《單片機系統(tǒng)設計及工程應用》課件第11章

11.1傳感器概述11.2傳感器選擇與應用11.3傳感器的抗干擾技術(shù)11.4智能傳感器習題11我們將能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置稱為傳感器(Transducer)，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換部件組成。傳感器也稱為變換器、變送器或換能器，是控制系統(tǒng)的感覺器官，其測量精度對控制系統(tǒng)的影響非常重要。本章概要介紹控制系統(tǒng)中常用傳感器的原理及應用，使讀者能夠了解其在系統(tǒng)中的重要性及選擇方法。

11.1傳感器概述人的感覺器官——眼、耳、鼻等，可以將自然界中事物的特征及其變化現(xiàn)象——色、聲、味等變換為相應的信號傳輸給大腦，經(jīng)過大腦分析、判斷發(fā)出指令，使有關(guān)器官產(chǎn)

生相應的行動。在控制系統(tǒng)中，傳感器的作用與人的感覺器官相類似，將被測對象——聲、力、溫度、速度等及其變化轉(zhuǎn)換為可測信號，傳送給測量裝置，從而得到所需的測

量數(shù)據(jù)。傳感器往往由敏感元件與輔助部件組成。例如，電阻應變式傳感器中，電阻絲是敏感元件，基底、引線等則為輔助部件。敏感元件是傳感器的核心，它直接感受被測量并變換為相應的信號形式。傳感器是控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié)，其性能和可靠性將直接影響整個系統(tǒng)的性能和可靠性。

隨著測量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個重要組成部分，受到了普遍重視。

1.傳感器的重要性

(1)傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

沒有傳感器對各種物理量進行精確可靠的測量，無論是信息轉(zhuǎn)換、信息處理，還是最佳數(shù)據(jù)的顯示與控制，都是一句空話。事實上，如果沒有精確可靠的傳感器，就不會有可靠的自動檢測和控制系統(tǒng)。

(2)傳感器是機器人的重要組成部件。

在工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)中，要完成檢測、操作與驅(qū)動功能、比較與判斷功能，都必須借助于兩類傳感器：一類是檢測機器人內(nèi)部各部分狀態(tài)的傳感器，另一類是檢測機器人與被操作對象的關(guān)系和檢測機器人與工作現(xiàn)場之間狀態(tài)的傳感器。為了使機器人能夠從事更高級的作業(yè)，必須為機器人開發(fā)更精良的“電五官”——傳感器。

(3)傳感器是航天、航海事業(yè)中不可缺少的器件。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類在不斷探索宇宙空間的奧秘，不斷進行海洋資源的開發(fā)利用。在現(xiàn)代飛行器上，裝備著種類繁多的顯示與控制系統(tǒng)，以確保各種飛行任務的順

利完成。而在這些系統(tǒng)中，傳感器被用來檢測飛行器的參數(shù)和工作狀態(tài)等各種物理量。

(4)能源開發(fā)和能源合理利用離不開傳感器。

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的消耗不斷增加，解決能源危機已成為當務之急。

當然我們能采取的對策是開發(fā)新能源與合理利用現(xiàn)有能源。太陽能、風能、海洋能等，是取之不盡、用之不竭的能源，要開發(fā)它們，就少不了傳感器。合理利用能源就是如何

節(jié)約能源，提高能源效率，這當然也離不開傳感器。

(5)傳感器是例行試驗的必需器件。

各種產(chǎn)品在定型、投產(chǎn)之前都要對其在各種可能工作環(huán)境的運行狀況進行例行試驗。如高溫試驗、低溫試驗、鹽霧試驗、車載試驗、汽車的剎車試驗等，而對各種信號的檢測當然也離不開傳感器。

(6)傳感器在生物醫(yī)學和醫(yī)療器械工程等方面得到了廣泛應用。

傳感器將人體各種生理信息轉(zhuǎn)換成工程上容易測定的量(一般都是將非電量轉(zhuǎn)換成易于測量、處理的電量)，從而正確地顯示出人體生理信息。如體溫的測量與控制、病癥的診治與控制都要借助傳感器來完成。

