第11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2

1、第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-161第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-162學(xué)習(xí)目的 掌握傳感器輸出信號(hào)的形式掌握傳感器輸出信號(hào)的形式 掌握常用典型傳感器接口電路掌握常用典型傳感器接口電路 了解干擾的來(lái)源與抗干擾技術(shù)了解干擾的來(lái)源與抗干擾技術(shù)第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16311.1 傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)11.2 傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)電路傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)電路11.3 輸出信號(hào)的干擾及控制技術(shù)輸出信號(hào)的干擾及控制技術(shù)本章小結(jié)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2

2、022-6-164傳感器使用時(shí)需與專用的測(cè)量電路有效結(jié)合才傳感器使用時(shí)需與專用的測(cè)量電路有效結(jié)合才能發(fā)揮其功能，理想的傳感器電路不僅能使其能發(fā)揮其功能，理想的傳感器電路不僅能使其正常工作，還能在一定程度上正常工作，還能在一定程度上克服傳感器本身克服傳感器本身的不足的不足，擴(kuò)展其功能擴(kuò)展其功能，使傳感器的功能得到充，使傳感器的功能得到充分的發(fā)揮。同時(shí)，為使傳感器的輸出信號(hào)能用分的發(fā)揮。同時(shí)，為使傳感器的輸出信號(hào)能用于儀器、儀表的顯示或控制，往往要對(duì)輸出信于儀器、儀表的顯示或控制，往往要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行必要的加工處理。號(hào)進(jìn)行必要的加工處理。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1651

3、11 傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)11.1.1 11.1.1 傳感器輸出信號(hào)的形式傳感器輸出信號(hào)的形式u 由于傳感器種類繁多，傳感器的輸出形式也由于傳感器種類繁多，傳感器的輸出形式也是各式各樣的。例如，盡管同是溫度傳感器，是各式各樣的。例如，盡管同是溫度傳感器，熱電偶隨溫度變化輸出的是不同的電壓，熱敏熱電偶隨溫度變化輸出的是不同的電壓，熱敏電阻隨溫度變化輸出的是不同的電阻，而雙金電阻隨溫度變化輸出的是不同的電阻，而雙金屬溫度傳感器則隨溫度變化輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。表屬溫度傳感器則隨溫度變化輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。表11-111-1列出了傳感器輸出信號(hào)的一般形式。列出了傳感器輸出信號(hào)的一般形式。第 11章 傳感器輸出信號(hào)

4、的處理技術(shù) 2022-6-166表11-1傳感器的輸出信號(hào)形式輸出形式輸出形式輸出變化量輸出變化量傳感器的例子傳感器的例子開(kāi)關(guān)信號(hào)型開(kāi)關(guān)信號(hào)型機(jī)械觸點(diǎn)機(jī)械觸點(diǎn)雙金屬溫度傳感器雙金屬溫度傳感器模擬信號(hào)型模擬信號(hào)型電子開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān)霍耳開(kāi)關(guān)式集成傳感器霍耳開(kāi)關(guān)式集成傳感器電壓電壓熱電偶、磁敏元件、氣敏元件熱電偶、磁敏元件、氣敏元件電流電流光敏二極管光敏二極管電阻電阻熱敏電阻、應(yīng)變片熱敏電阻、應(yīng)變片電容電容電容式傳感器電容式傳感器電感電感電感式傳感器電感式傳感器其他其他頻率頻率多普勒速度傳感器、諧振式傳感器多普勒速度傳感器、諧振式傳感器第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16711.1

5、.2 傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)傳感器輸出的信號(hào)類型有傳感器輸出的信號(hào)類型有電壓、電流、電阻、電容、電感、頻率電壓、電流、電阻、電容、電感、頻率等，等，通常是動(dòng)態(tài)的。通常是動(dòng)態(tài)的。輸出的電信號(hào)一般都輸出的電信號(hào)一般都比較弱比較弱，如電壓信號(hào)通常為，如電壓信號(hào)通常為VVmVmV級(jí)，電流信級(jí)，電流信號(hào)為號(hào)為nAnAmAmA級(jí)。級(jí)。傳感器內(nèi)部傳感器內(nèi)部存在噪聲存在噪聲，輸出信號(hào)會(huì)與噪聲信號(hào)混合在一起，當(dāng)噪聲比，輸出信號(hào)會(huì)與噪聲信號(hào)混合在一起，當(dāng)噪聲比較大而輸出信號(hào)又比較弱時(shí)，常會(huì)使有用信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中。較大而輸出信號(hào)又比較弱時(shí)，常會(huì)使有用信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中。傳感器的輸出信號(hào)傳感器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬動(dòng)

