传感技术课件 (5).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,现代传感器技术,Faculty of Mechanical&Electrical Engineering,第四章传感器的应用基础,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,4.1.1,测量与计量,测量,(Measurement),是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与选定单位的比值。这个比值同测量单位结合在一起称,量值,。测量以确定被测量值为目的的一系列操作,是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。,计量,(Metrology),是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的准确性与测量行为的规范性。使用有溯源性的标准与测量仪器、按照规程、由资格被确认的人员进行的以判别测量器具合格性为目的的测量，是计量。,现代传感器技术,4.1.1,测量与计量,计量不同於一般的测量,.,测量是为了,获得量值的大小,，而计量是为了,达到量值的统一、准确和一致,。,测量是形成计量、计量学的前提和基础，有了测量，才出现了计量的慨念，从而形成了计量学的一门科学。,计量学中,，,测量既是核心概念，又是研究对象,。,可以认为计量就是与测量结果置信度有关的、与不确定度联系在一起的规范化的测量,。,所以，,有时也称测量为计量,，例如称测量单位为计量单位，称测量标准为计量标准等。,现代传感器技术,计量,的,基本业务,：建立基准，即复现单位，建立各级计量标准与量值传递网，定期检定测量工具，进行量值统一。,计量存在,的,原因,是,：,通常的测量都存在系统误差。测量用工具、量具或仪器，需经检定，即履行计量手续，以保证其准确。,测量者自身经多次测量可以发现并减小随机误差，但通常不能发现系统误差。,计量中所使用标准的量值，对被检仪器来说相当于真值，有真值才能求得被检仪器的系统误差。,4.1.1,测量与计量,现代传感器技术,测量与计量的具体,工作对象,不同。,测量的直接目的是得到测得值；计量的目的是保证测量的准确。,“,测量,”,就是为获取量值信息的活动；,“,计量,”,不仅要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源,“,测量,”,作为一类操作，其对象很广泛；,“,计量,”,作为一类操作，其对象就是测量仪器。,“,测量,”,可是以孤立的；,“,计量,”,则存在于量值传递或溯源的系统中。,4.1.1,测量与计量,现代传感器技术,测量与计量的划分，以,测量工具,的作用为界。,测量是用测量工具认识物理量，相信的是测量工具，目的是得到被测量的量值；,计量的目的是拿标准（已知的量值）检查测量工具的合格性，相信的是标准。,简言之，相信测量工具的是测量；检查测量工具的是计量。,计量通常是测量的,逆,操作。,4.1.1,测量与计量,现代传感器技术,4.1.2,测量误差的概念,真值,：观测量客观上存在的一个理论值，用,X,表示。,观测值,：对某量观测所得的值，用,Li,表示。,真误差,：观测值与真值之差，用,Di=Li-X,表示。,误差的定义,:,在同一量的各观测值之间，或在各观测值与其真值之间存在差异的现象。,例：直线丈量时，对同一段距离丈量若干次，得出的结果不会相同。,观测水平角时，对一个三角形的三个内角进行观测，内角和不是,180,。,现代传感器技术,4.1.2,测量误差的概念,测量误差,的来源主要有：,仪器,误差,如：,i,角误差、尺长误差等，一般由于仪器校正不完善所致,观测误差,如：照准误差、读数误差等，由于观测者感官有限所致,外界,条件误差,如：地球曲率、大气折光,等,现代传感器技术,4.1.2,测量误差的概念,测量误差分类安性质可分为：,系统误差,在相同的观测条件下作一系列的观测，如果误差在大小、符号上表现出系统性或按一定的规律变化，如：尺长误差、,i,角误差。,偶然误差,在相同的观测条件下作一系列的观测，如果误差在大小、符号上表现出偶然性，即误差的大小不等，符号不同。如：读数误差、整平误差等。,粗差,由于观测过程中的错误所产生的误差。,现代传感器技术,4.1.2,测量误差的概念,误差的规律性：,1,、系统误差的特性：,对观测成果有累积影响，但可消除或减弱。,2,、偶然误差的影响：,例：在相同观测条件下对一个三角形全部内角观测,358,次，,真误差观测值,-,真值,，用直方图表示误差分布。,就单次测量而言，随机误差没有规律。