(7)傳感器在家用電器中應用廣泛。

家用電器如電磁灶、電冰箱、洗衣機、電視機、空調(diào)器等都是靠敏感器件來實現(xiàn)自動化的，煤氣、液化氣泄漏報警裝置等也都離不開傳感器。

2.傳感器的組成

傳感器的作用主要是感受和檢測規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成有用輸出信號，特別是完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。傳感器的組成，并無嚴格的規(guī)定。一般來說，可以把傳感器看作由敏感元件和變換元件兩部分組成，如圖11.1所示。圖11.1傳感器的一般組成

(1)敏感元件。

在具體實現(xiàn)非電量到電量間的變換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有的技術(shù)手段直接變換為電量，而必須進行預變換，即先將待測的非電量變換為易于轉(zhuǎn)換成電量的另

一種非電量。這種能完成預變換的元件稱之為敏感元件。

(2)變換器。

能將感受到的非電量變換為電量的器件稱為變換器。例如，可以將位移量直接變換為電容、電阻及電感的電容變換器、電阻變換器及電感變換器；能直接把溫度變換為電勢的熱電偶變換器等。顯然，變換器是傳感器不可缺少的重要組成部分。在實際應用中，由于一些敏感元件能直接輸出變換后的電信號，而一些傳感器又不包括敏感元件在內(nèi)，因此常常無法將敏感元件與變換器嚴格加以區(qū)分。

如果把傳感器看作一個二端口網(wǎng)絡，則其輸入信號主要是被測的物理量(如長度、溫度、速度等)時，必然還會有一些干擾信號(如溫度、電磁信號等)混入。嚴格地說，傳感器的輸出信號可能為上述各種輸入信號的復雜函數(shù)。就傳感器設計來說，希望盡可能做到輸出信號僅僅是(或分別是)某一被測信號的確定性單值函數(shù)，且最好呈線性關(guān)系。對使用者來說，則要選擇合適的傳感器及相應的電路，保證整個測量設備的輸出信號能惟一、正確地反映被測量的值，而對干擾信號能加以抑制或?qū)Σ涣加绊懩茉O法加以修正。

3.傳感器的分類

傳感器可以做得非常簡單，也可以做得很復雜；可以是無源網(wǎng)絡，也可以是有源系統(tǒng)；可以是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，也可以是不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng)；有只具有變換功能的普

通傳感器，也有包含信號處理及單片機的智能傳感器。

傳感器種類繁多，功能各異。由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)探測，利用同一種物理法則、化學反應或生物效應可設計制作出檢測不同被測量的傳感器，同一類傳感器可用于不同的應用領(lǐng)域，因此傳感器的分類方法較多。

(1)按照傳感器感知外界信息依據(jù)的基本效應，將傳感器分成3大類:基于物理效應的，如光、電、聲、磁、熱等效應的物理傳感器；基于化學反應的，如化學吸附、選擇性化學反應等效應的化學傳感器；基于酶、抗體、激素等分子識別功能的生物傳感器。

(2)按工作原理分為應變式、電容式、電感式、電磁式、壓電式、熱電式等傳感器。

(3)依據(jù)傳感器使用的敏感材料分為半導體傳感器、光纖傳感器、陶瓷傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器和復合材料傳感器等。

(4)按照被測量分為力學傳感器、熱量傳感器、磁傳感器、光電傳感器、放射線傳感器、氣敏傳感器、液體成分傳感器、離子傳感器和真空傳感器等。

(5)按能量關(guān)系分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型兩類。所謂能量控制型傳感器，是指其變換的能量是由外部電源供給的，而傳感器輸入量的變化只起控制作用。而能量轉(zhuǎn)換型

