第十二章傳感器選擇與使用

1、第12章傳感器的選擇與使用 第12章傳感器的選擇與使用 12.1傳感器的正確選擇傳感器的正確選擇 12.2傳感器的合理使用傳感器的合理使用 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第12章傳感器的選擇與使用 12.1傳感器的正確選擇傳感器的正確選擇 由于傳感器的研制和發(fā)展非常快，各種各樣的傳感器應(yīng) 運(yùn)而生，因此對(duì)傳感器的選擇就變得更加靈活。對(duì)于同一種 類(lèi)的被測(cè)物理量，可以選用多種不同的傳感器。為了選擇最 適合于測(cè)試目的的傳感器，一般說(shuō)來(lái)，應(yīng)注意如下事項(xiàng)。 1. 與測(cè)量條件有關(guān)的事項(xiàng)與測(cè)量條件有關(guān)的事項(xiàng) 與測(cè)量條件有關(guān)的事項(xiàng)包括測(cè)量的目的、被測(cè)試量的選 擇、測(cè)量范圍、輸入信號(hào)的最大值、頻帶寬度、指標(biāo)要求、 測(cè)

2、量所需要的時(shí)間等。 第12章傳感器的選擇與使用 2. 與傳感器有關(guān)的事項(xiàng)與傳感器有關(guān)的事項(xiàng) 與傳感器有關(guān)的事項(xiàng)包括靜態(tài)特性指標(biāo)、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)、 模擬量還是數(shù)字量、輸出量及其數(shù)量級(jí)、被測(cè)物體產(chǎn)生的負(fù) 載效應(yīng)、校正周期、超標(biāo)準(zhǔn)過(guò)大的輸入信號(hào)的保護(hù)等。 3. 與使用條件有關(guān)的事項(xiàng)與使用條件有關(guān)的事項(xiàng) 與使用條件有關(guān)的事項(xiàng)包括傳感器的設(shè)置場(chǎng)所、環(huán)境條 件(溫度、濕度、振動(dòng)等)、測(cè)量時(shí)間、與其他設(shè)備的連接及 距離、所需功率容量等。 4. 與購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)有關(guān)的事項(xiàng)與購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)有關(guān)的事項(xiàng) 與購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)有關(guān)的事項(xiàng)包括性能價(jià)格比、零配件的儲(chǔ) 備、售后服務(wù)、維修制度、保修時(shí)間、交貨日期等。 第12章傳感器的選擇與使

3、用 以上是選擇傳感器的主要注意事項(xiàng)。雖然選擇傳感器時(shí) 要考慮的事項(xiàng)很多，但無(wú)需滿足所有的事項(xiàng)要求，應(yīng)根據(jù)實(shí) 際使用的目的、指標(biāo)、環(huán)境等有不同的側(cè)重點(diǎn)。例如，長(zhǎng)時(shí) 間連續(xù)使用的傳感器就必須重視經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)等長(zhǎng)期穩(wěn)定 性問(wèn)題；對(duì)機(jī)械加工或化學(xué)分析等時(shí)間比較短的工序過(guò)程， 則需要靈敏度和動(dòng)態(tài)特性較好的傳感器。為了提高測(cè)量精度, 應(yīng)注意平常使用時(shí)的顯示值，要在滿刻度的50%左右來(lái)選擇 測(cè)定范圍或刻度范圍。選擇傳感器的響應(yīng)速度其目的是適應(yīng) 輸入信號(hào)的頻帶寬度，從而提高信噪比。此外，還要合理選 擇設(shè)置場(chǎng)所，注意安裝方法，了解傳感器的外形尺寸、重量 等；注意從傳感器的工作原理出發(fā)，分析被測(cè)物體中可能產(chǎn) 第

4、12章傳感器的選擇與使用 生的負(fù)載效應(yīng)等問(wèn)題，以確定選擇哪一種傳感器最合適。這 方面的例子比比皆是。例如，某油田注水機(jī)房為確保電機(jī)安 全運(yùn)行，需在幾臺(tái)電機(jī)上設(shè)置30個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫范圍是 12100，環(huán)境惡劣，且傳感器與測(cè)試、處理電路之間 引線長(zhǎng)。能用于測(cè)溫的傳感器有多種類(lèi)型，本門(mén)課程介紹過(guò) 的就有四五類(lèi)。經(jīng)過(guò)查閱資料，反復(fù)思考，對(duì)比各傳感器的 特性參量，否定了熱電偶及其他電阻絲傳感器，采用了鉑電 阻傳感器。其原因如下： 鉑絲的純度可做到99.999%或更 高； 鉑電阻可以測(cè)低溫(20060 )、中溫(0 350 )及高溫(0 500 )； 鉑絲的直徑范圍為0.03 0.1 mm，應(yīng)用于500以