6、態(tài)范圍很寬。輸出信號(hào)隨著物理量的變化而變化，。輸出信號(hào)隨著物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系，例如，熱敏電阻值隨溫度但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系，例如，熱敏電阻值隨溫度變化按指數(shù)函數(shù)變化。輸出信號(hào)大小會(huì)受溫度的影響，有溫度系數(shù)存變化按指數(shù)函數(shù)變化。輸出信號(hào)大小會(huì)受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。在。傳感器的輸出信號(hào)傳感器的輸出信號(hào)受外界環(huán)境（如溫度、電場(chǎng)）的干擾受外界環(huán)境（如溫度、電場(chǎng)）的干擾。傳感器的傳感器的輸出阻抗都比較高輸出阻抗都比較高，這樣會(huì)使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)，這樣會(huì)使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)，產(chǎn)生較大信號(hào)衰減。產(chǎn)生較大信號(hào)衰減。第 11章 傳感器

7、輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16811.1.3 輸出信號(hào)的處理方法 根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取不同的信號(hào)處理方法根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取不同的信號(hào)處理方法來(lái)提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和線性度，這正是傳感器信來(lái)提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和線性度，這正是傳感器信號(hào)處理的目的。另外，傳感器在測(cè)量過(guò)程號(hào)處理的目的。另外，傳感器在測(cè)量過(guò)程中常摻雜有許中常摻雜有許多噪聲信號(hào)多噪聲信號(hào)，它會(huì)直接影響測(cè)量系統(tǒng)的精度，因此，它會(huì)直接影響測(cè)量系統(tǒng)的精度，因此抑制抑制噪聲噪聲也是傳感器信號(hào)處理的重要內(nèi)容。也是傳感器信號(hào)處理的重要內(nèi)容。 傳感器輸出信號(hào)的處理主要由傳感器的接口電路完成。傳感器輸出信號(hào)的處理主要

8、由傳感器的接口電路完成。因此傳感器接口電路應(yīng)具有一定信號(hào)預(yù)處理的功能。經(jīng)因此傳感器接口電路應(yīng)具有一定信號(hào)預(yù)處理的功能。經(jīng)預(yù)處理后的信號(hào)，應(yīng)成為預(yù)處理后的信號(hào)，應(yīng)成為可供測(cè)量、控制使用及便于向可供測(cè)量、控制使用及便于向微型計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)形式微型計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)形式。接口電路對(duì)不同的傳感器。接口電路對(duì)不同的傳感器是完全不一樣的，其典型應(yīng)用電路見(jiàn)是完全不一樣的，其典型應(yīng)用電路見(jiàn)表表11-211-2。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-169表11-2 典型的傳感器接口電路接口電路接口電路對(duì)信號(hào)的預(yù)處理功能對(duì)信號(hào)的預(yù)處理功能阻抗變換電路阻抗變換電路在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為

9、低阻抗、以便于檢測(cè)在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗、以便于檢測(cè)電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號(hào)電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號(hào)放大變換電路放大變換電路將微弱的傳感器輸出信號(hào)放大將微弱的傳感器輸出信號(hào)放大電流電壓轉(zhuǎn)換電路電流電壓轉(zhuǎn)換電路將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓電橋電路電橋電路把傳感器的電阻、電容、電感變化為電流或電壓把傳感器的電阻、電容、電感變化為電流或電壓頻率電壓轉(zhuǎn)換電路頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓把傳感器輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流或電壓電荷放大器電荷放大器將電場(chǎng)型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓將電場(chǎng)型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓

10、有效值轉(zhuǎn)換電路有效值轉(zhuǎn)換電路在傳感器為交流輸出的情況下，轉(zhuǎn)為有效值、變?yōu)橹绷鬏敵鲈趥鞲衅鳛榻涣鬏敵龅那闆r下，轉(zhuǎn)為有效值、變?yōu)橹绷鬏敵鰹V波電路濾波電路通過(guò)低通及帶通濾波器的噪聲成分通過(guò)低通及帶通濾波器的噪聲成分線性化電路線性化電路在傳感器的特性不是線性的情況下，用來(lái)進(jìn)行線性校正在傳感器的特性不是線性的情況下，用來(lái)進(jìn)行線性校正對(duì)數(shù)壓縮電路對(duì)數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，用對(duì)數(shù)電路進(jìn)行壓縮當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，用對(duì)數(shù)電路進(jìn)行壓縮第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1610112 傳感器信號(hào)的檢測(cè)電路u 完成傳感器輸出信號(hào)處理的各種接口電路統(tǒng)稱為傳感器檢測(cè)電路

11、。完成傳感器輸出信號(hào)處理的各種接口電路統(tǒng)稱為傳感器檢測(cè)電路。傳感器信號(hào)檢測(cè)電路是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，也是傳感器和傳感器信號(hào)檢測(cè)電路是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，也是傳感器和A/DA/D之間以及之間以及D/AD/A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁。不同傳感器信號(hào)檢測(cè)電和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁。不同傳感器信號(hào)檢測(cè)電路的組成和內(nèi)容差別較大。路的組成和內(nèi)容差別較大。11.2.1 11.2.1 檢測(cè)電路形式檢測(cè)電路形式u 開(kāi)關(guān)型傳感器開(kāi)關(guān)型傳感器: :有許多非電量的檢測(cè)技術(shù)要求對(duì)被測(cè)量進(jìn)行有許多非電量的檢測(cè)技術(shù)要求對(duì)被測(cè)量進(jìn)行某一某一定值的判斷定值的判斷，當(dāng)達(dá)到確定值時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)輸出控制信號(hào)。在這，當(dāng)達(dá)到確定值時(shí)，檢

12、測(cè)系統(tǒng)應(yīng)輸出控制信號(hào)。在這種情況下，大多使用種情況下，大多使用開(kāi)關(guān)型傳感器開(kāi)關(guān)型傳感器，利用其開(kāi)關(guān)功能，作為直接，利用其開(kāi)關(guān)功能，作為直接控制元件使用。使用開(kāi)關(guān)型號(hào)傳感器的檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，可以控制元件使用。使用開(kāi)關(guān)型號(hào)傳感器的檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，可以直接用傳感器輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電路和報(bào)警電路工作。直接用傳感器輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電路和報(bào)警電路工作。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1611u模擬信號(hào)模擬信號(hào)輸出的傳感器輸出的傳感器: :定值判斷定值判斷的檢測(cè)系統(tǒng)中，由于檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)中，由于檢測(cè)對(duì)象的原因，也常使用具有對(duì)象的原因，也常使用具有模擬信號(hào)輸出的傳感器模擬信

13、號(hào)輸出的傳感器。在這種。在這種情況下，往往要先由檢測(cè)電路進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，再放大，情況下，往往要先由檢測(cè)電路進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，再放大，然后用然后用比較器比較器將傳感輸出信號(hào)與將傳感輸出信號(hào)與設(shè)置的比較電平設(shè)置的比較電平相比較。當(dāng)相比較。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)達(dá)到設(shè)置的比較電平時(shí)，比較器輸出狀態(tài)發(fā)傳感器輸出信號(hào)達(dá)到設(shè)置的比較電平時(shí)，比較器輸出狀態(tài)發(fā)生變化，由原來(lái)的低電平轉(zhuǎn)為高電平輸出，驅(qū)動(dòng)控制電路及生變化，由原來(lái)的低電平轉(zhuǎn)為高電平輸出，驅(qū)動(dòng)控制電路及報(bào)警電路工作。報(bào)警電路工作。u當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)要獲得當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)要獲得某一范圍的連續(xù)信息某一范圍的連續(xù)信息時(shí)，必須使用時(shí)，必須使用數(shù)字電數(shù)字電壓表壓表將檢測(cè)結(jié)果直