,当测量次数足够多时，则服从正态分布规律，随机误差的特点为,对称性、有界性、单峰性、抵偿性,。,当观测次数无限增多时，其算术平均值趋近于零,，即：理论均值为零,现代传感器技术,4.1.3,测量精度,精度,：误差分布的离散与密集程度。,精度是观测条件的反映，即,反映的是观测结果的质量,。,现代传感器技术,4.1.3,测量精度,衡量精度的指标,1,、中误差,：在相同的观测条件下，各个真误差平方的平均数的平方根。,例如：有,2,个组对一三角形分别进行水平角观测，每次观测计算的三角形内角和真误差为：,第,1,组：,+3,，,-2,，,-4,，,+2,第,2,组：,0,，,-1,，,-7,，,+3,显然，,m1,精度高于,m2,。,现代传感器技术,4.1.3,测量精度,2,、极限误差,依据,：由偶然误差的特性（有界性）知，误差落在,含义,：观测中的偶然误差出现大于容许误差的概率极小，如果发生，则为非偶然因素造成，测量结果认为不合格。,应用,：限差检核，判断成果是否合格。,现代传感器技术,4.1.3,测量精度,3,、相对误差,某些观测成果，其精度与观测量的大小相关，用中误差则不能完全描述其精度，因此用相对误差评定。,相对误差,：绝对误差的绝对值与观测值之比,绝对误差,：真误差、中误差、容许误差。,现代传感器技术,4.1.4,测量的基本方法,从如何获得测量值的角度分类，测量方法有两种。,1,、直读测量法,直接根据仪器仪表的读数得到测量值的方法称为直读法。例如，用电流表测量电流，用功率表测量功率等。直读法的特征是度量器（标准量）不直接参与测量过程。,直读法的,优点,是设备简单、操作简便；,缺点,是测量的精度不高,2,、比较测量法,将被测量与标准器（或称度量器）直接进行比较而获得测量结果的方法称为比较测量法。,例如，用电位差计测量电压，用电桥测量电阻等。该方法的特征是度量器（标准量）直接参与测量过程。,比较测量法具有测量准确、灵活度高的,优点,，适合精密测量。,缺点,是测量操作过程比较麻烦，仪器设备的价格较高。,现代传感器技术,4.1.5,测量系统,第一级（测量信息传感级）,：包括传感器、敏感元件或装置、测量头等，其主要功能是检测和敏感被测量。它输入被测量，输出大多为电学模拟量。,第二级,（信号调理级）,：第二级的目的是调理传感所得的测量信号，将测量传感所得的信号进行整理，转变为适合于最后一级使用的形式。,第三级（读出记录级）,：第三级是测量系统的输出级，把测量所得的信息显示或记录打印。,现代传感器技术,测速系统,4.1.5,测量系统,现代传感器技术,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,4.2.1,量值的概念,量,是现象、物体或物质的可以定性区别和定量确定的一种属性。,凡可相互比较并按大小排序的量称为,同种量,，若干同种量合在一起可称为同类量，如功、热、能。,在同一类量中，如选出某一特定的量作为参考量，用以量度同类量的大小，这个参考量称为测量单位。,量值一般由一个数乘以测量单位所表示的特定量的大小。,现代传感器技术,4.2.2,量值的传递,将国家计量基准所复现的计量单位量量值，通过检定（或其它传递方式）传递给下一等级的计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被计量的对象的量值准确一致，称为,量值传递,。,任何计量器具都具有不同程度的误差。计量器具的误差只在允许的范围内才能应用，否则将带来错误的计量结果。,对于新制的或修理后的计量器具，必须用适当等级的计量标准来确定其计量特性是否合格。,对于使用中的计量器具，必须用适当等级的计量标准对其进行周期检定。,现代传感器技术,国家计量检定系统,：由国务院计量行政部门组织制定的全国性技术法规，其中用图表结合文字的形式，明确地规定由国家计量基准到各级计量标准直到普通计量器具的量值传递程序，包括名称、计量范围、准确度、不确定度、允许误差和传递方法等。,量值传递体系,：国家根据经济合理，分工协作的原则，以城市为中心，就地就近组织的量值传递网。,4.2.2,量值的传递,国家计量检定系统表,(2013,版,),现代传感器技术,23,4.2.2,量值的传递,通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准（通常是国家计量标准或国际计量标准）联系起来的特性，称为,量值溯源性,。,所有的同种量值，都可以按这条比较链通过校准向测量的源头追溯，即溯源到同一个测量基准,(,国家基准或国际基准,),，这样才能,确保计量单位统一，量值准确可靠，才具有可比性、可重复性和可复现性,，而其途径就是按比较链，向计量基准的追溯。