傳感器是將輸入的物理量轉(zhuǎn)換為另一種便于識別的物理量(一般為電量)。

(6)按傳感器是利用場的定律還是利用物質(zhì)的定律分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。二者組合兼有兩者特征的傳感器稱為復合型傳感器。場的定律是關(guān)于物質(zhì)作用的定律，例如動力場的運動定律、電磁場的感應定律等。利用場的定律做成的傳感器有電動式傳感器、電容式傳感器、激光檢測器等。物質(zhì)的定律是指物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的規(guī)律，例如彈性體遵從的虎克定律、晶體的壓電特性、半導體材料的霍爾效應等，利用物質(zhì)的定律做成的傳感器有壓電傳感器、熱敏電阻構(gòu)成的熱傳感器、光敏電阻構(gòu)成的光傳感器等。

(7)按是否需要外加電源分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器敏感元件工作需要外加電源，無源傳感器工作不需外加電源。

(8)按輸出量類型分為模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器。

4.傳感器的命名

根據(jù)GB7666標準規(guī)定，一種傳感器的全稱應由“主題詞+四級修飾語”組成，即：

主題詞——傳感器。

一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。

二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。

三級修飾語——特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。四級修飾語——主要技術(shù)指標(如量程、精確度、靈敏度范圍等)。

在技術(shù)文件、產(chǎn)品說明書、學術(shù)論文、教材、書刊等的陳述句中，傳感器名稱應采用反序排列：

四級修飾語→三級修飾語→二級修飾語→一級修飾語→傳感器

在實際運用中，可根據(jù)產(chǎn)品具體情況省略任何一級修飾語。但國標規(guī)定，傳感器作為商品出售時，第一級修飾語不得省略。例如：

“我廠購進了150只各種測量范圍的電位器式線位移傳感器”(此例省略了第三、第四級修飾語)。

“壓電式傳感器是一種很有發(fā)展前途的物性型傳感器”(省略了第一、第三、第四級修飾語)。

傳感器規(guī)格代號應包括以下4部分，如圖11.2所示。

a——主稱(傳感器)；

b——被測量；

c——轉(zhuǎn)換原理；

d——序號。

在主稱、被測物理量、轉(zhuǎn)換原理和序號之間用連字符“

”連接。圖11.2傳感器命名格式

5.幾種常用傳感器舉例

為了使讀者對傳感器有一個直觀的了解，下面列出幾種常用傳感器。當然，工程應用所涉及的傳感器種類會更多。1)接近開關(guān)

如圖11.3所示，接近開關(guān)有電感式和電容式兩種，是一種開關(guān)型傳感器(即無觸點行程開關(guān))。它既有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性，同時又有傳感性能，并且具有動作可靠、性能穩(wěn)定、響應快、使用壽命長、抗干擾能力強、防水、防震、耐腐蝕等特點。接近開關(guān)廣泛應用于機械、礦山、紡織、印刷、化工、冶金、輕工、閥門、電力、保安、鐵路、航天等各個行業(yè)。圖11.3一種接近開關(guān)外形圖圖11.4一種火焰?zhèn)鞲衅?/p>

2)火焰?zhèn)鞲衅?/p>

圖11.4是一種火焰?zhèn)鞲衅鳎捎米贤夤饷艄茏鳛槊舾性?，具有很強的抗干擾能力，不受日光、燈光和紅外線輻射影響，能可靠地檢測出火焰是否存在?；鹧?zhèn)鞲衅髦饕米髯贤馓綔y、自動滅火系統(tǒng)的探頭。

3)氣體傳感器

圖11.5是一種氣體傳感器，氣體類型不同，傳感器的種類也有所不同，目前已經(jīng)研制使用的氣體傳感器能夠檢測一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)、氫氣(H2)、氧氣(O2)等幾十種類型的氣體。氣體傳感器主要用來檢測易燃、易爆、有毒、有害氣體。圖11.5一種氣體傳感器圖11.6幾種溫度傳感器圖11.7一種壓電傳感器

4)溫度傳感器

溫度傳感器不論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天測量、科學研究等領(lǐng)域，還是在人們的日常生活中都得到了十分廣泛的應用，從日常體溫測量到載人宇宙飛船的成功發(fā)射，都離不