5、下時(shí)測(cè)溫精度高于熱電偶式傳感 第12章傳感器的選擇與使用 器； 在溫度小于200時(shí)，鉑電阻的非線性系數(shù)小于0.3%； 便于在惡劣環(huán)境下設(shè)計(jì)、安裝等。經(jīng)實(shí)際使用，鉑電阻 傳感器能夠滿足用戶要求。 第12章傳感器的選擇與使用 12.2傳感器的合理使用傳感器的合理使用 12.2.1線性化及補(bǔ)償線性化及補(bǔ)償 傳感器使用中的一個(gè)問(wèn)題就是線性化及補(bǔ)償。線性化及 補(bǔ)償就是在使用傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，要進(jìn)行下述兩種處 理。 第一種處理是對(duì)傳感器的輸入-輸出特性進(jìn)行補(bǔ)償，也 稱(chēng)線性化處理。一般地，對(duì)測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行顯示、記錄時(shí)， 應(yīng)該采用能夠直讀的形式。如果某測(cè)量系統(tǒng)所顯示的數(shù)值還 要由讀取的人乘以某個(gè)修正系數(shù)，

6、或者進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算之后才 能獲得真值，那么，這個(gè)系統(tǒng)就沒(méi)有什么實(shí)用價(jià)值了。這里 問(wèn)題的關(guān)鍵在于傳感器的輸入-輸出特性。 第12章傳感器的選擇與使用 圖12.1示出了實(shí)際傳感器的幾種典型輸入-輸出特性曲 線。圖12.1(a)是通過(guò)原點(diǎn)的線性特性曲線，它可以算是最完 善的特性，但為了將顯示值轉(zhuǎn)換成能直讀的真值，還必須在 輸出值上乘以系數(shù)進(jìn)行系數(shù)補(bǔ)償。圖12.1(b)也是相當(dāng)好的不 通過(guò)原點(diǎn)的線性特性曲線，對(duì)它除了要進(jìn)行系數(shù)補(bǔ)償之外， 同時(shí)還要進(jìn)行減B處理。圖12.1(c)是最簡(jiǎn)單的平方特性曲線， 也需進(jìn)行開(kāi)方處理和系數(shù)補(bǔ)償。圖12.1(d)為最簡(jiǎn)單的指數(shù)特 性曲線，這時(shí)需進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換處理。除此之外，

7、還有其他各 種特性(對(duì)數(shù)特性、1x特性及非函數(shù)特性等)的傳感器，對(duì) 這些傳感器也必須進(jìn)行相應(yīng)的處理。 第12章傳感器的選擇與使用 圖12.1實(shí)際傳感器的幾種典型輸入-輸出特性曲線 第12章傳感器的選擇與使用 當(dāng)微處理機(jī)技術(shù)還沒(méi)有引入傳感器時(shí)，這種處理是依靠模擬 電路采取具有與傳感器相反特性的元件，用硬件的方法來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。例如，在具有指數(shù)特性的傳感器上配上對(duì)數(shù)變換器， 如圖12.2所示。該對(duì)數(shù)變換器采用了兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩只 參數(shù)相同的三極管，同時(shí)具有很好的溫度補(bǔ)償作用。不難證 明： 第12章傳感器的選擇與使用 式中： ，為溫度的電壓當(dāng)量，在常溫下(300 K)， UT26 mV；R3可選合適的

8、熱敏電阻，以補(bǔ)償U(kuò)T的溫度系數(shù)。 圖12.2中，C1、C2用來(lái)進(jìn)行相位補(bǔ)償。若E=10 V，R1=10 kW, R2=100 kW，R4=15 kW，R3=1 kW， 則 Uo=0.416 lnU11=0.416x 傳感器的輸入與經(jīng)過(guò)變換后的輸出變成了線性的關(guān)系。 第12章傳感器的選擇與使用 圖12.2一種線性化處理電路 第12章傳感器的選擇與使用 又如，應(yīng)用廣泛的熱敏元件半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻-溫 度特性是非線性的。NTC型熱敏電阻的電阻-溫度關(guān)系可表 示為 熱敏電阻的這種特性使其實(shí)際使用起來(lái)很不方便。人們 為解決熱敏電阻的線性問(wèn)題想了不少辦法，其中最常用的方 法是將熱敏電阻與溫度系數(shù)可忽略的