,4.2.3,量值的溯源,现代传感器技术,4.2.3,量值的溯源,现代传感器技术,量值溯源是从下而上,，企业可根据测量准确度的要求，自主地寻求具有较佳不确定度的参考标准进行测量设备的校准，甚至可以跨地区、跨国界与国家的或国际的计量基准进行比对或校准，因而可以比较合理地满足使用要求。,量值传递则是自上而下,，尤其对属于强制检定的计量器具一直实行定点、定周期检定，难免会形成计量检定机构的重复设置，且传递环节增多，从而会损失一些测量准确度。,4.2.3,量值的溯源,现代传感器技术,标准物质,是实现准确一致的测量，保证量值有效传递的计量标准,。,通过使用不同等级的标准物质，使准确度由低到高，逐级进行量值的追溯，直到国际单位，这一过程称为量值的,“,溯源过程,”,。,从国际单位到不同等级的标准物质由高至低进行量值传递，最终至实际测量现场的过程，被称为量值的,“,传递过程,”,。,由此形成了,化学测量的完整的溯源,量传体系,。在这个溯源链中，标准物质起着复现量值、传递测量不确定度和实现测量准确一致的至关重要的作用,。,4.2.3,量值的溯源,现代传感器技术,量值溯源,要求实验室对自己检测标准的相关量值，主动地与上一级检定机构取得联系，追溯高于自己准确度（一般遵循,1/10,或,1/3,法则）的量值与之比较，确定自己的准确性。而,量值传递,是上一级检定部门将自身的量值传递给低于其准确等级的部门，主要是指国家强制性检定的内容。,溯源与传递的主要区别在于：,溯源是自下而上的活动，带有主动性；,量值传递是自上而下的活动，带有强制性。溯源性的概念是量值传递概念的逆过程。,4.2.4,量值传递与量值溯源的区别,现代传感器技术,4.2.4,量值传递与量值溯源的区别,现代传感器技术,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,4.3.1,标定和校准,1.,计量基准与计量标准,计量基准器具简称计量基准，是指用以复现和保存计量单位量值，经国家计量主管部门批准，作为统一全国量值最高依据的计量器具。,计量标准是计量标准器具的简称,，指准确度低于计量基准，用于检定其他计量标准或工作计量器具的计量器具。,目前中国已建立了复现各个物理量单位的国家计量基准,150,多项。,中华人民共和国计量法,计量基准管理办法,(,2007),现代传感器技术,2.,标定和校准的概念,新研制的或生产制作的传感器需要利用已知基准或标准器（指传感器、仪器或设备）对其技术性能进行全面的检定和定度，建立其输出量与输入量之间的关系，并确定其基本的静、动态特性，包括,灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度和固有频率,等。这种利用标准器具对传感器性能进行定度的过程，称为,标定,。,传感器使用一段时间以后或经过修理，需要利用标准器具对其性能指标重新进行确认，看其是否可以继续使用或仍符合原先技术指标所规定的要求，这一性能复测过程称为,校准,。,4.3.1,标定和校准,现代传感器技术,3,传感器标定,原则,传感器,标定有产品计量标定和非产品标定之分。产品标定必须遵照国家计量法，按照国家量传体系进行，保证量值的准确传递，确保标定结果的合法性和准确性。非产品标定结果往往是供自己使用，或在小范围内使用，对标定设备及操作人员不要求资质，标定结果自然也就没有传播、传递的合法性。,量值,传递体系，是为量值的准确传递，由国家根据经济合理，分工协作的原则，以城市为中心，就地就近组织的量值传递网。,4.3.1,标定和校准,现代传感器技术,为了保证各种物理量量值的一致准确，国际上多提倡量值溯源体系。量值溯源是从下而上，企业可根据测量准确度的要求，自主地寻求具有较佳不确定度的参考标准进行测量设备的校准，甚至可以跨地区、跨国界与国家的或国际的计量基准进行比对或校准，因而可以比较合理地满足使用要求。,传感器标定用的标准量因被测量不同而异，但它们必须是长期稳定的、高精度基准，如砝码、块规等实物基准；如铂铑,-,铂热电偶等标准传感器；如分析传感器用的标准物质等。,4.3.1,标定和校准,现代传感器技术,4.,标定的基本方法与系统组成,被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等；,被测量的标准测试系统，如标准力传感器、标准温度计、高精度位移计等；,待标定传感器所配接的信号检测设备，如信号调节器、显示器、记录仪等。因为所配接的检测仪器是作为标准测试设备来使用的，因此其精度应是已知的。,4.3.1,标定和校准,位移传感器标定仪,便携式流量标定仪,现代传感器技术,4.3.1,标定和校准,传感器的,标定与校准：,通过试验，建立传感器的输出,-,输入特性及其误差关系。