傳感器與檢測技術(shù)(第2版)李增國主編 第二章

1、傳感器與檢測技術(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 傳感器簡論 2 傳感器測量電路 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 傳感器測量電路的作用2.2 傳感器測量電路的類型及組成2.3 噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測量電路2 2.1.1傳感器測量電路的作用2.2 傳

2、感器測量電路的類型及組成2.3 噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測量電路 傳感器測量電路的基本概念及要求傳感器測量電路的基本概念及要求1.傳感器輸出信號的形式有模擬信號、數(shù)字信號、開關(guān)信號2.傳感器輸出信號的種類有電壓、電流、電阻、電容、電感及頻率3.傳感器的動態(tài)范圍大4.輸出的信號一般較弱5.傳感器內(nèi)部存在噪聲，輸出的信號與噪聲混合在一起6.傳感器的大部分輸出和輸入關(guān)系曲線為線性7.傳感器的輸出信號易受溫度影響測量電路的作用測量電路的作用 測量電路的作用測量電路的作用傳感器傳感器電子測量電路顯示器、記錄儀、控制裝置等 阻抗匹配問題阻抗匹配問題 （在具有電阻、電感和電容的電路里，對電路中的電流所

3、起的在具有電阻、電感和電容的電路里，對電路中的電流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接口對輸入電壓的要求接口對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的干擾應(yīng)考慮溫度影響以及電磁場的干擾測量電路的要求測量電路的要求測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 傳感器測量電路的作用2.3 噪聲與抗干擾技術(shù)第2章 傳感器測量電路2 2.2 .

4、2 傳感器測量電路的類型及組成傳感器測量電路的類型及組成測量電路模擬電路模擬電路開關(guān)型測量電路開關(guān)型測量電路數(shù)字式測量電路數(shù)字式測量電路測量電路類型 由于傳感器品種繁多，輸出信號的形式各不相同，因此輸出特性也不相同。模擬電路 模擬電路是傳感器測量電路最常用、最基本的電路，當(dāng)傳感器的輸出信號為動態(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按模擬電路的制式傳輸?shù)綔y量系統(tǒng)的終端。傳感傳感器器基本基本轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路量程量程切換切換電路電路放大放大器器解調(diào)解調(diào)器器濾波濾波器器運(yùn)算運(yùn)算電路電路模數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路計(jì)算計(jì)算機(jī)機(jī)顯示顯示執(zhí)行執(zhí)行結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)振蕩器振蕩器電源

5、電源根據(jù)傳感器輸出信號的類型選擇合適的測量電路 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。 為了提高信號的抗干擾能力，可以對信號進(jìn)行調(diào)制。（調(diào)制是利用被測的低頻信號去控制高頻震蕩中的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率、相位）使其隨被測低頻信號的變化而變化） 量程切換電路是為適應(yīng)不同測量范圍的參數(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)換電路開關(guān)型測量電路傳感器的輸出信號為開關(guān)信號（如光線的通斷信號或電觸點(diǎn)通斷信號等）時(shí)的測量電路稱為開關(guān)型測量電

6、路。放大信號的生成與消失正是在有關(guān)器件觸點(diǎn)的閉合與斷開過程中完成的。數(shù)字式測量電路 傳感器的輸出經(jīng)放大、整形以后成為數(shù)字脈沖信號。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，而是輸出n個(gè)脈沖，n為細(xì)分?jǐn)?shù)。數(shù)字式測量電路典型的組成框圖傳感傳感器器放大放大器器整形整形器器細(xì)分細(xì)分電路電路脈沖脈沖當(dāng)量當(dāng)量變換變換電路電路計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器器寄存寄存器器計(jì)算計(jì)算器器顯示顯示執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)根據(jù)傳感器輸出信號的不同，相應(yīng)的接口方式有：根據(jù)傳感器輸出信號的不同，相應(yīng)的接口方式有：（1）模擬量接口傳感器輸出信號 放大 取樣/保持 模擬多路開關(guān) A/D轉(zhuǎn)換 I/O接口 計(jì)算

7、機(jī)（2）開關(guān)量接口開關(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（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 傳感器測量電路的作用2.2 傳感器測量電路的類型及組成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 傳感器測量電路 靈敏度不要選的太高。 降低外界因素對傳感器實(shí)際作用的功率。 對于噪聲干擾問題，一要解決噪聲的來源問題，二要解決噪聲信號是如何進(jìn)入測量系統(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輸入/輸出轉(zhuǎn)換過程中，所出現(xiàn)的與被測量無關(guān)的隨機(jī)信號，稱為噪聲。噪聲噪聲性質(zhì)性質(zhì)噪聲噪聲

8、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（對噪聲比較敏感的電路）噪聲源噪聲源耦合通道耦合通道接收電路接收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量裝置元器件的性能或電氣參數(shù)隨機(jī)變動時(shí)對傳感器及其測量電路形成的干擾。常見的內(nèi)部干擾噪聲有：電阻中自由電子和不規(guī)則熱運(yùn)動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)械振動或

9、沖擊，使傳感器中的元器件發(fā)生振動變形引起的噪聲；射線輻射干擾引起的噪聲及測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，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。）干擾噪聲進(jìn)入傳感器及其測量電路的通道，通常是以對干擾信號的耦合方式進(jìn)行的。1.電容性耦合（由信號之間的分布電容產(chǎn)生的耦合，即兩個(gè)電路之間存在的寄生電容，可使

10、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)電路有電流過時(shí)，通過共有阻抗在另一個(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，使外部的干擾電場不影響內(nèi)部的電路；反過來，內(nèi)部產(chǎn)生的電力線也無法去影響外電路。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：對于低頻磁場的干

11、擾，可以采用強(qiáng)磁材料做成屏蔽體對干擾信號加以屏蔽。3.接地：測量裝置接地有兩個(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。測量裝置中的地線，除特別說明接大地外，一般都是指作為電信號的基準(zhǔn)電位的信號地線。信號地線是各級電路中靜態(tài)、動態(tài)電流的通道。4.浮置：又稱浮空、浮接。指的是測量裝置中信號放大器的公共線不接地也不接機(jī)殼，而采用懸浮起來的方式。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提供一個(gè)良好的接地通道，測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。這樣，即使兩個(gè)電路的地電位不同也不會造成干擾。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