9、固定電阻串(并)聯(lián)組成 線性網(wǎng)絡(luò)。適當(dāng)選取阻值可以在一定的溫度區(qū)域內(nèi)得到近似 線性變化的電壓或電阻輸出。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均已證明，圖12.3 所示的線性網(wǎng)絡(luò)的線性范圍相當(dāng)寬，且計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的公式 也十分簡(jiǎn)單，因而比較實(shí)用。 第12章傳感器的選擇與使用 圖12.3熱敏電阻線性化網(wǎng)絡(luò) 第12章傳感器的選擇與使用 這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)是方便、直觀；缺點(diǎn)是有時(shí)線路復(fù) 雜，特別是要得到非常合適的特性較麻煩，且常常要增加附 加開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)行補(bǔ)償。 在采用微處理機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)中或智能傳感器中，這種線 性化處理可以變得非常簡(jiǎn)便，而這種處理幾乎都是通過(guò)軟件 來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？蓪鞲衅鬏斎搿⑤敵鲋g的關(guān)系數(shù)值修正、集 合構(gòu)成可查找的

10、表格，借助軟件查找測(cè)量結(jié)果；可把傳感器 的測(cè)量范圍劃分成若干段，然后在每個(gè)分段內(nèi)進(jìn)行線性插值 或拋物線插值，通過(guò)程序計(jì)算，求出測(cè)量結(jié)果；也可進(jìn)行曲 線擬合修正，使傳感器的非線性誤差趨于最小的程度。 第12章傳感器的選擇與使用 第二種處理是在傳感器的輸出量中包含有被測(cè)物理量以 外的因素時(shí)，為校正這些因素的影響而進(jìn)行的。例如，在溫 度變化范圍較大的系統(tǒng)中測(cè)量畸變時(shí)，就不能忽略由于溫度 變化引起的畸變傳感器輸出值的變化。這時(shí)，可在畸變傳感 器上或同一溫度場(chǎng)內(nèi)再加一個(gè)溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度，根據(jù) 測(cè)得的溫度值對(duì)畸變傳感器的輸出值進(jìn)行校正處理。有效地 使用這種處理，就會(huì)得到如同使用萬(wàn)用表測(cè)量電阻之前先調(diào)

11、一下零點(diǎn)一樣的效果。人們所熟悉的應(yīng)變式傳感器的應(yīng)變片 溫度補(bǔ)償就是這種處理的典型例子。應(yīng)變片通常采用電橋補(bǔ) 償法和自補(bǔ)償法對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。所謂電橋補(bǔ)償法，就是在 測(cè)量時(shí)在被測(cè)試件上安裝工作片，而在另一個(gè)不受力的、與 第12章傳感器的選擇與使用 測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償件上安裝一個(gè)補(bǔ)償片，使其與被測(cè)試 件處于完全相同的溫度場(chǎng)內(nèi)，然后把兩者接入電橋的相鄰臂 上。自補(bǔ)償法則是制造時(shí)在同一基片上用兩種合金絲做成一 個(gè)工作片和一個(gè)補(bǔ)償片，以便使用時(shí)分別接入測(cè)量電橋的相 鄰兩臂，或嚴(yán)格選擇敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)和線膨脹系 數(shù)，使之在特定線膨脹系數(shù)的試件上使用時(shí)，溫度誤差為零， 從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?第1

12、2章傳感器的選擇與使用 傳感器的非線性、工作環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等變化引 起的誤差在實(shí)際中常常是互相關(guān)聯(lián)的，不能分割成互相獨(dú)立 的函數(shù)。在采用微處理機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)中或智能傳感器中，應(yīng) 綜合考慮。這時(shí)可將傳感器的輸出作為一個(gè)多變量的函數(shù)來(lái) 研究，即Z=f(x；y1, yn)。式中，Z為傳感器的輸出；x為傳 感器的輸入；y1, y2, yn為環(huán)境參量，如溫度、濕度、振動(dòng) 等。如果只考慮環(huán)境溫度的影響，則可將智能傳感器的輸出 當(dāng)作二元函數(shù)來(lái)對(duì)待，采用二元線性插值法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行綜 合修正。 第12章傳感器的選擇與使用 12.2.2傳感器的定標(biāo)傳感器的定標(biāo) 所謂傳感器的定標(biāo)，是指在明確輸入和輸出的變換關(guān)系