,传感器的标定与校准,方法,：标准设备产生已知非电量,输入量，测试被标定传感器相应的输出量，并与输入量比较，作出标定图表。,传感器的,标定系统,：被测非电量的标准发生器与标准测试系统；待标传感器与配接的信号调理和显示、记录器等。,静态标定,标定静态特性：灵敏度，线性度，精度,；,传感器的,标定,动态标定,动态特性参数,(,；,n,，,),测试,动态标定信号：阶跃信号或正弦信号。,传感器的标定与校准的,目的,:,保正测量的准确、统一和法制性。,现代传感器技术,1.,静态标准条件。,传感器的静态特性是在静态条件下进行标定的，而静态的标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（,20,5,）、相对湿度不大于,85,，大气压力为（,101.3,8,）,KPa,时的情况。,2.,标定仪器设备的精度等级的确定。,对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度等级。所以在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，标定确定的传感器静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。,4.3.2,传感器的静态标定,现代传感器技术,38,3,静态标定的方法步骤,(1),把传感器、检测设备连接，,搭建标定系统,；,(2),将传感器,全量程（测量范围）分成为若干等分点,；,(3),根据传感器量程分点情况，,由小到大依次一点一点地 输入标准量值,，并,记录,下与各输入值相对应的输出值，直至量程满为止；,(4),按照,(3),的分点，并与,(3),相反的顺序，测试并记录反行程的输入值与对应的输出值；,(5),按,(3),、,(4),所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，得到,输出,输入测试数据表,或,输出,输入曲线,；,(6),对测试数据进行必要的处理，可得到被测传感器的线性度、滞后、重复性、灵敏度等静态特性指标。,(7),对量程、分辨力等余下的指标按要求进行标定。,4.3.2,传感器的静态标定,现代传感器技术,传感器的动态标定主要用于检验、测试传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。,对传感器进行动态标定，需要对它输入一个标准激励信号,，常用的标准激励信号有两类：,周期函数：如正弦波、三角波等；,瞬态函数：如阶跃波、半正弦波等。,传感器的动态特性可用传递函数描述,，已知传递函数，便可知传感器的阶跃响应和频率响应特性。因此传感器动态特性的测试（或标定）实质上是传感器传递函数的确定。,与静态标定相比，对传感器进行动态标定比较困难。因为产生、测量标准的非电量动态信号需要专门的仪器设备。,4.3.3,传感器的动态标定,现代传感器技术,1,阶跃信号响应法,（,1,）一阶传感器的标定：,确定时间常数,时间常数,表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值,达到最终稳定值的,63.5%,所经过的时间。,4.3.3,传感器的动态标定,y(t)=1,e,t/,一阶传感器的阶跃响应,(a),单位阶跃信号；,(b),一阶传感器阶跃响应曲线,现代传感器技术,4.3.3,传感器的动态标定,若改写上式为,：,1-y(t)=e,-t/,=e,z,，,z=ln1-y(t),其中，,z=-t/,，,z,与,t,线性,。,作,zt,曲线，其斜率,t/,z=-t,，由此确定考虑了传感器瞬态响应的全过程,的,时间常数,。,求一阶传感器时间常数方法,现代传感器技术,4.3.3,传感器的动态标定,（,2),二阶传感器的动态标定：确定传感器的,阻尼比,和,固有频率,n,。,欠阻尼二阶传感器的阶跃响应,二阶传感器,(,1),的阶跃响应,4.3.3,传感器的动态标定,y(t),以,d,=,n,1,2,作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值对应的时间,t,p,=0,，,/,d,，,2,/,d,，,，将,t=,/,d,代入,y(t),的表达式，可得最大过冲量,M,或,测得,M,，由上式，可求阻尼比,；由标定测得的,t,p,，得,f,d,d,n,。,现代传感器技术,2,正弦信号响应法,（,1,）一阶传感器时间常数的确定：将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯德图，则其对数幅频曲线下降,3dB,所测取的角频率，由此可确定一阶传感器的时间常数。