14、接顯示出來(lái)。數(shù)字式電壓表一般由將檢測(cè)結(jié)果直接顯示出來(lái)。數(shù)字式電壓表一般由A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器組成。這種檢測(cè)電路以數(shù)字讀數(shù)的形換器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器組成。這種檢測(cè)電路以數(shù)字讀數(shù)的形式顯示出被測(cè)物理量，例如溫度、水分、轉(zhuǎn)速及位移量等等。式顯示出被測(cè)物理量，例如溫度、水分、轉(zhuǎn)速及位移量等等。接口電路則根據(jù)傳感器的輸出特點(diǎn)進(jìn)行選擇。接口電路則根據(jù)傳感器的輸出特點(diǎn)進(jìn)行選擇。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-161211.2.2 常用電路1、阻抗匹配器阻抗匹配器 傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號(hào)的衰傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號(hào)的衰減，常常采用減，常常采用高高輸入阻抗

15、輸入阻抗低低輸出阻抗的阻抗輸出阻抗的阻抗匹配器作為傳感器輸入到測(cè)量系統(tǒng)的前置電匹配器作為傳感器輸入到測(cè)量系統(tǒng)的前置電路。常見(jiàn)的阻抗匹配器有路。常見(jiàn)的阻抗匹配器有半導(dǎo)體管阻抗匹配半導(dǎo)體管阻抗匹配器器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗匹配器場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗匹配器及及運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器阻抗匹配器。阻抗匹配器。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1613 2電橋電路u電橋電路是傳感器檢測(cè)電路中經(jīng)常使用的電路，主要用來(lái)電橋電路是傳感器檢測(cè)電路中經(jīng)常使用的電路，主要用來(lái)把傳感器的把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流，根，根據(jù)電橋供電源的不同，電橋可分為據(jù)電橋

16、供電源的不同，電橋可分為直流電橋直流電橋和和交流電橋交流電橋。u直流電橋主要用于電阻式傳感器，例如，熱敏電阻、電位直流電橋主要用于電阻式傳感器，例如，熱敏電阻、電位器等。器等。u交流電橋交流電橋主要用于測(cè)量主要用于測(cè)量電容式傳感器和電感式電容式傳感器和電感式傳感器的電傳感器的電容和電感的變化。容和電感的變化。電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片傳感器大都采用傳感器大都采用交流交流電交流交流電橋橋，這是因?yàn)閼?yīng)變片電橋輸出信號(hào)微弱需經(jīng)放大器進(jìn)行放，這是因?yàn)閼?yīng)變片電橋輸出信號(hào)微弱需經(jīng)放大器進(jìn)行放大，而使用直流放大器容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。此外，應(yīng)變片大，而使用直流放大器容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。此外，應(yīng)變片與橋路之間采用電纜連接

17、，其與橋路之間采用電纜連接，其引線分布電容引線分布電容的影響不可忽的影響不可忽略，使用交流電橋還會(huì)消除這些影響。電橋電路詳見(jiàn)第略，使用交流電橋還會(huì)消除這些影響。電橋電路詳見(jiàn)第2章。章。 第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16143放大電路u傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，因而在大多傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，因而在大多數(shù)情況下都需要放大電路。放大電路主要用來(lái)數(shù)情況下都需要放大電路。放大電路主要用來(lái)將傳感器輸出的將傳感器輸出的直流信號(hào)或交流信號(hào)進(jìn)行放大直流信號(hào)或交流信號(hào)進(jìn)行放大處理，為檢測(cè)系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號(hào)，處理，為檢測(cè)系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號(hào)，它對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精度

18、起著關(guān)鍵作用。它對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用。u目前檢測(cè)系統(tǒng)中的放大電路，除特殊情況外，目前檢測(cè)系統(tǒng)中的放大電路，除特殊情況外，一般都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。圖一般都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。圖11-1 為放大器為放大器電路。電路。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16151RURUinFoutinFoutURRU11112RRUUUFout差動(dòng)放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠差動(dòng)放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制共模信號(hào)抑制共模信號(hào)。共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端所加。共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端所加的大小相等、極性相同的信號(hào)。的大小相等、極性相同的信號(hào)。理想的差動(dòng)放大器對(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為理想的差動(dòng)

