《传感器原理及应用技术》课件第12章

第12章传感器的选择与使用12.1传感器的正确选择

12.2传感器的合理使用

思考题与习题 12.1传感器的正确选择

由于传感器的研制和发展非常快，各种各样的传感器应运而生，因此对传感器的选择就变得更加灵活。对于同一种类的被测物理量，可以选用多种不同的传感器。为了选择最适合于测试目的的传感器，一般说来，应注意如下事项。

1.与测量条件有关的事项

与测量条件有关的事项包括测量的目的、被测试量的选择、测量范围、输入信号的最大值、频带宽度、指标要求、测量所需要的时间等。

2.与传感器有关的事项

与传感器有关的事项包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、输出量及其数量级、被测物体产生的负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号的保护等。

3.与使用条件有关的事项

与使用条件有关的事项包括传感器的设置场所、环境条件(温度、湿度、振动等)、测量时间、与其他设备的连接及距离、所需功率容量等。

4.与购买和维护有关的事项

与购买和维护有关的事项包括性能价格比、零配件的储备、售后服务、维修制度、保修时间、交货日期等。以上是选择传感器的主要注意事项。虽然选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等有不同的侧重点。例如，长时间连续使用的传感器就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；对机械加工或化学分析等时间比较短的工序过程，则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。为了提高测量精度,应注意平常使用时的显示值，要在满刻度的50%左右来选择测定范围或刻度范围。选择传感器的响应速度其目的是适应输入信号的频带宽度，从而提高信噪比。此外，还要合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等；注意从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能产生的负载效应等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。这方面的例子比比皆是。例如，某油田注水机房为确保电机安全运行，需在几台电机上设置30个测温点，测温范围是12℃～100℃，环境恶劣，且传感器与测试、处理电路之间引线长。能用于测温的传感器有多种类型，本门课程介绍过的就有四五类。经过查阅资料，反复思考，对比各传感器的特性参量，否定了热电偶及其他电阻丝传感器，采用了铂电阻传感器。其原因如下：①铂丝的纯度可做到99.999%或更高；②铂电阻可以测低温(－200℃～60℃)、中温(0℃～350℃)及高温(0℃～500℃)；③铂丝的直径范围为0.03～0.1mm，应用于500℃以下时测温精度高于热电偶式传感器；④在温度小于200℃时，铂电阻的非线性系数小于0.3%；⑤便于在恶劣环境下设计、安装等。经实际使用，铂电阻传感器能够满足用户要求。 12.2传感器的合理使用

12.2.1线性化及补偿

传感器使用中的一个问题就是线性化及补偿。线性化及补偿就是在使用传感器进行实际测量时，要进行下述两种处理。

第一种处理是对传感器的输入-输出特性进行补偿，也称线性化处理。一般地，对测量的数值进行显示、记录时，应该采用能够直读的形式。如果某测量系统所显示的数值还要由读取的人乘以某个修正系数，或者进行补偿计算之后才能获得真值，那么，这个系统就没有什么实用价值了。这里问题的关键在于传感器的输入-输出特性。图12.1示出了实际传感器的几种典型输入-输出特性曲线。图12.1(a)是通过原点的线性特性曲线，它可以算是最完善的特性，但为了将显示值转换成能直读的真值，还必须在输出值上乘以系数进行系数补偿。图12.1(b)也是相当好的不通过原点的线性特性曲线，对它除了要进行系数补偿之外，同时还要进行减B处理。图12.1(c)是最简单的平方特性曲线，也需进行开方处理和系数补偿。图12.1(d)为最简单的指数特性曲线，这时需进行对数转换处理。除此之外，还有其他各种特性(对数特性、1／x特性及非函数特性等)的传感器，对这些传感器也必须进行相应的处理。图12.1实际传感器的几种典型输入-输出特性曲线当微处理机技术还没有引入传感器时，这种处理是依靠模拟电路采取具有与传感器相反特性的元件，用硬件的方法来实现的。例如，在具有指数特性的传感器上配上对数变换器，如图12.2所示。该对数变换器采用了两个运算放大器和两只参数相同的三极管，同时具有很好的温度补偿作用。不难证明：

式中： ，为温度的电压当量，在常温下(300K)，UT≈26mV；R3可选合适的热敏电阻，以补偿UT的温度系数。图12.2中，C1、C2用来进行相位补偿。若E=10V，R1=10kW,R2=100kW，R4=15kW，R3=1kW， ，则

Uo=－0.416lnU11=－0.416x

传感器的输入与经过变换后的输出变成了线性的关系。图12.2一种线性化处理电路又如，应用广泛的热敏元件——半导体热敏电阻的电阻-温度特性是非线性的。NTC型热敏电阻的电阻-温度关系可表示为