,（,2,）二阶传感器阻尼比和固有频率的确定,4.3.3,传感器的动态标定,现代传感器技术,静态标定和校准,静态标定装置：标准活塞压力计，杠杆式测力计。,标准活塞压力计标定装置，如图所示；压力标定如右图所示。,活塞压力计标定压力示意图 压力标定曲线,现代传感器技术,静态标定和校准,杠杆式测力计标定装置，如图,1,所示，砝码重量与压力的关系：,W,=,pSb,/,a,p=Wa/Sb,现代传感器技术,动态标定和校准,动态信号压力源,：产生满意的周期或阶跃压力；并能可靠地确定其真实,压力,-,时间关系,。,稳态标定,（需周期性稳态压源）,活塞与缸筒式,稳态压力源，如图所示。调节手柄可以改变压力的幅值，可获得,70kg/cm,2,的峰值压力，频率可达,100Hz,。,活塞缸筒稳态压力源示意图,1-,接被检压力计；,2-,接标准压力计；,3-,飞轮；,4-,调节手柄,现代传感器技术,振动传感器的标定和校准,振动信号源：振动台产生正弦激励的标定信号。,一、绝对标定法,激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的振幅值,Xm(m),；,精密数字频率计测出振动台的振动频率,f(1/s),；,精密数字电压表测出传感器输出电压值,rms(mV),被标振动传感器的加速度灵敏度,Sa,为,现代传感器技术,振动传感器的标定和校准,二、比较标定法,将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。标定时，分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值,Ua,和,U,，若标准测振传感器的加速度灵敏度为,Sa,0,，则被标传感器加速度灵敏度,Sa,为,Sa=Sa,0,U/Ua,频率响应的标定，在振幅恒定条件下，改变振动台激振频率，测出传感器输出电压与振动频率的关系，即幅频响应。,比较被标传感器与标准传感器输出信号的相位差，可得传感器的相频特性,现代传感器技术,振动传感器比较标定系统,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,传感器的误差,：传感器的输出值与理论输出值之差。,由于传感器内部产生的噪声和由外部混入传感器中的噪声是不可能完全消除的。因此,传感器的噪声不为零，而且是随机变化的,，它使传感器对应于某个输入量不可能有唯一确定的输出，从而产生误差。,设传感器的输入为,x,，输出为,y,，其理想方程为：,y,Sx,其中,S,为静态灵敏度。,4.4.1,传感器的误差,现代传感器技术,考虑到环境条件、时间因素对输出的影响，其输出输入关系可表示为：,传感器经标定后，其输出输入关系变为：,x,与输入相同单位的输出值；,C,标定系数；,(,q,t,),与输入相同单位的输出噪声量。,4.4.1,传感器的误差,现代传感器技术,如果传感器的静态误差表示为：,并使：,则：,s,(,x,q,t,),包含了非线性误差、迟滞误差以及灵敏度随环境和时间的变化；,(,q,t,),为各种噪声引起的传感器输出，而且越靠近输入端的元件所产生的噪声在输出端的影响越大；,s,(,x,q,t,),与,(,q,t,),是随时间而随机变化的，它或大或小，有正有负，有一定的统计规律；,当,s,的时间平均值偏离零时，,S,0,也将发生变化。,4.4.1,传感器的误差,现代传感器技术,如果传感器的输入量是随时间而变化，且变化的频率是在传感器的工作频率范围之内，这时传感器的输出输入关系可表示为：,传感器的动态误差则为：,由上式可知，,传感器应在 变化不大的频率范围内使用，并将 控制在一定范围内，否则将有较大的动态误差,。,4.4.1,传感器的误差,现代传感器技术,传感器的信噪比是指其信号功率,SP,与噪声功率,NP,之比，是表示传感器检测微弱信号能力的一项指标。,SNR,越高，说明信号超过噪声越多，使信号更容易检测。,传感器的,输入,信噪比与,输出,信噪比之比称为,噪声系数,F,，它同样也是衡量传感器检测微弱信号能力的一项指标，噪声系数是越低越好，即：,4.4.2,传感器的信噪比,现代传感器技术,设信号与噪声互不相关：,由于噪声是随机信号，其功率按统计规律处理，因此上式可用均方值表示为,：,如果传感器输入噪声为,n,i,，则其,噪声系数,为：,4.4.2,传感器的信噪比,现代传感器技术,当传感器内部噪声为,0,，即：,当传感器内部噪声不为零时，则：,当传感器的频带与输入噪声频谱相比是非常窄时，传感器起一定滤波作用，此时，,传感器检测弱信号的能力用,x,m,表示，它是指,输出信噪比,为,1,时,输入,的大小，则：,4.4.2,传感器的信噪比,现代传感器技术,在一定的噪声输入时，,x,m,越小，传感器的,噪声系数,F,也越小，因此表明该传感器检测弱信号的能力越强,。