19、放大器對(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為零，所以差動(dòng)放大器零點(diǎn)漂移最小。來(lái)自外部空間的電磁波干擾也屬于共模信號(hào)，零，所以差動(dòng)放大器零點(diǎn)漂移最小。來(lái)自外部空間的電磁波干擾也屬于共模信號(hào)，它們也會(huì)被差動(dòng)放大所抑制，所以說(shuō)差動(dòng)放大器的抗干擾能力極強(qiáng)。它們也會(huì)被差動(dòng)放大所抑制，所以說(shuō)差動(dòng)放大器的抗干擾能力極強(qiáng)。圖圖11-1 11-1 放大器基本電路放大器基本電路123FRRRR=、=第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16164 4電荷放大器電荷放大器u 利用利用壓電式傳感器壓電式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，壓電元件輸出的信號(hào)是電荷量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，壓電元件輸出的信號(hào)是電荷量的變化，配上適當(dāng)?shù)碾娙莺?，它的?/p>

20、出電壓可高達(dá)幾十伏到數(shù)的變化，配上適當(dāng)?shù)碾娙莺?，它的輸出電壓可高達(dá)幾十伏到數(shù)百伏，但信號(hào)功率卻很小，信號(hào)源的內(nèi)阻也很大。為此，要在百伏，但信號(hào)功率卻很小，信號(hào)源的內(nèi)阻也很大。為此，要在壓電元件和檢測(cè)電路之間配接一個(gè)放大器，放大器應(yīng)具有輸入壓電元件和檢測(cè)電路之間配接一個(gè)放大器，放大器應(yīng)具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。目前用的較多的是電荷放大器。阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。目前用的較多的是電荷放大器。u 電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器，其優(yōu)點(diǎn)在于可以避免傳輸分布電容的影響。運(yùn)算放大器，其優(yōu)點(diǎn)在于可以避免傳輸分布

21、電容的影響。u 電荷放大器在第二章壓電傳感器測(cè)量電路中已經(jīng)詳細(xì)講解，這電荷放大器在第二章壓電傳感器測(cè)量電路中已經(jīng)詳細(xì)講解，這里不再贅述。里不再贅述。 第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1617 （a） （b）電荷放大器等效電路圖電荷放大器等效電路圖1outffQAQUA CC 從上式可以看出從上式可以看出, ,電荷放大器輸出電壓只與電荷電荷放大器輸出電壓只與電荷Q Q和反饋電容和反饋電容 有關(guān)有關(guān), ,而與而與傳輸電纜的分布電容無(wú)關(guān)傳輸電纜的分布電容無(wú)關(guān), ,說(shuō)明電荷放大器的輸出電壓不受傳輸電纜長(zhǎng)說(shuō)明電荷放大器的輸出電壓不受傳輸電纜長(zhǎng)度的影響度的影響, ,為遠(yuǎn)距離測(cè)量提供了方

22、便條件為遠(yuǎn)距離測(cè)量提供了方便條件. .但是但是, ,測(cè)量精度卻與配接電纜測(cè)量精度卻與配接電纜的分布電容有關(guān)的分布電容有關(guān), ,例如例如, ,當(dāng)當(dāng) 電纜分布電容如果為電纜分布電容如果為100pF100pF時(shí)時(shí), ,要求測(cè)量精度為要求測(cè)量精度為1%1%時(shí)時(shí), ,允許電纜的長(zhǎng)允許電纜的長(zhǎng)度約為度約為1000m1000m，當(dāng)要求的精度為，當(dāng)要求的精度為0.1%0.1%時(shí)時(shí), ,則電纜的長(zhǎng)度僅有則電纜的長(zhǎng)度僅有100m.100m.41000,10 ,100faCpF ACpF第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-161811.3 輸出信號(hào)的干擾及控制技術(shù) 噪聲噪聲在傳感器電路的信號(hào)傳遞中，