热敏电阻的这种特性使其实际使用起来很不方便。人们为解决热敏电阻的线性问题想了不少办法，其中最常用的方法是将热敏电阻与温度系数可忽略的固定电阻串(并)联组成线性网络。适当选取阻值可以在一定的温度区域内得到近似线性变化的电压或电阻输出。计算和实验均已证明，图12.3所示的线性网络的线性范围相当宽，且计算网络参数的公式也十分简单，因而比较实用。图12.3热敏电阻线性化网络这种处理方法的优点是方便、直观；缺点是有时线路复杂，特别是要得到非常合适的特性较麻烦，且常常要增加附加开销，进行补偿。

在采用微处理机的测量系统中或智能传感器中，这种线性化处理可以变得非常简便，而这种处理几乎都是通过软件来实现的。可将传感器输入、输出之间的关系数值修正、集合构成可查找的表格，借助软件查找测量结果；可把传感器的测量范围划分成若干段，然后在每个分段内进行线性插值或抛物线插值，通过程序计算，求出测量结果；也可进行曲线拟合修正，使传感器的非线性误差趋于最小的程度。第二种处理是在传感器的输出量中包含有被测物理量以外的因素时，为校正这些因素的影响而进行的。例如，在温度变化范围较大的系统中测量畸变时，就不能忽略由于温度变化引起的畸变传感器输出值的变化。这时，可在畸变传感器上或同一温度场内再加一个温度传感器来测量温度，根据测得的温度值对畸变传感器的输出值进行校正处理。有效地使用这种处理，就会得到如同使用万用表测量电阻之前先调一下零点一样的效果。人们所熟悉的应变式传感器的应变片温度补偿就是这种处理的典型例子。应变片通常采用电桥补偿法和自补偿法对温度进行补偿。所谓电桥补偿法，就是在测量时在被测试件上安装工作片，而在另一个不受力的、与测试件材料相同的补偿件上安装一个补偿片，使其与被测试件处于完全相同的温度场内，然后把两者接入电桥的相邻臂上。自补偿法则是制造时在同一基片上用两种合金丝做成一个工作片和一个补偿片，以便使用时分别接入测量电桥的相邻两臂，或严格选择敏感栅材料的电阻温度系数和线膨胀系数，使之在特定线膨胀系数的试件上使用时，温度误差为零，从而达到温度补偿的目的。传感器的非线性、工作环境温度、湿度、振动等变化引起的误差在实际中常常是互相关联的，不能分割成互相独立的函数。在采用微处理机的测量系统中或智能传感器中，应综合考虑。这时可将传感器的输出作为一个多变量的函数来研究，即Z=f(x；y1,…,yn)。式中，Z为传感器的输出；x为传感器的输入；y1,y2,…,yn为环境参量，如温度、湿度、振动等。如果只考虑环境温度的影响，则可将智能传感器的输出当作二元函数来对待，采用二元线性插值法对测量值进行综合修正。12.2.2传感器的定标

所谓传感器的定标，是指在明确输入和输出的变换关系的前提下，利用某种标准或标准器具对传感器进行刻度。在传感器使用前对其进行定标以后，在使用过程中还要定期进行检查，确认精度及性能是否满足所制定的标准。传感器的定标依据不同的传感器而有所差异，但基本方法是一致的。下面以晶体管温度传感器为例来进行说明。

要使温度传感器的输出(如电压、电流或频率等电学量)直接表示温度，就必须对传感器进行定标。由于晶体管温度传感器的输出具有好的温度线性，因而原则上只要做两点定标即可。因为对于线性函数，只要已知两点就可以把这条直线确定下来。实际上，通过两点定标就确定了传感器的零点和标尺因子(即灵敏度)，于是传感器的输出将直接表示温度数值。由于晶体管温度传感器和其他传感器一样，具有非线性，因此虽可进行线性化及补偿，但不可能达到完全理想的线性。为了减小传感器的非线性误差，两个定标点温度不应靠得太近，而应选大体上与工作温度范围的上、下限和中点等距离的两点。考虑到晶体管温度传感器的实际工作温度范围，经常选用的定标温度有水的冰点0℃(273.15K)、沸点。100℃(373.15K)和室温(300K)。12.2.3电磁兼容问题