,当传感器,F,值一定时，则必须抑制由输入端混入的噪声，以降低其,x,m,值，提高检测弱信号的能力。,当传感器的频带较宽，无滤波效果时，应尽量减小其内部噪声，使,F,接近,1,，或者在满足所需精确度传递信号的条件下，使传感器的频带尽量变窄，以得到较高的输出信噪比。,当输出的噪声较大不可忽略时，可采用平均法,，即在较小的时间间隔（应小于输出最小变化周期）内取输出的平均值，来得到较高的输出信噪比。,4.4.2,传感器的信噪比,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,1,、区别：,噪声是绝对的,，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。,干扰是相对有用信号而言的,，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。,噪声与,干扰是因果关系，噪声是干扰之因,，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。,干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。,4.5.1,干扰与噪声,现代传感器技术,61,2,、三要素,噪声,形成干扰必须具备三个条件，即三要素,。,噪声源,有,对噪声敏感的,接受,电路,噪声,源到接收电路之间的,耦合通道,。,（,1,）,干扰源,：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机,、无绳电话和高压电线等,都可以产生空中电磁信号等。,（,2,）,传播途径,：传播途径是指干扰信号的传播路径。,（,3,）,接收载体,：接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。,4.5.1,干扰与噪声,现代传感器技术,传感器系统中除了被测信号等有用信号外出现的一切不需要的信号，即,所有不希望有的动态分量，统称为传感器噪声,。,传感器噪声表现形式一般是不规则和随机的，但也有规则的，如电源纹波、放大器自激振荡等。,传感器噪声的来源和种类比较复杂，按产生原因可分机械的、音响的、光的、热的、电磁的、化学的等。,4.5.2,传感器噪声,现代传感器技术,1.,共阻抗耦合,是,由于几个电路之间有,公共阻抗,，当一个电路中有电流流过时，在公共阻抗上产生一个压降，这一压降对其它与公共阻抗相连的电路形成干扰。,电源内阻共阻抗耦合,：当用一个电源对几个电子线路或传感器供电时，电源内阻抗产生共阻抗耦合。,公共地线的耦合,：在传感器系统的公共地线上，有各种信号电流流过。由于地线本身具有一定的阻抗，在其上必然形成压降，该压降就形成对有关电路的干扰电压。,4.5.3,噪声的耦合方式,现代传感器技术,信号输出电路的相互干扰,：当传感器系统的信号电路有几路负载时，任何一个负载的变化都会通过输出阻抗的共阻抗耦合而影响其他输出电路。,模拟系统与数字系统共地耦合干扰,：通常数字系统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大的波动噪音，数字电路和模拟电路共地时尤为严重。,消除或减小电阻耦合的方法,是采用,单点供电,与,单点接地,，在相当多的电路中难免使用公共电源线和地线，应尽量将公共线缩短、加粗。,4.5.3,噪声的耦合方式,现代传感器技术,2.,静电耦合,由于两个电路之间存在寄生电容，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。由于寄生电容在电路中是普遍存在的，如两平行导线间，直导线与平面间、同轴电缆间等场合都存在寄生电容。,3.,电磁耦合,：又称感性耦合或互感耦合,是由于两个电路之间存在互感，当干扰源是以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰，使得当一个电路的电流变化时，通过磁交链影响到另一个电路。,4.5.3,噪声的耦合方式,现代传感器技术,4,漏电耦合,由于两部分电路之间绝缘不良，高电位电路通过绝缘电阻向低电平电路漏电，这种漏电电流对低电平电路造成干扰。,检测较高的直流电压时，被测电压通过绝缘电阻向检测器输入电路漏电；,在传感器系统附近有较高的直流电源，电压源通过绝缘电阻向传感器输入电路漏电；,有高输入阻抗的直流放大器，因为输入阻抗取值很大，其引入的干扰电压的数值就大。,4.5.3,噪声的耦合方式,现代传感器技术,5.,传导耦合,指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。