13、 的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行刻度。在 傳感器使用前對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)以后，在使用過(guò)程中還要定期進(jìn) 行檢查，確認(rèn)精度及性能是否滿足所制定的標(biāo)準(zhǔn)。傳感器的 定標(biāo)依據(jù)不同的傳感器而有所差異，但基本方法是一致的。 下面以晶體管溫度傳感器為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。 要使溫度傳感器的輸出(如電壓、電流或頻率等電學(xué)量) 直接表示溫度，就必須對(duì)傳感器進(jìn)行定標(biāo)。由于晶體管溫度 傳感器的輸出具有好的溫度線性，因而原則上只要做兩點(diǎn)定 標(biāo)即可。因?yàn)閷?duì)于線性函數(shù)，只要已知兩點(diǎn)就可以把這條直 第12章傳感器的選擇與使用 線確定下來(lái)。實(shí)際上，通過(guò)兩點(diǎn)定標(biāo)就確定了傳感器的零點(diǎn) 和標(biāo)尺因子(即靈敏度)，于是傳感器的輸出將直接

14、表示溫度 數(shù)值。由于晶體管溫度傳感器和其他傳感器一樣，具有非線 性，因此雖可進(jìn)行線性化及補(bǔ)償，但不可能達(dá)到完全理想的 線性。為了減小傳感器的非線性誤差，兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)溫度不應(yīng) 靠得太近，而應(yīng)選大體上與工作溫度范圍的上、下限和中點(diǎn) 等距離的兩點(diǎn)?？紤]到晶體管溫度傳感器的實(shí)際工作溫度范 圍，經(jīng)常選用的定標(biāo)溫度有水的冰點(diǎn)0(273.15 K)、沸點(diǎn)。 100 (373.15 K)和室溫(300 K)。 第12章傳感器的選擇與使用 12.2.3電磁兼容問(wèn)題電磁兼容問(wèn)題 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)獲得 了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著 電磁能量的轉(zhuǎn)換，高密度、寬頻譜的電

15、磁信號(hào)充滿著整個(gè)人 類(lèi)的生存空間，構(gòu)成了極其復(fù)雜的電磁環(huán)境。以測(cè)試系統(tǒng)、 通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主干的電子系統(tǒng)在這樣 的電磁環(huán)境中受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代電子系統(tǒng)與 當(dāng)今電磁環(huán)境構(gòu)成了一對(duì)難以分割的孿生兄弟。電子系統(tǒng)越 是現(xiàn)代化，所造成的電磁環(huán)境就越復(fù)雜；反之，復(fù)雜的電磁 環(huán)境又對(duì)電子系統(tǒng)提出更為嚴(yán)格的要求。人們面臨著一個(gè)新 的問(wèn)題，這就是如何提高現(xiàn)代電子、電氣設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中 第12章傳感器的選擇與使用 的生存能力，以保證達(dá)到電子系統(tǒng)初始的設(shè)計(jì)目的。正是在 這種背景下才產(chǎn)生了電磁兼容性的概念，形成了一門(mén)新的學(xué) 科電磁兼容性(EMC，ElectroMagnetic Compat

16、ibility)。 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的定義，電磁兼容即“設(shè)備或者系統(tǒng)在 其電磁環(huán)境中能夠正常工作且不對(duì)環(huán)境中其他任何事物構(gòu)成 不能承受的電磁干擾的能力”。隨著微電子、信息、現(xiàn)代通 信等高新技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電磁兼容已成為人類(lèi) 迫切關(guān)注和需要解決的一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。目前，美國(guó)、 加拿大、日本、歐洲各國(guó)都在積極地采取措施推進(jìn)EMC國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)制定和EMC認(rèn)定準(zhǔn)備工作。EMC已成為產(chǎn)品認(rèn)證領(lǐng) 域的新熱點(diǎn)。我國(guó)也在這方面積極地準(zhǔn)備著，EMC認(rèn)證已 成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。 第12章傳感器的選擇與使用 電磁兼容性設(shè)計(jì)要求可用“電磁兼容性不等式”來(lái)描述， 即 干擾源強(qiáng)度傳播衰減因子設(shè)備抗干擾能力 式