開溫度傳感器。溫度傳感器可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。常用的有熱電偶式傳感器、熱敏電阻式溫度傳感器、半導體熱敏電阻式傳感器、熱釋放式傳感器等。幾種溫度傳感器如圖11.6所示。

5)壓電傳感器

圖11.7是一種壓電傳感器，其基本原理是利用壓電材料受力就會有電壓(電荷)輸出的壓電效應特性研制的傳感器，可用來測量壓力、位移、速度、加速度等物理量。由于是利用壓力來測量，為了便于安裝一般都會有牢固的機殼。

6)光電傳感器

光電傳感器是一種利用光電效應將被測量的變化轉(zhuǎn)換

成光量，再利用光敏元器件把光量的變化轉(zhuǎn)換為電信號的

一種測量裝置。具有體積小、重量輕、響應快、靈敏度高、便于集成、易實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，廣泛應用于自動控制系統(tǒng)、位移監(jiān)測、事件計數(shù)、自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。

單片機的應用領(lǐng)域非常廣泛，所涉及的傳感器也是五花八門的，如磁敏傳感器、光纖傳感器、紅外傳感器、光柵傳感器、濕敏傳感器等，在此不一一介紹了。在各種控制系統(tǒng)測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器已成為非常重要的部件之一。對單片機應用系統(tǒng)來說，常常要檢測各種物理量(溫度、濕度、位移、速度等)，正確選擇傳感器，對于保證系統(tǒng)精度，提高可靠性，降低系統(tǒng)成本等方面都非常重要。

1.傳感器的選擇

由于傳感器的研制和發(fā)展非?？?，各種各樣的傳感器應運而生，對傳感器的選擇就變得更加靈活。對于同一種類的被測物理量，可以選用多種不同的傳感器。為了選擇最適合于工程應用的傳感器，必須多了解多熟悉各種類型的傳感器。11.2傳感器選擇與應用就合理選擇傳感器而言，應包括以下幾點：

(1)測量條件：

包括測量的目的、測量范圍、頻帶寬度、指標要求、測量速率等。

(2)傳感器指標：

其中有靜態(tài)特性、動態(tài)特性、輸出信號類型、輸出值、負載大小、校正周期、輸入信號的保護等。

(3)使用條件：

包括傳感器的設置場所、運行環(huán)境(溫度、濕度、振動等)、測量時間、輸入/輸出接口及功耗等。

(4)性價比及產(chǎn)品供應：

由于傳感器技術(shù)發(fā)展快，單一品種用量較少，因此選擇時要注意產(chǎn)品是否能保證及時供應并確定供應時間。在保證貨源的前提下，選擇性能價格比高的通用產(chǎn)品，除非十分必要才選擇那些特殊性能的傳感器。

雖然選擇傳感器時要考慮的因素很多，但無需滿足所有的要求，應根據(jù)實際使用的目的、指標、環(huán)境等有所側(cè)重。例如，長時間連續(xù)使用的傳感器，就必須重視經(jīng)得起時

間考驗，能夠長期穩(wěn)定運行；而對機械加工或化學分析等時間比較短的過程，則需要靈敏度和動態(tài)特性較好的傳感器。選擇傳感器的響應速度，目的是適應輸入信號的頻帶寬

度，從而提高信噪比。此外，還要合理選擇設置場所，安裝方法，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)，分析被測物體中可能會產(chǎn)生的負載效應等問題，以確定選擇哪一種傳感器最合適。一般情況下，只要能夠滿足系統(tǒng)測量精度就夠了，不必在精度方面有過高的要求，因為傳感器的精度與價格緊密相關(guān)。

