传感器与检测技术(第2版)李增国主编 第二章

1、传感器与检测技术（第3版）信息工程系 侯远材和课程安排教材和课程安排 课程安排课程安排讲讲 课课 6464 课时课时习题课习题课 6 6 学时学时复习课复习课 2 2 学时学时总总 计计 7 72 2 学时学时目 录0 绪论1 传感器简论 2 传感器测量电路 3 电阻式传感器4 电容式传感器5 电感式传感器6 压电式传感器7 霍尔式传感器8 热电偶传感器9 光电式传感器10 数字式传感器11 新型传感器12 传感器实验2.1 传感器测量电路的作用2.2 传感器测量电路的类型及组成2.3 噪声与抗干扰技术第2章 传感器测量电路2 2.1.1传感器测量电路的作用2.2 传

2、感器测量电路的类型及组成2.3 噪声与抗干扰技术第2章 传感器测量电路 传感器测量电路的基本概念及要求传感器测量电路的基本概念及要求1.传感器输出信号的形式有模拟信号、数字信号、开关信号2.传感器输出信号的种类有电压、电流、电阻、电容、电感及频率3.传感器的动态范围大4.输出的信号一般较弱5.传感器内部存在噪声，输出的信号与噪声混合在一起6.传感器的大部分输出和输入关系曲线为线性7.传感器的输出信号易受温度影响测量电路的作用测量电路的作用 测量电路的作用测量电路的作用传感器传感器电子测量电路显示器、记录仪、控制装置等 阻抗匹配问题阻抗匹配问题 （在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所

3、起的在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗阻碍作用叫做阻抗）满足精度和可靠性的要求满足精度和可靠性的要求放大器的放大倍数要满足显示器和放大器的放大倍数要满足显示器和A/D转换器或转换器或I/O接口对输入电压的要求接口对输入电压的要求元器件应满足使用环境的要求元器件应满足使用环境的要求应考虑温度影响以及电磁场的干扰应考虑温度影响以及电磁场的干扰测量电路的要求测量电路的要求测量电路需要考虑的因素： 电路的结构，电源电压和功耗要与系统整体协调电路的结构，电源电压和功耗要与系统整体协调2.1 传感器测量电路的作用2.3 噪声与抗干扰技术第2章 传感器测量电路2 2.2 .

4、2 传感器测量电路的类型及组成传感器测量电路的类型及组成测量电路模拟电路模拟电路开关型测量电路开关型测量电路数字式测量电路数字式测量电路测量电路类型 由于传感器品种繁多，输出信号的形式各不相同，因此输出特性也不相同。模拟电路 模拟电路是传感器测量电路最常用、最基本的电路，当传感器的输出信号为动态的电阻、电容和电感等电参数时，或以电压、电荷、电量变化时，通常由模拟电路将信号按模拟电路的制式传输到测量系统的终端。传感传感器器基本基本转换转换电路电路量程量程切换切换电路电路放大放大器器解调解调器器滤波滤波器器运算运算电路电路模数模数转换转换电路电路计算计算机机显示显示执行执行结构结构振荡器振荡器电源

5、电源根据传感器输出信号的类型选择合适的测量电路 传感器输出为电参量，则不需要基本转换电路；如果输出的是变化的电参数，则需要基本电路将其转换成电参量。常用的基本转换电路有电桥电路、调频电路、分压电路、运算电路和脉冲调制电路。 为了提高信号的抗干扰能力，可以对信号进行调制。（调制是利用被测的低频信号去控制高频震荡中的某个参数（幅值、频率、相位）使其随被测低频信号的变化而变化） 量程切换电路是为适应不同测量范围的参数需要而设置的 有些参数，要求数字显示或送入计算机进行处理，需要采用A/D转换电路开关型测量电路传感器的输出信号为开关信号（如光线的通断信号或电触点通断信号等）时的测量电路称为开关型测量电

6、路。放大信号的生成与消失正是在有关器件触点的闭合与断开过程中完成的。数字式测量电路 传感器的输出经放大、整形以后成为数字脉冲信号。为了提高传感器的分辨力，常采用细分电路使传感器的输出在一个变化周期内不是只输出一个脉冲，而是输出n个脉冲，n为细分数。数字式测量电路典型的组成框图传感传感器器放大放大器器整形整形器器细分细分电路电路脉冲脉冲当量当量变换变换电路电路计数计数器器寄存寄存器器计算计算器器显示显示执行执行机构机构根据传感器输出信号的不同，相应的接口方式有：根据传感器输出信号的不同，相应的接口方式有：（1）模拟量接口传感器输出信号 放大 取样/保持 模拟多路开关 A/D转换 I/O接口 计算

