传感器应用中噪声的产生及其抑制方法

1、传感器应用中噪声的产生及其抑制方法王岗岭，樊建文(平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山467001)摘 要 ：在智能化控制系统中，传感器是用来感知、测定各种变化量的重要器件，在其使用中的噪声直接 影响着智能化控制的效果。本文针对传感器在应用中噪声的产生、表现形式、耦合方式进行了较详细的论述。 对传感器回路的噪声抑制应考虑到：除去回路系统内有噪声源；回路设计时应采用平衡方式；电路布置时不 要形成环路；避免随意接地；线路布线应采用绞合线；恰当地使用屏蔽线，对高频噪声宜采用薄金属屏蔽层 的屏蔽线，在低频噪声时或磁场干扰较强的情况下，宜采用较厚金属屏蔽层的屏蔽线；应用时还应充分考虑 传感器的特性，尤其

2、是阻抗，信号电平等因素。关键词 ：传感器；噪声；抑制方法中图分类号 ： TP212.9文献标识码： BThe Origination and Elimination of Noise in the Application of SensorWang Gang-ling Fan Jian-wen(Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan, Henan, 467001 )Abstract: in the control system, the sensor plays the crucial role in sensin

3、g and measuring the varied data, but the noise originated in use directly affects the control system. The article thoroughly expounds the origination, showing and coordination mode of noise in use. As far as the elimination of the noise is concerned, the source of noise should be prohibited: the bal

4、ance mode adapted in circuit design, the circle line avoided in devising the electric circuit, free touching the land, too. The electric line should be covered with plastics, protection line used, thin metal layer preferable as to high frequency noise, While thick metal layer to low frequency or str

5、ong magnetic field. Moreover, the feature of sensor, especially the signal level, should be equally considered.Key words: sensor; noise; the method of elimination传感器技术作为信息技术的三大组成部分之一已得到极其广泛的应用。传感器相当于人的感官器官，用 来感知、测定各种物理量、化学量并将其转变成电信号形式，送入计算机或电子线路进行处理，达到监测或 控制的目的。由于传感器技术的快速发展，传感器的品种齐全，精度有很大提高，传感器的使用爱好

6、者也迅 速增多。下面就传感器应用中噪声的产生及其抑制方法作以介绍。1. 传感器噪声的来源和表现形式 传感器噪声的主要来源是来自系统内外的干扰。在传感器回路中，噪声的强弱与信号和噪声的叠加方式有关。其叠加方式有平衡和非平衡两种。在平衡方式中，噪声源Vn在传感器的A与B回路中同相叠加，此为共态噪声。这种噪声电流相互抵消，使负载RL 上的电压不变，噪声信号在负载上不能显现出来，因此，自身不会产生噪声干扰，如图 1所示。对于非平衡方式，噪声源 Vn和信号源Vs串联相加，此为正态噪声。信号电 流i s和噪声电流in的流动方向相同，负载 Rl上信号电流和噪声电流同时显现出来，使负载Rl上的电压增大，此时噪

7、声和信号混合在同一频带内，就无法同信号分离出来，就会产生噪声干扰，如图2 所示。隹感器RsA沪 isI&.丄地遥图2噪声源的不平衡叠加在实际上，通常外界噪声的叠加方式主要是平衡方式，如果传感器回路的不平衡，共态噪声极容易变为正态噪声。其变换情况如图3所示。若传感器回路A、B中存在外界感应噪声 Vn。A、B回路对地间的阻抗分别为Za、Z'a和Zb、Z'b，且有噪声电流 鼻、inB流通。而Za丰ZB , Z'A丰Z'B，回路A、B对地为不平衡，负 载Rl两端的噪声电压 VnL = VnA VnB，由于回路不平衡，则 7 nA丰V nB，所以，VnL 0,即负

8、载Rl两端将显现 出噪声电压VnL。由此可见，噪声产生的关键是回路是否平衡。因此，在应用中要极力防止回路由平衡方式转 变为非平衡方式。从频率范围看，噪声有带内噪声和带外噪声。带内噪声是混在信号频带内的噪声，带外噪声是信号频带 以外的噪声。应注意的是，无论什么样的噪声，一旦混入线路的信号频带内，就分不清哪是噪声，哪是信号 了。因此，最重要的是不要让噪声混人信号频带内，噪声一旦混入信号频带内就不易滤除。带外噪声在理论 上可用带通滤波器滤除。2. 传感器噪声的耦合方式和抑制措施传感器噪声耦合方式有辐射耦合、直接耦合、电容耦合与电磁耦合等四种。噪声的辐射耦合，常见到发射的电磁波混在线路或回路中，这就是

9、线路或回路起到天线作用的结果。 抑制措施：平衡回路、不要构成环路、施加电磁屏蔽等。噪声的直接耦合，传感器与其他电路具有共同阻抗时，传感器电路受到其他电路的影响，如图4所示，传感器电路和继电器电路共用地线。当开关S闭合时，就有电流i流通，由于地线有电阻 R存在，因此，AB间产生电压降。此压降作为不平衡方式加到传感器电路上，并在负载Rl两端显现出来。抑制措施：减少传感器电路与其他电路的公共部分，避开采用公共电源，特别要注意地线等，从而减少传感器电路与其他电路之间的直接耦合。地线噪声的电容耦合就是静电感应的作用。图6中1、2代表两根导线，Ci和C2分别是两根导线与地之间的等效电容，C12是两根导线之