17、中的三個(gè)因素可以分別或同時(shí)采取措施，使不等式成立。 電磁兼容性設(shè)計(jì)就是要減小不等式左邊兩個(gè)因子，提高不等 式右邊“設(shè)備抗干擾能力”(即降低設(shè)備對(duì)干擾的敏感度)， 使效果最佳并且代價(jià)最小。 1. 電磁噪聲與電磁干擾電磁噪聲與電磁干擾 電磁噪聲是指不帶任何信息，即與任何信號(hào)無(wú)關(guān)的電磁 現(xiàn)象。在射頻頻段內(nèi)的電磁噪聲稱(chēng)為無(wú)線電噪聲，它是由機(jī) 電或者其他人為裝置產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象，稱(chēng)為人為噪聲；來(lái)源 于自然現(xiàn)象的噪聲稱(chēng)為自然噪聲。電磁干擾是指任何能中斷、 阻礙、降低或者限制電子設(shè)備的有效性能的電磁能量。 第12章傳感器的選擇與使用 2. 電磁干擾的三要素和傳播途徑電磁干擾的三要素和傳播途徑 所有電磁干擾都是

18、由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生的：電磁 干擾源、敏感設(shè)備和耦合通道。相應(yīng)地，抑制所有電磁干擾 的方法也要從這三個(gè)方面提出。 電磁干擾源是指任何產(chǎn)生電磁干擾的元件、器件、設(shè)備、 分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。干擾源分為內(nèi)部干擾源和外部干 擾源。內(nèi)部干擾源是設(shè)備裝置內(nèi)部和器件本身(如印制電路 板上)產(chǎn)生的干擾源；外部干擾源主要有自然干擾和人為干 擾， 自然干擾有大氣干擾、宇宙干擾和雷電干擾等，人為 干擾又可以分為有意發(fā)射干擾和無(wú)意發(fā)射干擾。廣播、通信、 雷達(dá)等屬于有意發(fā)射干擾，而輸電線、電器設(shè)備、點(diǎn)火系統(tǒng) 等則屬于無(wú)意發(fā)射干擾。 第12章傳感器的選擇與使用 耦合途徑(或稱(chēng)傳輸通道)是指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞?

19、干擾設(shè)備的耦合通道。耦合一般以傳導(dǎo)和輻射兩種方式傳輸， 但是因?yàn)殡姶怒h(huán)境十分復(fù)雜，因此實(shí)際的干擾往往是復(fù)合情 況。 沿電源線或信號(hào)線傳輸?shù)碾姶篷詈戏Q(chēng)為傳導(dǎo)耦合，即電 磁能量沿著導(dǎo)線傳輸?shù)狡渌O(shè)備和單元電路而造成的干擾。 其中包括沿電源線傳導(dǎo)的電磁干擾、通過(guò)公共電源內(nèi)阻的耦 合和通過(guò)公共地阻抗的耦合。 輻射耦合是指通過(guò)空間傳播進(jìn)入設(shè)備的電磁干擾。干擾 源的周?chē)臻g可劃為兩個(gè)區(qū)域：緊靠干擾源的區(qū)域稱(chēng)為近場(chǎng) 區(qū)或感應(yīng)場(chǎng)區(qū)；距離大于l/2p的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)或輻射場(chǎng)區(qū)。 在感應(yīng)場(chǎng)區(qū)，輻射耦合分為電容耦合和電感耦合兩種形式。 第12章傳感器的選擇與使用 3. 電磁兼容性電磁兼容性 電磁兼容是指電子、電氣設(shè)

20、備或者系統(tǒng)的一種工作狀態(tài)。 在這種狀態(tài)下，它們不因?yàn)閮?nèi)部或者彼此間存在的電磁干擾 而影響其正常工作。電磁兼容性則是指電子、電氣設(shè)備或者 系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力，它是 電子、電氣設(shè)備或者系統(tǒng)的一種重要的技術(shù)性能。電磁兼容 性包括以下幾個(gè)方面的含義： (1) 設(shè)備或者系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗給定電磁干擾的能力，并 且有一定的安全余量，即它不會(huì)因受到處于同一電磁環(huán)境中 其他設(shè)備或者系統(tǒng)發(fā)射的電磁干擾而產(chǎn)生不允許的工作性能 的降低。 第12章傳感器的選擇與使用 (2) 設(shè)備或者系統(tǒng)不產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定限度的電磁干擾，即 它不會(huì)產(chǎn)生處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備或者系統(tǒng)出現(xiàn)超過(guò) 規(guī)定的工作性能降低的