最常见的是电源线经噪声环境，它把交变电磁场感应到电源回路中而形成感应电势，再经这条电源线传送到各处进入电子装置，造成干扰。,6.,辐射电磁场耦合,大功率的高频电气设备，周围的广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。传感器系统若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。,4.5.3,噪声的耦合方式,现代传感器技术,1.,消除或抑制噪声源,消除或抑制噪声源是最积极主动的措施，因为它能从根本上消除或减小干扰。,在实际工作中，只有一部分在设计者管理权限范围内的噪声源可以消除或抑制；,大多数噪声源是独立存在、无法消除或抑制的，如自然噪声源、周围工厂的电器设备产生的噪声等。,本传感器系统视为噪声，而对另一设备则是有用信号，对这类信号就不能进行抑制。,4.5.4,传感器低噪化方法,现代传感器技术,2.,破坏干扰的耦合通道,对于以,“,路,”,的形式侵入的干扰，可以采用阻截或给予低阻通路的办法，使干扰不能进入接收电路。,提高绝缘电阻以抑制漏电干扰,采用隔离技术来切断地环路干扰,采用滤波、屏蔽、接地等技术给干扰以低阻通路，引开干扰；,采用整形、限幅等措施切断数字信号干扰的途径等。,对于以,“,场,”,的形式侵入的干扰，一般采用屏蔽措施并兼用,“,路,”,的抑制干扰措施，使干扰受到阻截并难以以,“,路,”,的形式侵入电路。,4.5.4,传感器低噪化方法,现代传感器技术,3.,消除接收电路对干扰的敏感性,不同的电路结构形式对干扰的敏感程度不同。,一般高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易接收干扰；,模拟电路比数字电路易于接收干扰；,布局松散的电子装置比结构紧凑的易于接收干扰。,为削弱电路对干扰的敏感性，可以采用滤波、选频、双绞线、对称电路和负反馈等措施。,4.,采用软件抑制干扰,:,对于有些已进入电路的干扰，用硬件措施又不易实现或不易奏效，可以考虑在采用微处理器的智能传感器系统中，通过编入一定的程序进行信号处理和分析判断，达到抑制干扰的目的。,4.5.4,传感器低噪化方法,现代传感器技术,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,内部干扰,白噪声（热运动）,闪烁噪声（表面状态）,外部干扰,市电干扰,温度变化,机械振动,电磁感应,电磁辐射,屏蔽,接地,浮置,滤波,光电耦合,措施,4.6,传感器中的抗干扰措施,现代传感器技术,屏蔽,是将整个系统或部分单元用导电或导磁的材料包围起来构成屏蔽层，再将屏蔽层接地的技术。,屏蔽抗干扰的一般,原则,是：,针对不同的干扰源采用不同的保护措施；,在采用一种屏蔽保护措施的同时要注意使该措施不能破坏另一种屏蔽保护措施收到的屏蔽效果；,根据干扰源的性质确定屏蔽材料；,根据检测系统的浮地要求确定屏蔽的对象、屏蔽的连接和接地。,屏蔽的作用是隔断,“,场,”,的耦合，抑制各种场的干扰。因此只适合防止两种类型的外部干扰：一是由大气噪声、星际干扰、雷电、天体辐射、大功率电气设备、高压设备等引起的,电磁辐射干扰,；二是通过静电感应引入的,静电电磁干扰,。,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,1,、静电屏蔽,由静电学知道，处于静电平衡状态下的导体内部各点等电位，即导体内部无电力线。利用金属导体的这一性质，并加上,接地,措施，则静电场的电力线就在,接地,的金属导体处中断，起到隔离电场的作用。,静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。,在传感器有关电路布线时，如果在两导线之间敷设一条接地导线，则两导线之间的静电耦合将明显减弱。,若将具有静电耦合的两个导体，在间隔保持不变的条件下靠近大地，其耦合也将减弱。,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,2,、电磁屏蔽,采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用,高频,电磁场对屏蔽金属的作用，在屏蔽金属内产生,涡流,，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而达到屏蔽的效果。,电磁屏蔽主要用来防止,高频,电磁场的影响，其对低频电磁场干扰的屏蔽效果是非常小的。基于涡流反磁场作用的电磁屏蔽，在原理上与屏蔽体是否接地无关，但在一般应用时，屏蔽体都是接地的，这样又同时起到静电屏蔽作用。