2.傳感器的使用

1)線性化及補償

線性化及補償就是如何保證被測量的變化與傳感器的輸出信號之間呈線性關(guān)系及對非線性如何修正的問題。在使用傳感器進行實際測量時，要進行下述兩種處理。

(1)對傳感器的輸入、輸出特性進行補償，也稱為線性化處理。

在采用單片機的測量系統(tǒng)或智能傳感器中，這種線性化處理比較簡便，可以通過軟件來實現(xiàn)?？蓪鞲衅鬏斎?、輸出之間的關(guān)系數(shù)值加以修正，并集合構(gòu)成表格，借助軟件查找測量結(jié)果；可把傳感器的測量范圍劃分成若干段，然后在每個分段內(nèi)進行線性插值或拋物線插值，通過程序計算，求出測量結(jié)果；也可進行曲線擬合修正，使傳感器的非線性誤差趨于最小。

(2)消除在傳感器的輸出量中包含被測物理量以外的其他因素時而進行的處理。例如，在溫度變化較大的系統(tǒng)中測量信號畸變時，就不能忽略由于溫度變化引起的畸變而使傳感器輸出值的變化。這時，可在畸變傳感器上或同一溫度場內(nèi)再加一個溫度傳感器來測量溫度，根據(jù)測得的溫度值對畸變傳感器的輸出值進行校正處理，消除因溫度變化對測量精度的影響。有效地使用這種處理，就會得到如同使用萬用表測量電阻之前先調(diào)一下零點一樣的效果。

2)傳感器的定標

所謂傳感器的定標，是指在明確輸入和輸出的變換對應關(guān)系的前提下，利用某種標準對傳感器進行刻度。在傳感器使用前對其進行定標，在使用過程中還要定期進行檢查，確認精度及性能是否滿足所制定的標準。定標不同的傳感器有所差異，但基本方法是一致的。通常用精度較高的儀器來為精度較低的儀器定標。在任何傳感器的輸出中，總會不可避免地混雜著各種干擾和噪聲，它們來自系統(tǒng)的內(nèi)部和外部。來自外部的干擾有市電干擾、溫度變化、機械振動、電磁感應及輻射等，來自內(nèi)部的干擾有熱噪聲、信號輻射等。在單片機測量系統(tǒng)中，要采取各種抗干擾措施消除這些噪聲對測量精度的影響。下面討論應用系統(tǒng)中幾種實用的抗干擾措施。11.3傳感器的抗干擾技術(shù)

1.屏蔽技術(shù)

我們將防止靜電或電磁相互感應所采用的各項措施稱之為“屏蔽”。如利用銅或鋁制成的容器，將需要防護的部分包圍起來，可達到抗干擾目的?；蛘哂脤Т判粤己玫蔫F磁材料制成的容器，將需要防護的部分包圍起來以隔斷耦合，也就是說，屏蔽主要用來抑制各種場的干擾。通常將屏蔽分為以下3類。

1)靜電屏蔽

處于靜電平衡狀態(tài)下的導體內(nèi)部，各點電位相等，即導體內(nèi)部無電力線。利用金屬導體的這一性質(zhì)，并加上接地措施，則靜電場的電力線就在接地的金屬導體處中斷，起到隔離電場的作用。靜電屏蔽能防止靜電場的影響，消除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梳齒形導體，并將它接地，以此來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，如果在兩導線之間敷設一條接地導線，則兩導線之間的靜電耦合將明顯減弱。

2)電磁屏蔽

所謂電磁屏蔽，是指采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，由渦流產(chǎn)生的磁場抵消或減弱干擾磁場的影響，從而達到屏蔽的效果。一般所謂的屏蔽，多數(shù)是指電磁屏蔽。電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，其對低頻磁場干擾的屏蔽效果不是太大。

3)低頻磁屏蔽

電磁屏蔽對低頻磁通干擾的屏蔽效果是很差的，因此當存在低頻磁通干擾時，要采用高導磁材料作屏蔽層，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。在實際使用傳感器時，應準確判斷是靜電耦合干擾、高頻電磁場干擾、低頻磁通干擾，還是寄生電容干擾，針對不同的干擾，采用不同的屏蔽對策。同時，要根據(jù)不同類型的傳感器，采用不同的屏蔽措施。例如，為了克服寄生電容的干擾，對一般傳感器必須將其放置在金屬殼內(nèi)，并將機殼接地；對其引出線，必須采用屏蔽線，該屏蔽線要與殼體相連，且屏蔽線屏蔽層應良好接地。