10、间的等效电容。当导线1的电压为2寸，导线2上就产生电压 V2, (V2= C12/(C12+C2)V1)。若导线I和2采用传输相同信号的线对，就没有什么问题，但若是其他信号电路的一部分，就 会有噪声耦合的问题。抑制措施：防止这种耦合的产生应采用静电屏蔽的方法，将其中一导线采用屏蔽线，并将屏蔽层接地。 由于屏蔽线外层接地，导线I和2之间就不会出现静电耦合。V1 ci2 V2 O11-3C1 丄二二 C2地线AlZ图5噪声的电容耦合噪声的电磁感应耦合是电场与回路交链而产生的。若两个不同功能的回路靠近时，当一个回路有噪声电流流通时，就会形成噪声磁通，噪声磁通与另一个回路交链，这样就会在回路中感应噪声

11、电压Vn (Vn= dn/ dt)。一旦形成环路就容易产生这种噪声耦合。图6采用屏蔽线传输的传感器电路图6是采用屏蔽线传输的传感器电路，若电路中屏蔽线的C、D两点均接地，就会形成 ABCD环路，磁通n与这环路交链，在这环路中就产生Vn噪声，由此形成的i n噪声电流就沿着屏蔽线的外屏蔽层流通。应注意的是，屏蔽线的屏蔽层与内导体间有互感M，它等于屏蔽线的自感 LS,即M = Ls。为此i n流经屏蔽层， 在内导体产生 V'n的噪声电压(V'n= j 3 Mi n)o抑制措施：若在图 6中，取其中D或C 一点接地，就不能形成环路，噪声电流i n为0,则噪声电压 V'也就为0。

12、正确使用屏蔽和正确地选择接地方法对抑制噪声是非常重要的。3. 抑制传感器噪声最常用的方法3.1系统内和系统间的噪声抑制所谓系统内噪声就是自系统回路内的噪声，系统间的噪声就是与其他系统干扰和交链产生的，例如，其 他回路、广播电台、计算机等相互间的噪声等。来自电源线的噪声就属于系统间噪声，传感器回路中微处理 器的时钟脉冲噪声就属于系统内噪声。对于系统内噪声重要的是要抑制噪声源，而对于系统间噪声是要防止 外来噪声的侵入。常采用电源净化器、滤波器等电路，除此之外别无它法。3.2线性带通滤波器带通滤波器是滤除带外噪声最常用的方法。传感器输出信号的频带为0fs,而噪声的频带比它宽的多。图7所示的是加装线性

13、带通滤波器后滤除fc以上噪声的情况，但信号频带内仍残留部分原噪声信号，这就要采用其它抑制方法。图7带通滤波示意图3.3非线性滤波器脉冲噪声是传感器噪声的一种重要的表现形式，通常它振幅较大，对电路造成不良影响较大，尖脉冲常 损坏电路，这种脉冲也称为浪涌。它含有直流成份至高频成份，用通常的线性滤波器不能滤除这种噪声。采 用非线性滤波器可有效地滤除这种脉冲噪声。图8就是采用二极管构成的非线性滤波器，一般也称为限幅器,图8 (a)是用于低电压的限幅器，图8 (b)是用于高电压的限幅器，可适当地选用稳压二极管来稳定电压。(a)(b)图8二极管构成的非线性滤波器(a)低电压(b)高电压3.4 双股绞合线的

14、使用双股绞合线就是两股导线绞合在一起，图9所示的使用绞合线的传感器电路。这里重要的只是A点接地,构不成环路。双股绞合线的扭绞部分几乎没有空间，不能同来自外部噪声源的磁通交链。一般来说，导线绞 合得越紧，不交链的效果越好，但紧到一定程度效果就不明显了。另外，绞合越紧其线间电容量变大，因此， 要注意信号Vs中含有高频的情况。另外，绞合线自身没有屏蔽层，不能除去电容耦合，为防止电容耦合，可 用铝制金属箔对绞合线进行屏蔽，一端接地即可。在一般条件下使用绞合线加屏蔽是一种简单而效果又非常 好的方法。RL3.5屏蔽线的使用屏蔽线有同轴型和双绞线型，图10、图11是使用这两种屏蔽线的电路。两种电路都在负载端

15、接地，形不成环路，因此都是较佳电路。图10电路的屏蔽是对信号电流没有提供反馈回路，当高频时，屏蔽层与地之间存有电容，这样就能形成环路，噪声电流流经屏蔽层就会在信号传输线上产生噪声电压，这就变成了不平衡 方式。而图11电路的双绞线型屏蔽线是平衡方式，屏蔽层还能起到静电屏蔽的作用。从这个意义上说，电路 屏蔽线使用双绞线型的效果最好，如图11所示。传感器屏議层地线图10双绞线型屏蔽线的使用综上所述，对传感器回路的噪声抑制应考虑以下几方面：当回路系统内有噪声源时，应除去噪声源；回 路设计时应采用平衡方式；电路布置时不要形成环路；避免随意接地；线路布线应采用绞合线；恰当地使用 屏蔽线，对高频噪声宜采用薄金属屏蔽层的屏蔽线，在低频噪声时或磁场干扰较强的情况下，宜采用较厚金 属屏蔽层的屏蔽线；应用时还应充分考虑传感器的特性，尤其是阻抗，信号电平等因素。第一作者简介：王岗岭，（1962-），男，副教