23、所出現(xiàn)的在傳感器電路的信號(hào)傳遞中，所出現(xiàn)的與被測(cè)量無(wú)關(guān)的隨機(jī)與被測(cè)量無(wú)關(guān)的隨機(jī)信號(hào)信號(hào)被稱為噪聲。被稱為噪聲。 干擾干擾在信號(hào)提取與傳遞中，噪聲信號(hào)常疊加在有用信號(hào)上，使有在信號(hào)提取與傳遞中，噪聲信號(hào)常疊加在有用信號(hào)上，使有用信號(hào)發(fā)生畸變而造成測(cè)量誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒂杏眯盘?hào)淹沒(méi)其中，用信號(hào)發(fā)生畸變而造成測(cè)量誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒂杏眯盘?hào)淹沒(méi)其中，使測(cè)量工作無(wú)法正常進(jìn)行，這種使測(cè)量工作無(wú)法正常進(jìn)行，這種由噪聲所造成的不良效應(yīng)由噪聲所造成的不良效應(yīng)被稱為干擾。被稱為干擾。 而傳感器或檢測(cè)裝置需要在各種不同的環(huán)境中工作，于是噪聲與干擾而傳感器或檢測(cè)裝置需要在各種不同的環(huán)境中工作，于是噪聲與干擾不可避

24、免地要作為一種輸入信號(hào)進(jìn)入傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)中。因此系統(tǒng)不可避免地要作為一種輸入信號(hào)進(jìn)入傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)中。因此系統(tǒng)就不可避免地會(huì)受到各種外界因素和內(nèi)在因素的干擾。為了減小測(cè)量就不可避免地會(huì)受到各種外界因素和內(nèi)在因素的干擾。為了減小測(cè)量誤差，在傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中，應(yīng)盡量減少或消除有誤差，在傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中，應(yīng)盡量減少或消除有關(guān)影響因素的作用。關(guān)影響因素的作用。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1619 11.3.1 干擾的類型與要素 類型：常見(jiàn)的干擾有類型：常見(jiàn)的干擾有機(jī)械干擾機(jī)械干擾（振動(dòng)與沖擊）、（振動(dòng)與沖擊）、熱干擾熱干擾（溫度與濕度變（溫度

25、與濕度變化）、化）、光干擾光干擾（其他無(wú)關(guān)波長(zhǎng)的光）、（其他無(wú)關(guān)波長(zhǎng)的光）、化學(xué)干擾化學(xué)干擾（酸（酸/ /堿堿/ /鹽及腐蝕性氣鹽及腐蝕性氣體）、體）、電磁干擾電磁干擾（電（電/ /磁場(chǎng)感應(yīng)）、磁場(chǎng)感應(yīng)）、輻射干擾輻射干擾（氣體電離、半導(dǎo)體被激發(fā)、（氣體電離、半導(dǎo)體被激發(fā)、金屬逸出電子）等。金屬逸出電子）等。 對(duì)由傳感器形成的測(cè)量裝置而言，形成噪聲干擾通常有對(duì)由傳感器形成的測(cè)量裝置而言，形成噪聲干擾通常有3 3個(gè)要素：噪聲源、個(gè)要素：噪聲源、通道（噪聲源到接收電路之間的耦合通道）、接收電路通道（噪聲源到接收電路之間的耦合通道）、接收電路。 按照噪聲產(chǎn)生的來(lái)源，噪聲來(lái)源可分為兩種：按照噪聲產(chǎn)生的

26、來(lái)源，噪聲來(lái)源可分為兩種：（）（）內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是由傳感器或檢測(cè)電路元件內(nèi)部?jī)?nèi)部噪聲是由傳感器或檢測(cè)電路元件內(nèi)部帶電微粒的無(wú)規(guī)則帶電微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，例如熱噪聲、散粒噪聲以及接觸不良引起的噪聲等。，例如熱噪聲、散粒噪聲以及接觸不良引起的噪聲等。（）（）外部噪聲外部噪聲 外部噪聲則由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)外部外部噪聲則由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)外部人為或自然干擾人為或自然干擾造成的。造成的。外部噪聲的來(lái)源主要為外部噪聲的來(lái)源主要為電磁輻射電磁輻射，當(dāng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)及其它電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)，當(dāng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)及其它電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，雷電、大氣電離及其它自然現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。在檢產(chǎn)生電磁