,电磁屏蔽依靠涡流产生作用，因此必须用良导体如铜、铝等做屏蔽层,。,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,3,、低频磁屏蔽,电磁屏蔽,对低频磁通干扰的屏蔽效果是很差的，因此当存在低频磁通干扰时，要采用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体的内部，防止其干扰作用。,为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时要有一定的厚度，以减小磁阻。,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,78,4,、驱动屏蔽,用被屏蔽导体的电位，通过,1:1,电压跟随器来驱动屏蔽层导体的电位,。,若,1:1,电压跟随器是理想的，即在工作中导体,B,与屏蔽层,C,之间的绝缘电阻为无穷大，并且等电位。那么，在,B,导体之外与屏蔽层内侧之间,即，导体,A,的电场影响不到导体,B,。这时，尽管导体,B,与屏蔽层,C,之间有寄生电容存在，但是，因,B,与,C,等电位，故此寄生电容也不起作用。,驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰,。,的空间无电力线，各点等电位。,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,为了克服寄生电容的干扰，对一般传感器必须将其放置在金属壳体内，并将壳体接地；对其引出线，必须采用屏蔽线，该屏蔽线的屏蔽层要与壳体相连，且屏蔽线屏蔽层应良好接地。,对于电容式传感器，仍然存在,“,电缆寄生电容,”,干扰问题。,解决方案,：,将电容式传感器测量电路的前级或全部与传感元件组装在一起，构成整体式或有源式传感器；,采用驱动屏蔽。,4.6.1,屏蔽,现代传感器技术,80,4.6.1,屏蔽,接地是电路内部的一个电位参考点。,从这参考点，可以测量其它电位,。接地也可以被认为是电流的一个共同回归路径（称为地回电路或地回路），或是与大地的一个直接有形的连接。,4.6.2,接地,现代传感器技术,浮置又称为,浮空,、,浮接,，它指的是测量仪表的输入信号放大器,公共地,(,即模拟信号地,),不接机壳或大地,。对于被浮置的测量系统，,测量电路与机壳或大地之间无直流联系,。,屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰电流流经信号线，而是让干扰电流流经屏蔽层到大地。浮置与屏蔽接地的作用相反，是阻断干扰电流的通路。,浮置的传感器测量系统。测量电路有两层屏蔽，,外层屏蔽（外壳）接大地,，,内层屏蔽罩通过信号线的屏蔽层在信号源处接地,。因,测量电路与内层屏蔽罩不相连,，因此是浮置输入。,4.6.3,浮置,现代传感器技术,83,4.6.3,浮置,测量电路与内层屏蔽罩不相连,滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作。,4.6.4,滤波,现代传感器技术,85,光电耦合器是一种,以光为耦合媒质，通过光信号的传递来实现输入与输出间电隔离的器件,，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。,在光电耦合器输入端加电信号使光源发亮，光的强度取决于激励电流的大小，当光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了,“,电,光,电,”,的转换。,由于两个电路之间采用光束来耦合，因此能把两个电路的地电位完全隔离开。,4.6.5,光电耦合,现代传感器技术,光耦合器隔离的,前、后通道必须分别使用互相隔离的电源,，这样才能达到将前、后通道完全隔离的目的；,需考虑光耦合器的响应速度,。从灭到亮、从亮到灭，光耦合器在传输信号时存在着一定的滞后效应，对高频信号应注意响应频率；,在设计具体电路时，需要注意前、后信号的传输相位、发光侧是常灭还是常亮,(,从提高光耦合器使用寿命的角度应为常灭,),、接收端电平是常高还是常低等细节问题。这些都需根据具体情况设定的；,4.6.5,光电耦合,现代传感器技术,本章内容,4.1,测量概述,4.2,量值的传递与溯源,4.4,传感器的误差与信噪比,4.5,噪声及其抑制,4.6,传感器中的抗干扰措施,4.7,改善传感器性能的技术途径,现代传感器技术,应根据实际的需要与可能，对传感器的结构、材料与参数做出合理的选择。,选择的原则,是：根据实际需要，确保主要指标，放宽次要指标，以求得高的性能价格比。,而对用户而言，则应按实际需要，恰如其分地选用能满足使用要求的产品，即使对主