7、机（2）开关量接口开关型传感器输出（逻辑1或0） 缓冲器 计算机（3）数字量接口数字式传感器输出数字信号（二进制代码、BCD码及脉冲序列） 计数器 缓冲器 计算机2.1 传感器测量电路的作用2.2 传感器测量电路的类型及组成2 2.3 .3 噪声与抗干扰技术噪声与抗干扰技术第2章 传感器测量电路 灵敏度不要选的太高。 降低外界因素对传感器实际作用的功率。 对于噪声干扰问题，一要解决噪声的来源问题，二要解决噪声信号是如何进入测量系统的。为了为了减小减小误差误差噪声与抗干扰技术噪声与抗干扰技术在传感器电路的信号输入/输出转换过程中，所出现的与被测量无关的随机信号，称为噪声。噪声噪声性质性质噪声噪声

8、噪声干扰通常有噪声干扰通常有3个要素：个要素：1.噪声源2.通道（噪声源到接收电路之间的耦合电路）3.接收电路（对噪声比较敏感的电路）噪声源噪声源耦合通道耦合通道接收电路接收电路噪声形成干扰的途径噪声源噪声源噪声可以分为外部干扰噪声和内部干扰噪声噪声可以分为外部干扰噪声和内部干扰噪声1.内部干扰噪声内部干扰噪声传感器测量装置元器件的性能或电气参数随机变动时对传感器及其测量电路形成的干扰。常见的内部干扰噪声有：电阻中自由电子和不规则热运动所引起的电阻热噪声；由半导体内带电粒子的不规则和不连续运动引起的半导体散弹噪声；两种材料之间的不完全接触所引起的接触噪声。2.外部干扰噪声外部干扰噪声机械振动或

9、冲击，使传感器中的元器件发生振动变形引起的噪声；射线辐射干扰引起的噪声及测量装置以外的各种因素引起的噪声；电气设备、高压电网、雷电和放电器等的火花放电、弧光放电、电晕放电、辉光放电产生的放电噪声；由工频、高频、射频等大功率设备、电子开关、脉冲发生器产生的电磁噪声；以及环境、湿度、光照、振动产生的环境噪声等。耦合通道（耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。）干扰噪声进入传感器及其测量电路的通道，通常是以对干扰信号的耦合方式进行的。1.电容性耦合（由信号之间的分布电容产生的耦合，即两个电路之间存在的寄生电容，可使

10、一个电路的电荷变化影响到另一个电路）2. 共阻性耦合（由于两个电路共有阻抗，当一个电路有电流过时，通过共有阻抗在另一个电路中产生干扰电压）3. 漏电流耦合（由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流引起的噪声干扰）漏电流耦合干扰发生的情况：（1）传感器测量较高的直流电压时（2）传感器附近有较高的直流电压时（3）高输入阻抗的直流放大电路抗干扰技术1.静电屏蔽：以铜或铝等导电性良好的金属材料，制作封闭的金属容器，并与地线相连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部的干扰电场不影响内部的电路；反过来，内部产生的电力线也无法去影响外电路。静电屏蔽的容器上允许有较小的空洞（作为引线孔）2.磁屏蔽：对于低频磁场的干

11、扰，可以采用强磁材料做成屏蔽体对干扰信号加以屏蔽。3.接地：测量装置接地有两个目的，一是为了安全；二是为了给装置的电路提供一个基准电压，并给高频形成的干扰提供一个工作接地。测量装置中的地线，除特别说明接大地外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。信号地线是各级电路中静态、动态电流的通道。4.浮置：又称浮空、浮接。指的是测量装置中信号放大器的公共线不接地也不接机壳，而采用悬浮起来的方式。浮置与接地是两种正好相反的抗干扰手段，前者是阻断噪声干扰通道，而后者是给噪声干扰信号提供一个良好的接地通道，测量装置一旦被浮置后，将明显增大系统公共线与地之间的阻抗，反而大大减少共模干扰电流，起到减少或抑制干扰的作用。5.光电耦合：由于两个电路之间采用光电耦合，所以能把两个电路的地电位完全隔开。这样，即使两个电路的地电位不同也不会造成干扰。滤波技术：滤波器是抑制噪声干扰的重要技术之一。所谓滤波技术就是用电容