27、輻射，雷電、大氣電離及其它自然現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。在檢測(cè)系統(tǒng)中，由于元件之間或電路之間存在著測(cè)系統(tǒng)中，由于元件之間或電路之間存在著分布電容或電磁場(chǎng)分布電容或電磁場(chǎng)，因而容易，因而容易產(chǎn)生寄生耦合現(xiàn)象，在寄生耦合的作用下，電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁波就會(huì)引入產(chǎn)生寄生耦合現(xiàn)象，在寄生耦合的作用下，電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁波就會(huì)引入檢測(cè)系統(tǒng)，干擾電路的正常工作。檢測(cè)系統(tǒng)，干擾電路的正常工作。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-162011.3.2 干擾控制的方法干擾噪聲的控制就是如何阻斷干擾的傳輸途徑和耦合通道。檢測(cè)裝置干擾噪聲的控制就是如何阻斷干擾的傳輸途徑和耦合通道。檢測(cè)裝置的干擾噪聲控制方法常

28、采用的有的干擾噪聲控制方法常采用的有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、隔離技術(shù)、濾屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、隔離技術(shù)、濾波器波器等硬件抗干擾措施，以及等硬件抗干擾措施，以及冗余技術(shù)、陷阱技術(shù)冗余技術(shù)、陷阱技術(shù)等微機(jī)軟件抗干擾等微機(jī)軟件抗干擾措施。對(duì)其它種類干擾可采用措施。對(duì)其它種類干擾可采用隔熱、密封、隔振及蔽光隔熱、密封、隔振及蔽光等措施，或在等措施，或在轉(zhuǎn)換為電量后對(duì)干擾進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電量后對(duì)干擾進(jìn)行分離或抑制分離或抑制。削弱接收電路對(duì)干擾的靈敏度削弱接收電路對(duì)干擾的靈敏度通過(guò)電子線路板的合理布通過(guò)電子線路板的合理布 局，如輸入電路采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)、信號(hào)的數(shù)字傳輸、信號(hào)傳局，如輸入電路采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)、信號(hào)的數(shù)字傳輸、信

29、號(hào)傳 輸線采用雙絞線等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)輸線采用雙絞線等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)阻斷或減弱干擾的耦合通道或傳輸途徑阻斷或減弱干擾的耦合通道或傳輸途徑消除或抑制干擾源消除或抑制干擾源消除干擾源是最有效、最徹底的方法，但消除干擾源是最有效、最徹底的方法，但 在實(shí)際中是很難完全消除的在實(shí)際中是很難完全消除的檢測(cè)裝置的干擾控制方式主要是檢測(cè)裝置的干擾控制方式主要是根據(jù)噪聲干擾必須具備的根據(jù)噪聲干擾必須具備的3 3個(gè)要素（個(gè)要素（噪聲源、通道、接收電路）噪聲源、通道、接收電路）第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16211. 屏蔽屏蔽 屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組屏蔽就是用低電阻材

30、料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來(lái)，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。合件包圍起來(lái)，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。屏蔽屏蔽電場(chǎng)屏蔽電場(chǎng)屏蔽電場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)防止元件或電路間因電場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)防止元件或電路間因分布電容分布電容 耦合耦合形成的干擾。形成的干擾。磁場(chǎng)屏蔽磁場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)消除元件或電路間因主要用來(lái)消除元件或電路間因磁場(chǎng)寄生耦合磁場(chǎng)寄生耦合產(chǎn)生的產(chǎn)生的 干擾，磁場(chǎng)屏蔽的材料一般都選用高磁導(dǎo)系數(shù)的磁干擾，磁場(chǎng)屏蔽的材料一般都選用高磁導(dǎo)系數(shù)的磁 性材料性材料電磁屏蔽電磁屏蔽電磁屏蔽主要用來(lái)防止電磁屏蔽主要用來(lái)防止高頻磁場(chǎng)的干擾高頻磁場(chǎng)的干擾。電磁屏蔽。電磁屏蔽 的材料應(yīng)選用導(dǎo)

31、電率較高的材料，如銅、銀等，利的材料應(yīng)選用導(dǎo)電率較高的材料，如銅、銀等，利 用電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。用電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽的屏蔽體可以電磁屏蔽的屏蔽體可以不不接地接地，但一般為防止分布電容的影響，但一般為防止分布電容的影響，可以使電磁的屏蔽體接地，起到兼有電場(chǎng)屏蔽的作用。可以使電磁的屏蔽體接地，起到兼有電場(chǎng)屏蔽的作用。電場(chǎng)屏電場(chǎng)屏蔽體蔽體必須可靠接地必須可靠接地。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16222. 接地電路或傳感器中的地指的是一個(gè)電路或傳感器中的地指的是一個(gè)等電位點(diǎn)等電位點(diǎn)，它，它是電路或傳感器的是電路或傳感器的基