21、電磁干擾。 (3) 電子設(shè)備可按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求完成其預(yù)定功能使命。 4. 電磁兼容控制技術(shù)電磁兼容控制技術(shù) 電磁兼容技術(shù)在控制干擾的策略上采取了主動(dòng)預(yù)防、整 體規(guī)劃、對(duì)抗和疏導(dǎo)等相結(jié)合的方針。人類(lèi)在征服大自然各 種災(zāi)難性危害的過(guò)程中，總結(jié)出的預(yù)防和救治、對(duì)抗和疏導(dǎo) 等一系列策略或預(yù)案，在控制電磁危害時(shí)同樣是極其有效的 思維方法。首先，電磁兼容性控制是一項(xiàng)系統(tǒng)過(guò)程，應(yīng)該在 設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都充分 第12章傳感器的選擇與使用 地予以考慮和實(shí)施才可能有效?？茖W(xué)而先進(jìn)的電磁兼容工程 管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。在控制方法上，除了 采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)(如

22、屏蔽、接地、搭接、 合理布線等)以外，還可以采取回避和疏導(dǎo)技術(shù)，如空間方 位分離、頻率劃分、回避、濾波、吸收和旁路等。有時(shí)這些 回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡(jiǎn)單而巧妙，可以代替成本昂貴而質(zhì)量、體 積較大的硬件，收到事半功倍的效果。以上這些都是精明的 工程師們經(jīng)常采用的控制方法。在解決電磁干擾問(wèn)題時(shí)，應(yīng) 該將設(shè)備研制后期暴露出不兼容問(wèn)題而采取挽救修補(bǔ)措施的 被動(dòng)控制方法，轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計(jì)初始階段就開(kāi)展預(yù)測(cè)分析 和設(shè)計(jì)，預(yù)先檢驗(yàn)計(jì)算，并全面規(guī)劃實(shí)施細(xì)則和步驟，做到 防患于未然。將電磁兼容性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，維護(hù)性、維 修性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的基本功能結(jié)果設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并行開(kāi)展。 第12章傳感器的選擇與使用 12.2.4

23、抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 1. 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù) 人們將防止靜電的或電磁的相互感應(yīng)所采用的各項(xiàng)措施 稱(chēng)為“屏蔽”。例如，利用低阻材料銅或鋁制成的容器，將 需要防護(hù)的部分包起來(lái)，或者用導(dǎo)磁性良好的鐵磁材料制成 的容器，將需要防護(hù)的部分包起來(lái)。屏蔽的目的就是隔斷 “場(chǎng)”的耦合，也就是說(shuō)，屏蔽主要是抑制各種場(chǎng)的干擾。 屏蔽可分為以下幾類(lèi)。 (1) 靜電屏蔽。由靜電學(xué)知道，處于靜電平衡狀態(tài)下的 導(dǎo)體內(nèi)部，各點(diǎn)等電位，即導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電力線。利用金屬導(dǎo) 體的這一性質(zhì)，加上接地措施，則靜電場(chǎng)的電力線就在接地 的金屬導(dǎo)體處中斷，起到隔離電場(chǎng)的作用。 第12章傳感器的選擇與使用 靜電屏蔽能防止靜電場(chǎng)的影響，用它可消除

24、或削弱兩電 路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。在電源變壓器 的原邊與副邊繞組之間插入一個(gè)梳齒形導(dǎo)體，并將它接地， 以此來(lái)防止兩繞組間的靜電耦合，這就是靜電屏蔽的范例。 在傳感器有關(guān)電路布線時(shí)，如果在兩導(dǎo)線之間敷設(shè)一條接地 導(dǎo)線，則兩導(dǎo)線之間的靜電耦合將明顯減弱。若將具有靜電 耦合的兩個(gè)導(dǎo)體，在間隔保持不變的條件下靠近大地，則其 耦合也將減弱。 第12章傳感器的選擇與使用 (2) 電磁屏蔽。所謂電磁屏蔽，是指采用導(dǎo)電良好的金 屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽金屬的作用在屏 蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，由渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消或減弱干擾磁場(chǎng) 的影響，從而達(dá)到屏蔽的效果。一般的屏蔽多數(shù)是指電磁屏 蔽。