随着现代科学技术的发展，电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号充满着整个人类的生存空间，构成了极其复杂的电磁环境。以测试系统、通信系统、控制系统和计算机系统为主干的电子系统在这样的电磁环境中受到了严峻的考验。可以说，现代电子系统与当今电磁环境构成了一对难以分割的孪生兄弟。电子系统越是现代化，所造成的电磁环境就越复杂；反之，复杂的电磁环境又对电子系统提出更为严格的要求。人们面临着一个新的问题，这就是如何提高现代电子、电气设备在复杂环境中的生存能力，以保证达到电子系统初始的设计目的。正是在这种背景下才产生了电磁兼容性的概念，形成了一门新的学科——电磁兼容性(EMC，ElectroMagneticCompatibility)。根据国际电工委员会的定义，电磁兼容即“设备或者系统在其电磁环境中能够正常工作且不对环境中其他任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力”。随着微电子、信息、现代通信等高新技术的飞速发展和广泛应用，电磁兼容已成为人类迫切关注和需要解决的一个重要的技术问题。目前，美国、加拿大、日本、欧洲各国都在积极地采取措施推进EMC国家标准制定和EMC认定准备工作。EMC已成为产品认证领域的新热点。我国也在这方面积极地准备着，EMC认证已成为今后发展的趋势。电磁兼容性设计要求可用“电磁兼容性不等式”来描述，即

干扰源强度×传播衰减因子<设备抗干扰能力

式中的三个因素可以分别或同时采取措施，使不等式成立。电磁兼容性设计就是要减小不等式左边两个因子，提高不等式右边“设备抗干扰能力”(即降低设备对干扰的敏感度)，使效果最佳并且代价最小。

1.电磁噪声与电磁干扰

电磁噪声是指不带任何信息，即与任何信号无关的电磁现象。在射频频段内的电磁噪声称为无线电噪声，它是由机电或者其他人为装置产生的电磁现象，称为人为噪声；来源于自然现象的噪声称为自然噪声。电磁干扰是指任何能中断、阻碍、降低或者限制电子设备的有效性能的电磁能量。

2.电磁干扰的三要素和传播途径

所有电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的：电磁干扰源、敏感设备和耦合通道。相应地，抑制所有电磁干扰的方法也要从这三个方面提出。

电磁干扰源是指任何产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。干扰源分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源是设备装置内部和器件本身(如印制电路板上)产生的干扰源；外部干扰源主要有自然干扰和人为干扰，自然干扰有大气干扰、宇宙干扰和雷电干扰等，人为干扰又可以分为有意发射干扰和无意发射干扰。广播、通信、雷达等属于有意发射干扰，而输电线、电器设备、点火系统等则属于无意发射干扰。耦合途径(或称传输通道)是指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的耦合通道。耦合一般以传导和辐射两种方式传输，但是因为电磁环境十分复杂，因此实际的干扰往往是复合情况。

沿电源线或信号线传输的电磁耦合称为传导耦合，即电磁能量沿着导线传输到其他设备和单元电路而造成的干扰。其中包括沿电源线传导的电磁干扰、通过公共电源内阻的耦合和通过公共地阻抗的耦合。

辐射耦合是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。干扰源的周围空间可划为两个区域：紧靠干扰源的区域称为近场区或感应场区；距离大于l/2p的区域称为远场区或辐射场区。在感应场区，辐射耦合分为电容耦合和电感耦合两种形式。

3.电磁兼容性

电磁兼容是指电子、电气设备或者系统的一种工作状态。在这种状态下，它们不因为内部或者彼此间存在的电磁干扰而影响其正常工作。电磁兼容性则是指电子、电气设备或者系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力，它是电子、电气设备或者系统的一种重要的技术性能。电磁兼容性包括以下几个方面的含义：

(1)设备或者系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力，并且有一定的安全余量，即它不会因受到处于同一电磁环境中其他设备或者系统发射的电磁干扰而产生不允许的工作性能的降低。

(2)设备或者系统不产生超过规定限度的电磁干扰，即它不会产生处于同一电磁环境中其他设备或者系统出现超过规定的工作性能降低的电磁干扰。

(3)电子设备可按设计的技术要求完成其预定功能使命。

4.电磁兼容控制技术

电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划、对抗和疏导等相结合的方针。人类在征服大自然各种灾难性危害的过程中，总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略或预案，在控制电磁危害时同样是极其有效的思维方法。首先，电磁兼容性控制是一项系统过程，应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分地予以考虑和实施才可能有效。科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。在控制方法上，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术(如屏蔽、接地、搭接、合理布线等)以外，还可以采取回避和疏导技术，如空间方位分离、频率划分、回避、滤波、吸收和旁路等。有时这些回避和疏导技术简单而巧妙，可以代替成本昂贵而质量、体积较大的硬件，收到事半功倍的效果。以上这些都是精明的工程师们经常采用的控制方法。在解决电磁干扰问题时，应该将设备研制后期暴露出不兼容问题而采取挽救修补措施的被动控制方法，转变成在设备设计初始阶段就开展预测分析和设计，预先检验计算，并全面规划实施细则和步骤，做到防患于未然。将电磁兼容性设计和可靠性设计，维护性、维修性设计与产品的基本功能结果设计同时进行，并行开展。12.2.4抗干扰技术

