《傳感器原理及應(yīng)用技術(shù) 》課件第12章

12.1傳感器的正確選擇12.2傳感器的合理使用

思考題與習(xí)題

第12章傳感器的選擇與使用

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)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)量所需要的時(shí)間等。

2.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)過大的輸入信號(hào)的保護(hù)等。12.1傳感器的正確選擇

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)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.與購買和維護(hù)有關(guān)的事項(xiàng)與購買和維護(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。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)等長期穩(wěn)定性問題；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)生的負(fù)載效應(yīng)等問題，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12～100℃，環(huán)境惡劣，且傳感器與測(cè)試、處理電路之間引線長。能用于測(cè)溫的傳感器有多種類型，本門課程介紹過的就有四五類。經(jīng)過查閱資料，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：①鉑絲的純度可做到99.999%或更高；②鉑電阻可以測(cè)低溫（-200～60℃）、中溫（0～350℃）及高溫（0～500℃）；③鉑絲的直徑范圍為0.03～0.1mm，應(yīng)用于500℃以下時(shí)測(cè)溫精度高于熱電偶式傳感器；④在溫度小于200℃時(shí)，鉑電阻的非線性系數(shù)小于0.3%;⑤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。 12.2.1.線性化及補(bǔ)償

傳感器使用中的一個(gè)問題就是線性化及補(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,也稱線性化處理。一般對(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),或者進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算之后才能獲得真值時(shí),那么,這個(gè)系統(tǒng)就沒有什么實(shí)用價(jià)值了。這里問題的關(guān)鍵在于傳感器的輸入-輸出特性。12.2傳感器的合理使用

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)是通過原點(diǎn)的線性特性曲線,它可算是最完善的特性,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）是最簡單的平方特性曲線,也需進(jìn)行開方處理和系數(shù)補(bǔ)償。圖12.1(d)為最簡單的指數(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,還有其它各種特性（對(duì)數(shù)特性、1／x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。當(dāng)微處理機(jī)技術(shù)還沒有引入傳感器時(shí),這種處理是依靠模擬電路采取具有與傳感器特性相反特性的元件,用硬件的方法來實(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。圖12.2中的對(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：

式中:UT=,為溫度的電壓當(dāng)量,在常溫下（300K）,UT≈26mV；R3可選合適的熱敏電阻,以補(bǔ)償U(kuò)T的溫度系數(shù)。C1、C2用來進(jìn)行相位補(bǔ)償。若E=10V,R1=10kΩ,R2=100kΩ,R4=15kΩ,R3=1kΩ,UT=0.416V,則

傳感器的輸入與經(jīng)過變換后的輸出變成了線性的關(guān)系。圖12.1實(shí)際傳感器的幾種典型輸入-輸出特性曲線圖12.2一種線性化處理電路

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 式中：T被測(cè)溫度（K）；Rt、R0是被測(cè)溫度分別為T和T0時(shí)的熱敏電阻值；B是熱敏電阻的材料常數(shù)。熱敏電阻的這種特性,使其實(shí)際使用起來很不方便。人們?yōu)榻鉀Q熱敏電阻的線性問題想了不少辦法,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)的公式也十分簡單,因而比較實(shí)用。武漢儀器儀表研究所使用熱敏電阻和片狀線繞式氯化鋰濕敏電阻構(gòu)成的WSL-T型線性溫（濕）度傳感器,其輸出特性也是基于這種無源線性方法獲得的。圖12.3熱敏電阻線性化網(wǎng)絡(luò)

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銷,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便,而這種處理幾乎都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的?？蓪鞲衅鬏斎?、輸出之間的關(guān)系數(shù)值,修正、集合構(gòu)成可查找的表格,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)行的處理。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)得到如同使用萬用表測(cè)量電阻之前先調(diào)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),然后再把兩者接入電橋的相鄰臂上。而自補(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?/p>

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,可綜合考慮。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,可將智能傳感器的輸出當(dāng)作二元函數(shù)來對(duì)待,采用二元線性插值法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行綜合修正。12.2.2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?，F(xiàn)以晶體管溫度傳感器為例來說明。 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)就可以把這條直線確定下來。

實(shí)際上,通過兩點(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表示溫度數(shù)值。由于晶體管溫度傳感器和其它傳感器一樣,具有非線性,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)。