25、電磁屏蔽主要用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)的影響，其對(duì)低頻磁 場(chǎng)干擾的屏蔽效果是非常小的。 基于渦流反磁場(chǎng)作用的電磁屏蔽在原理上與屏蔽體是否 接地?zé)o關(guān)，但在一般應(yīng)用時(shí)，屏蔽體都是接地的，這樣又同 時(shí)起到靜電屏蔽的作用。 第12章傳感器的選擇與使用 電磁屏蔽依靠渦流產(chǎn)生作用，因此必須用良導(dǎo)體如銅、 鋁等做屏蔽層。考慮到高頻集膚效應(yīng)，高頻渦流僅流過(guò)屏蔽 層的表面一層，因此屏蔽層的厚度只需考慮機(jī)械強(qiáng)度就可以 了。當(dāng)必須在屏蔽層上開(kāi)孔或開(kāi)槽時(shí)，必須注意孔和槽的位 置與方向應(yīng)不影響或盡量少影響渦流的途徑，以免影響屏蔽 效果。 第12章傳感器的選擇與使用 (3) 低頻磁屏蔽。電磁屏蔽對(duì)低頻磁通干擾的屏蔽效果 是很差的

26、，因此當(dāng)存在低頻磁通干擾時(shí)，要采用高導(dǎo)磁材料 作屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內(nèi) 部，防止其干擾作用。為了有效地進(jìn)行低頻磁屏蔽，屏蔽層 材料要選用諸如坡莫合金之類(lèi)對(duì)低磁通密度有高導(dǎo)磁率的鐵 磁材料，同時(shí)要有一定的厚度，以減小磁阻。 (4) 驅(qū)動(dòng)屏蔽。驅(qū)動(dòng)屏蔽就是用被屏蔽導(dǎo)體的電位，通 過(guò)1 1電壓跟隨器來(lái)驅(qū)動(dòng)屏蔽層導(dǎo)體的電位，其原理如圖 12.4所示。若1 1電壓跟隨器是理想的，即在工作中導(dǎo)體B 與屏蔽層C之間的絕緣電阻為無(wú)窮大，并且等電位，那么， 在B導(dǎo)體之外與屏蔽層內(nèi)側(cè)之間的空間無(wú)電力線，各點(diǎn)等電 第12章傳感器的選擇與使用 位。這說(shuō)明，導(dǎo)體A噪聲源的電場(chǎng)影響不到導(dǎo)體B。

27、這時(shí)， 盡管導(dǎo)體B與屏蔽層C之間有寄生電容存在，但是，因B與C 等電位，故此寄生電容也不起作用。因此，驅(qū)動(dòng)屏蔽能有效 地抑制通過(guò)寄生電容的耦合干擾。應(yīng)指出的是，在驅(qū)動(dòng)屏蔽 中所采用的1 1電壓跟隨器，不僅要求其輸出電壓與輸入電 壓的幅值相同，而且要求兩者之間的相移為零。另一方面， 此電壓跟隨器的輸入阻抗與Zi相并聯(lián)，為減小其并聯(lián)作用， 要求跟隨器的輸入阻抗無(wú)窮大。實(shí)際上，這些要求只能在一 定程度上得到滿足。驅(qū)動(dòng)屏蔽屬于有源屏蔽，只有當(dāng)高質(zhì)量 的線性集成電路出現(xiàn)以后，這種屏蔽才達(dá)到了真正的實(shí)用 階段。 第12章傳感器的選擇與使用 圖12.4驅(qū)動(dòng)屏蔽 第12章傳感器的選擇與使用 在實(shí)際使用傳感器時(shí)

28、，應(yīng)準(zhǔn)確判斷是靜電耦合干擾、高 頻電磁場(chǎng)干擾、低頻磁通干擾，還是寄生電容干擾。針對(duì)不 同的干擾，應(yīng)采用不同的屏蔽對(duì)策。同時(shí)，要根據(jù)不同類(lèi)型 的傳感器，采用不同的屏蔽措施。例如，為了克服寄生電容 的干擾，對(duì)一般傳感器，必須將其放置在金屬殼體內(nèi)，并將 殼體接地；對(duì)其引出線，必須采用屏蔽線，該屏蔽線要與殼 體相連，且屏蔽線、屏蔽層應(yīng)良好接地。但對(duì)電容式傳感器， 仍然存在“電纜寄生電容”干擾問(wèn)題，而且是長(zhǎng)期以來(lái)難以 解決的棘手的技術(shù)問(wèn)題。微電子技術(shù)的發(fā)展已為解決這個(gè)問(wèn) 題創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。其中的一種解決方案是將電容傳 感器測(cè)量電路的前級(jí)或全部與傳感元件組裝在一起，構(gòu)成整 體式或有源式傳感器；另一種