2.接地

在電力系統(tǒng)中，由于電壓高，功率大，容易危及人身安全，因此有必要將各種電氣設備的外殼通過接地導線與大地相連，使之與地等電位，以保證人身和設備的安全。

傳感器外殼或?qū)Ь€屏蔽層等接地是著眼于靜電屏蔽的需要，即通過接地給高頻干擾電壓形成低阻通路，以防止其對傳感器造成干擾。在電子技術(shù)中把電信號的基準電位點也稱

之為“地”，通常有如下幾種地線。

1)保護接地線

出于安全防護的目的將電子測量裝置的外殼屏蔽層接地叫做保護接地線。

2)信號地線

電子裝置中的接地，除特別說明接大地的以外，一般都是指作為電信號的基準電位的信號地。電子裝置的接地是涉及抑制干擾、保證電路工作性能穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵問題。

信號地既是各級電路中靜、動態(tài)電流的通道，又是各級電路通過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)。信號地分為兩種：

一種是模擬信號地線(AGND)，它是模擬信號的零電位公共點；

另一種是數(shù)字信號地線(DGND)，它是數(shù)字信號的零電平公共點。數(shù)字信號處于脈沖工作狀態(tài)，動態(tài)脈沖電流在雜散的接地阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓，即使尚未達到足以影響

數(shù)字電路正常工作的程度，但對于微弱的模擬信號來說，已成為嚴重的干擾源。為了避免模擬信號地線與數(shù)字信號地線之間的相互干擾，二者要分別設置。

3)信號源地線

傳感器可看作是測量裝置的信號源。通常傳感器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，而顯示、記錄等測量裝置則安裝在離現(xiàn)場有一定距離的控制室內(nèi)。在接地要求上二者不同，信號源地線乃是傳感器本身的零信號電位基準公共線。

4)負載地線

負載的電流一般較前級信號電流大得多，負載地線上的電流在地線中產(chǎn)生的干擾也大，因此對負載地線和測量放大器的信號地線也有不同的要求。有時，二者在電氣上是相互絕緣的，它們之間可通過磁耦合或光耦合傳輸信號。

在傳感器測量系統(tǒng)中，上述4種地線一般應分別設置。在電位需要連通時，可選擇合適的位置作一點相連，以消除各地線之間的相互干擾。當然，針對具體問題要具體分析，以便確定實用的系統(tǒng)接地方案。

3.浮置

浮置又稱為浮空、浮接，它是指測量儀表的輸入信號放大器公共地(即模擬信號地)不接機殼或大地。對于被浮置的測量系統(tǒng)，測量電路與機殼或大地之間無直流聯(lián)系。

屏蔽接地的目的是將干擾電流從信號電路引開，即不讓干擾電流流經(jīng)信號線，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，是阻斷干擾電流的通路。

測量系統(tǒng)被浮置后，明顯地加大了系統(tǒng)的信號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。浮置不是絕對的，不可能做到“完全浮空”。其原因是，測量電路(或輸入信號放大器)公共線與大地(或外殼)之間雖然電阻值很大(是絕緣電阻級)，可以大大減小電阻性漏電流干擾，但是它們之間仍然存在著寄生電容，即容性漏電流干擾仍然存在。

4.濾波器

使用濾波器是抑制噪聲干擾的重要手段之一，特別是對抑制導線傳導耦合到電路中的噪聲干擾，是一種被廣泛采用的技術(shù)手段。

1)交流電源進線的對稱濾波器

使用交流電源的電子測量儀表，噪聲都會經(jīng)電源線傳導耦合到測量電路中去，必然對其工作造成干擾。為了抑制這種噪聲干擾，在交流電源進入端子間加裝濾波器是十分必要的。