1.屏蔽技术

人们将防止静电的或电磁的相互感应所采用的各项措施称为“屏蔽”。例如，利用低阻材料铜或铝制成的容器，将需要防护的部分包起来，或者用导磁性良好的铁磁材料制成的容器，将需要防护的部分包起来。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，也就是说，屏蔽主要是抑制各种场的干扰。

屏蔽可分为以下几类。

(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，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。在电源变压器的原边与副边绕组之间插入一个梳齿形导体，并将它接地，以此来防止两绕组间的静电耦合，这就是静电屏蔽的范例。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，则其耦合也将减弱。

(2)电磁屏蔽。所谓电磁屏蔽，是指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。一般的屏蔽多数是指电磁屏蔽。电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，其对低频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的作用。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。考虑到高频集肤效应，高频涡流仅流过屏蔽层的表面一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度就可以了。当必须在屏蔽层上开孔或开槽时，必须注意孔和槽的位置与方向应不影响或尽量少影响涡流的途径，以免影响屏蔽效果。

(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)驱动屏蔽。驱动屏蔽就是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，其原理如图12.4所示。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的空间无电力线，各点等电位。这说明，导体A噪声源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。因此，驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。应指出的是，在驱动屏蔽中所采用的1∶1电压跟随器，不仅要求其输出电压与输入电压的幅值相同，而且要求两者之间的相移为零。另一方面，此电压跟随器的输入阻抗与Zi相并联，为减小其并联作用，要求跟随器的输入阻抗无穷大。实际上，这些要求只能在一定程度上得到满足。驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当高质量的线性集成电路出现以后，这种屏蔽才达到了真正的实用阶段。图12.4驱动屏蔽在实际使用传感器时，应准确判断是静电耦合干扰、高频电磁场干扰、低频磁通干扰，还是寄生电容干扰。针对不同的干扰，应采用不同的屏蔽对策。同时，要根据不同类型的传感器，采用不同的屏蔽措施。例如，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，该屏蔽线要与壳体相连，且屏蔽线、屏蔽层应良好接地。但对电容式传感器，仍然存在“电缆寄生电容”干扰问题，而且是长期以来难以解决的棘手的技术问题。微电子技术的发展已为解决这个问题创造了良好的技术条件。其中的一种解决方案是将电容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；另一种解决方案就是依据我们上面介绍的驱动屏蔽原理，采用驱动屏蔽。

2.接地

接地是一种技术措施，它起源于强电技术。对于强电，由于电压高，功率大，容易危及人身安全，因此有必要将电网的零线和各种电气设备的外壳通过接地导线与大地相连，使之与地等电位，以保证人身和设备的安全。传感器外壳或导线屏蔽层等接大地是着眼于静电屏蔽的需要，即通过接大地给高频干扰电压形成低阻通路，以防止其对传感器的干扰。由于习惯的原因，在电子技术中把电信号的基准电位点也称为“地”，因此，在传感器测量系统中的接地一般就是指接电信号的基准电位。通常有如下几种地线。

(1)保护接地线。出于安全防护的目的将电子测量装置的外壳屏蔽层接地，所用的地线叫做保护接地线。

(2)信号地线。电子装置中的地线，除特别说明接大地以外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。电子装置的接地是涉及抑制干扰和保证电路工作性能稳定、可靠的关键问题。信号地线既是各级电路中静、动态电流的通道，又是各级电路通过某些共同的接地阻抗而相互耦合，从而引起内部干扰的薄弱环节。信号地线又可分为两种：

一种是模拟信号地线(AGND)，它是模拟信号的零信号电位公共线；

另一种是数字信号地线(DGND)，它是数字信号的零电平公共线。数字信号处于脉冲工作状态时，动态脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压，即使尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度，但对于微弱的模拟信号来说，往往已成为严重的干扰源。为了避免模拟信号地线与数字信号地线之间的相互干扰，二者一定要分开设置。

(3)信号源地线。传感器可看做是测量装置的信号源。通常传感器安装在生产现场，而显示、记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内。在接地要求上，二者不同，有差别。信号源地线是传感器本身的零信号电位基准公共线。

(4)负载地线。负载电流一般较前级信号电流大得多，负载地线上的电流在地线中产生的干扰作用也大，因此对负载地线和测量放大器的信号地线也有不同的要求。有时，二者在电气上是相互绝缘的，它们之间可通过磁耦合或光耦合传输信号。在传感器测量系统中，上述四种地线一般应分别设置。在电位需要连通时，可选择合适的位置作一点相连，以消除各地线之间的相互干扰。

3.浮置

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，它是阻断干扰电流的通路。测量系统被浮置后，明显地加大了系统的信号放大器公共线与大地(或外壳)之间的阻抗，因此浮置能大大减小共模干扰电流。图12.5所示为浮置的桥式传感器测量系统。图12.5浮置的桥式传感器测量系统

4.滤波器

使用滤波器是抑