29、解決方案就是依據(jù)我們上面介 紹的驅(qū)動(dòng)屏蔽原理，采用驅(qū)動(dòng)屏蔽。 第12章傳感器的選擇與使用 2. 接地接地 接地是一種技術(shù)措施，它起源于強(qiáng)電技術(shù)。對(duì)于強(qiáng)電， 由于電壓高，功率大，容易危及人身安全，因此有必要將電 網(wǎng)的零線和各種電氣設(shè)備的外殼通過(guò)接地導(dǎo)線與大地相連， 使之與地等電位，以保證人身和設(shè)備的安全。傳感器外殼或 導(dǎo)線屏蔽層等接大地是著眼于靜電屏蔽的需要，即通過(guò)接大 地給高頻干擾電壓形成低阻通路，以防止其對(duì)傳感器的干擾。 由于習(xí)慣的原因，在電子技術(shù)中把電信號(hào)的基準(zhǔn)電位點(diǎn)也稱(chēng) 為“地”，因此，在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中的接地一般就是指接 電信號(hào)的基準(zhǔn)電位。 第12章傳感器的選擇與使用 通常有如下幾種地

30、線。 (1) 保護(hù)接地線。出于安全防護(hù)的目的將電子測(cè)量裝置 的外殼屏蔽層接地，所用的地線叫做保護(hù)接地線。 (2) 信號(hào)地線。電子裝置中的地線，除特別說(shuō)明接大地 以外，一般都是指作為電信號(hào)的基準(zhǔn)電位的信號(hào)地線。電子 裝置的接地是涉及抑制干擾和保證電路工作性能穩(wěn)定、可靠 的關(guān)鍵問(wèn)題。信號(hào)地線既是各級(jí)電路中靜、動(dòng)態(tài)電流的通道， 又是各級(jí)電路通過(guò)某些共同的接地阻抗而相互耦合，從而引 起內(nèi)部干擾的薄弱環(huán)節(jié)。 第12章傳感器的選擇與使用 信號(hào)地線又可分為兩種： 一種是模擬信號(hào)地線(AGND)，它是模擬信號(hào)的零信號(hào) 電位公共線； 另一種是數(shù)字信號(hào)地線(DGND)，它是數(shù)字信號(hào)的零電 平公共線。數(shù)字信號(hào)處于脈

31、沖工作狀態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)脈沖電流在 雜散的接地阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓，即使尚未達(dá)到足以影響 數(shù)字電路正常工作的程度，但對(duì)于微弱的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，往 往已成為嚴(yán)重的干擾源。為了避免模擬信號(hào)地線與數(shù)字信號(hào) 地線之間的相互干擾，二者一定要分開(kāi)設(shè)置。 第12章傳感器的選擇與使用 (3) 信號(hào)源地線。傳感器可看做是測(cè)量裝置的信號(hào)源。 通常傳感器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而顯示、記錄等測(cè)量裝置則安 裝在離現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)。在接地要求上，二者不 同，有差別。信號(hào)源地線是傳感器本身的零信號(hào)電位基準(zhǔn)公 共線。 (4) 負(fù)載地線。負(fù)載電流一般較前級(jí)信號(hào)電流大得多， 負(fù)載地線上的電流在地線中產(chǎn)生的干擾作用也大，因此對(duì)負(fù) 載地線

32、和測(cè)量放大器的信號(hào)地線也有不同的要求。有時(shí)，二 者在電氣上是相互絕緣的，它們之間可通過(guò)磁耦合或光耦合 傳輸信號(hào)。 第12章傳感器的選擇與使用 在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，上述四種地線一般應(yīng)分別設(shè)置。 在電位需要連通時(shí)，可選擇合適的位置作一點(diǎn)相連，以消除 各地線之間的相互干擾。 3. 浮置浮置 浮置又稱(chēng)為浮空、浮接，它指的是測(cè)量?jī)x表的輸入信號(hào) 放大器公共地(即模擬信號(hào)地)不接機(jī)殼或大地。對(duì)于被浮置 的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量電路與機(jī)殼或大地之間無(wú)直流聯(lián)系。 屏蔽接地的目的是將干擾電流從信號(hào)電路引開(kāi)，即不讓 干擾電流流經(jīng)信號(hào)線，而是讓干擾電流流經(jīng)屏蔽層到大地。 浮置與屏蔽接地的作用相反，它是阻斷干擾電流的通路。測(cè) 量系統(tǒng)被浮置后，明顯地加大了系統(tǒng)的信號(hào)放大器公共線與 大地(或外殼)之間的阻抗，因此浮置能大大減小共模干擾電 流。圖12.