2)高頻對稱濾波器

圖11.8是兩種高頻干擾電壓對稱濾波器，它對于抑制頻率為中波段的高頻噪聲干擾比較有效。圖11.8高頻對稱濾波器

3)直流電源輸出的濾波器

往往是幾個電路公用一個直流電源，為了削弱公用電源在電路間形成的噪聲耦合，對直流電源輸出需加對高頻及低頻進行濾波的濾波器，并采用各電路板分別供電的方案。

4)去耦濾波器

當一個直流電源對幾個電路同時供電時，為了避免通過電源造成幾個電路之間互相干擾，應在每個電路的直流電源進線與地之間加裝去耦濾波器，如圖11.9所示。圖11.9電源去耦濾波器

5.光電耦合

使用光電耦合器能夠切斷地環(huán)路電流的干擾，其原理如圖11.10所示。由于兩個電路之間采用光耦合，因此能把兩個電路的地電位完全隔離開。這樣，即使兩電路的地電位不同，也不會造成干擾。

智能傳感器中采用軟件的方法實現(xiàn)數(shù)字濾波，能有效地抑制隨機噪聲干擾。圖11.10利用光電耦合器斷開地環(huán)路11.4.1智能傳感器概述

隨著測控系統(tǒng)智能化的迅速發(fā)展，在精度、可靠性、穩(wěn)定性、接口及通信等方面都對傳感器提出了更高的要求。單片機技術(shù)使傳感器技術(shù)的應用發(fā)生了巨大的變革，單片

機和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功能強大的智能傳感器。事實上，所謂智能傳感器，就是一種由單片機控制的，具有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯判斷功能的傳感器。11.4智能傳感器傳感器與單片機結(jié)合可以通過以下兩條途徑來實現(xiàn)：一是采用單片機系統(tǒng)以強化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，即傳感器與單片機可分為兩個獨立模塊，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后傳送到單片機模塊進行運算處理。這就是我們所指的一般意義上的智能傳感器，又稱傳感器的智能化。二是借助于半導體技術(shù)，把傳感器部分與信號預處理電路、輸入/輸出接口、單片機等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。集成智能傳感器具有多功能、一體化、精度高、體積小和使用方便等優(yōu)點，是傳感器發(fā)展的必然趨勢。智能傳感器因其在功能、精度、可靠性上較普通傳感器有很大提高，已經(jīng)成為傳感器研究開發(fā)的熱點。近年來，隨著傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也發(fā)展很快，為我們選擇和使用傳感器提供了更大的方便。11.4.2智能傳感器的組成及功能

1.主要功能

與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器采用了單片機技術(shù)，引入了片上系統(tǒng)(SOC)，可以利用軟件十分方便地實現(xiàn)數(shù)字濾波、系統(tǒng)檢測等功能。一般來說，智能傳感器應具有以下功能：

(1)具有邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能。

可對檢測數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。

(2)具有自診斷、自校準功能。

可在接通電源時進行開機自檢，在工作中進行運行自檢，并可實時自行診斷測試，以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。

(3)具有自適應、自調(diào)整功能。

可根據(jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。

(4)具有組態(tài)功能。

可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。

(5)具有記憶、存儲功能。

可進行檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，加快了信息的處理速度

(6)具有數(shù)據(jù)通信功能。

智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通信接口，能實現(xiàn)與計算機通信，對于數(shù)據(jù)的處理、保存、轉(zhuǎn)換十分方便。

智能傳感器系統(tǒng)一般構(gòu)成框圖如圖11.11所示，利用單片機完成信號處理及存儲。圖11.11智能傳感器框圖

2.基本結(jié)構(gòu)

傳感器的智能化指傳感器與單片機可分為兩個獨立模塊，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送入單片機部分進行運算處理。這類智能傳感器主要由傳感器、單片機

及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應的電信號，傳送到信號處理電路中，進行濾波、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，再傳送到單片機中。

單片機是智能傳感器的核心，它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進行計算、存儲和數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)。

3.基本功能

智能傳感器具有良好的自檢功能，開機后單片機先向Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換口輸出一個定值(固定代碼)，經(jīng)DA