jì)考慮2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改

11、善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.合理合理接地接地n合理接地是抑制電場(chǎng)干擾的最好方法n原則：正確的一點(diǎn)接地n三方面考慮n儀器供電系統(tǒng)的安全接地，即保護(hù)接地n所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)的工作接地n輸入回路或敏感回路的接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.(1)安全接地安全接地n220V、50Hz交流電供電交流電供電必須有接大地的引線端必須有接大地的引線端將機(jī)器外殼和電源地都接入大地將機(jī)器外殼和電源地都接入大地n

12、數(shù)臺(tái)設(shè)備情況數(shù)臺(tái)設(shè)備情況n一點(diǎn)并聯(lián)接地，避免各設(shè)備單獨(dú)接地或串聯(lián)接地一點(diǎn)并聯(lián)接地，避免各設(shè)備單獨(dú)接地或串聯(lián)接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.(2)工作接地工作接地n指電子設(shè)備系統(tǒng)的各個(gè)電路部分其接地也應(yīng)遵循一點(diǎn)接地原則n保持各電路同參考零電位(否則將引起工頻干擾的加劇)n對(duì)于高頻電路n由于輻射性強(qiáng)，要求各引線盡可能短n優(yōu)先考慮引線短，再考慮一點(diǎn)接地n對(duì)于低頻電路 （常見情況）n首先考慮一點(diǎn)接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善

13、方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.(3)敏感回路的接地敏感回路的接地n輸入回路的一點(diǎn)接地原則n從電極到前置放大器一般有大于1m的屏蔽電纜n信號(hào)源一側(cè)的地與后面放大器的地電位不可能完全相等n造成兩點(diǎn)接地不滿足一點(diǎn)接地將造成很大干擾如何抑制？如何抑制？2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n信號(hào)源與地隔離原則2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instr

14、u. Sci. & Opto-electro. Eng.n屏蔽線、屏蔽罩的一點(diǎn)接地屏蔽線和屏蔽罩如果不接地或接地不良，特別是內(nèi)部裝有前置放大器的屏蔽罩不接地，可能根本無法工作2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)屏蔽屏蔽n在測(cè)量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，以屏蔽從其它區(qū)域傳播來在測(cè)量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，以屏蔽從其它區(qū)域傳播來的電場(chǎng)或磁場(chǎng)輻射干擾的電場(chǎng)或磁場(chǎng)輻射干擾n各單元部件或整個(gè)系統(tǒng)都可進(jìn)行屏蔽各單元部件或整個(gè)系統(tǒng)都可進(jìn)行屏蔽n全

15、屏蔽、局部屏蔽全屏蔽、局部屏蔽n高頻電磁場(chǎng)屏蔽高頻電磁場(chǎng)屏蔽n原理：渦流反磁場(chǎng)作用原理：渦流反磁場(chǎng)作用n材料：高電導(dǎo)率材料材料：高電導(dǎo)率材料n厚度：沒有要求，滿足機(jī)械強(qiáng)度厚度：沒有要求，滿足機(jī)械強(qiáng)度n接地：需要接地，防止靜電積累接地：需要接地，防止靜電積累n低頻電磁場(chǎng)屏蔽低頻電磁場(chǎng)屏蔽n原理：將干擾磁通限制在低磁阻屏蔽層內(nèi)，使其不進(jìn)原理：將干擾磁通限制在低磁阻屏蔽層內(nèi)，使其不進(jìn) 入工作區(qū)內(nèi)入工作區(qū)內(nèi)n材料：高磁導(dǎo)率材料材料：高磁導(dǎo)率材料n厚度：應(yīng)具有足夠的厚度以減小磁阻，可采用兩層或厚度：應(yīng)具有足夠的厚度以減小磁阻，可采用兩層或 多層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)n接地：良好接地接地：良好接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.屏蔽驅(qū)動(dòng)消除寄生電容2.5 2.5 傳感器噪聲的產(chǎn)生及其改善方法傳感器噪聲的產(chǎn)生