32、準(zhǔn)電位點(diǎn)基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連就是接地。傳感器或電路接地，是為了清相連就是接地。傳感器或電路接地，是為了清除電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓，除電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓，也可以避免受磁場(chǎng)或地電位差的影響。把接地也可以避免受磁場(chǎng)或地電位差的影響。把接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，就可抑制大部分的和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，就可抑制大部分的噪聲。噪聲。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1623圖圖11-2 11-2 單級(jí)電路的一點(diǎn)接地單級(jí)電路的一點(diǎn)接地圖圖11-3 11-3 多級(jí)電路的一點(diǎn)接地多級(jí)電路的一點(diǎn)接地第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 20

33、22-6-16243. 隔離 前后兩個(gè)電路信號(hào)端直接連接前后兩個(gè)電路信號(hào)端直接連接, ,容易形成容易形成環(huán)路電流環(huán)路電流, ,引起引起噪聲干擾。這時(shí)噪聲干擾。這時(shí), ,常采用隔離的方法常采用隔離的方法, ,把兩個(gè)電路的信號(hào)把兩個(gè)電路的信號(hào)端從電路上隔開(kāi)。端從電路上隔開(kāi)。 隔離的方法主要采用隔離的方法主要采用變壓器隔離變壓器隔離和和光電耦合器隔離光電耦合器隔離。在。在兩個(gè)電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環(huán)路兩個(gè)電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環(huán)路, ,實(shí)現(xiàn)前實(shí)現(xiàn)前后電路的隔離后電路的隔離, ,變壓器隔離只選用于交流電路。變壓器隔離只選用于交流電路。 在直流或超低頻測(cè)量系統(tǒng)中在直流或超低頻測(cè)量系統(tǒng)

34、中, ,常采用常采用光電耦合光電耦合的方法實(shí)的方法實(shí)現(xiàn)電路的隔離。現(xiàn)電路的隔離。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1625圖圖11-4 11-4 變壓器隔離和光電耦合器隔離變壓器隔離和光電耦合器隔離第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-16264. 濾波 濾波電路或?yàn)V波器是一種能使濾波電路或?yàn)V波器是一種能使某一種頻率順利通過(guò)而另一某一種頻率順利通過(guò)而另一部分頻率受到較大衰減的裝置部分頻率受到較大衰減的裝置。 因傳感器的輸出信號(hào)大多是緩慢變化的，因而對(duì)傳感器輸因傳感器的輸出信號(hào)大多是緩慢變化的，因而對(duì)傳感器輸出信號(hào)的濾波常采用出信號(hào)的濾波常采用有源低通濾波器有源低

35、通濾波器，它只允許，它只允許低頻信號(hào)低頻信號(hào)通過(guò)而不能通過(guò)高頻信號(hào)通過(guò)而不能通過(guò)高頻信號(hào)。 常采用的方法是在運(yùn)算放大器的常采用的方法是在運(yùn)算放大器的同相端同相端接入一階或二階接入一階或二階RCRC有源低通濾波器，使干擾的高頻信號(hào)濾除，而有用的低頻有源低通濾波器，使干擾的高頻信號(hào)濾除，而有用的低頻信號(hào)順利通過(guò)；反之，在輸入端接高通濾波器，將低頻干信號(hào)順利通過(guò)；反之，在輸入端接高通濾波器，將低頻干擾濾除，使高頻有用信號(hào)順利通過(guò)。擾濾除，使高頻有用信號(hào)順利通過(guò)。第 11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2022-6-1627u 除了上述的濾波器外，有時(shí)還要使用除了上述的濾波器外，有時(shí)還要使用帶通濾波器和帶阻隔濾波器帶通濾波器和帶阻隔濾波器。u 帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許的作用是只允許某一頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)某一頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)， 而比通頻帶下限頻而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)都被阻斷，它常用于從許多信號(hào)中獲取所需率低和比上限頻率高的信號(hào)都被阻斷，它常用于從許多信號(hào)中獲取所需要的信號(hào)，而使干擾信號(hào)被濾除。要的信號(hào)，而使干擾信號(hào)被濾除