考慮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℃（273.15K）、沸點(diǎn)從1990年1月1日起,國際度量衡委員會(huì)已將水的沸點(diǎn)確定為99.975℃。100℃（373.15K）和室溫（300K）。例如,要想得到攝氏溫度輸出,首先就要在0℃做零點(diǎn)定標(biāo)。通常是調(diào)節(jié)一個(gè)電位器,以改變起補(bǔ)償作用的偏置電壓,使傳感器的輸出為零。接著要做靈敏度定標(biāo),即在100℃時(shí)調(diào)另一個(gè)電位器,改變輸出放大器的增益,使輸出電壓的讀數(shù)等于設(shè)計(jì)的靈敏度值乘以100。例如,輸出電壓為1000mV時(shí),傳感器的靈敏度被確定為10mV／℃。12.2.3電磁兼容問題隨著現(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、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿著整個(gè)人類的生存空間，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，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，形成了一門新的學(xué)科——電磁兼容性（EMC，ElectroMagneticCompatibility）。根據(jù)國際電工委員會(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、信息技術(shù)、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迫切關(guān)注和需要解決的一個(gè)重要的技術(shù)問題。目前，美國、加拿大、日本、歐洲各國都在積極地采取措施推進(jìn)EMC國家標(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)。電磁兼容性設(shè)計(jì)要求可用“電磁兼容性不等式”來描述，即 干擾源強(qiáng)度×傳播衰減因子<設(shè)備抗干擾能力式中的三個(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是指不帶任何信息，即與任何信號(hào)無關(guān)的電磁現(xiàn)象。在射頻頻段內(nèi)的電磁噪聲稱為無線電噪聲，它是由機(jī)電或者其他人為裝置產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象，稱為人為噪聲；來源于自然現(xiàn)象的噪聲稱為自然噪聲。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。

2.電磁干擾的三要素和傳播途徑所有電磁干擾都是由三個(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)等則屬于無意發(fā)射干擾。耦合途徑（或稱傳輸通道）是指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的耦合通道。耦合方式一般以傳導(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、通過公共電源內(nèi)阻的耦合和通過公共地阻抗的耦合。輻射耦合是指通過空間傳播進(jìn)入設(shè)備的電磁干擾。干擾源的周圍空間可劃為兩個(gè)區(qū)域：緊靠干擾源的區(qū)域稱為近場(chǎng)區(qū)或感應(yīng)場(chǎng)區(qū)；距離大于λ/2π的區(qū)域稱為遠(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。

3.電磁兼容性電磁兼容是指電子、電氣設(shè)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。（2）設(shè)備或者系統(tǒng)不產(chǎn)生超過規(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)超過規(guī)定的工作性能降低的電磁干擾。（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。人類在征服大自然各種災(zāi)難性危害的過程中，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)的各階段都充分地予以考慮和實(shí)施才可能有效。科學(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。在解決電磁干擾問題時(shí)，應(yīng)該將設(shè)備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補(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，并行開展。

12.2.4抗干擾技術(shù) 在電子測(cè)量過程中,為了能使系統(tǒng)正常工作,采用抗干擾技術(shù)是非常必要的,而對(duì)使用微弱信號(hào)的傳感器測(cè)量系統(tǒng),抗干擾技術(shù)顯得更加突出。任一傳感器的輸出中總不可避免地混雜著各種干擾和噪聲,它們來自系統(tǒng)的外部和內(nèi)部。來自外部的干擾有市電干擾、溫度變化、機(jī)械振動(dòng)、電磁感應(yīng)與輻射等,來自內(nèi)部的噪聲有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的白噪聲、表面狀態(tài)引起的閃爍噪聲等。限于篇幅,這里只討論對(duì)外部干擾采用的屏蔽、接地、浮置、濾波等措施。

1）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)措施稱之為“屏蔽”。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,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。屏蔽的目的就是隔斷“場(chǎng)”的耦合,也就是說,屏蔽主要是抑制各種場(chǎng)的干擾。 屏蔽可分為以下幾類。 （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)部無電力線。利用金屬導(dǎo)體的這一性質(zhì),并加上接地措施,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。

靜電屏蔽能防止靜電場(chǎng)的影響,用它可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(gè)梳齒形導(dǎo)體,并將它接地,以此來防止兩繞組間的靜電耦合,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,其耦合也將減弱。 （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(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)起到靜電屏蔽作用。 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?？紤]到高頻集膚效應(yīng),高頻渦流僅流過屏蔽層的表面一層,因此屏蔽層的厚度只需考慮機(jī)械強(qiáng)度就可以了。當(dāng)必須在屏蔽層上開孔或開槽時(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。

（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,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1GA9551電壓跟隨器來驅(qū)動(dòng)屏蔽層導(dǎo)體的電位,其原理如圖12.4所示。若1GA9551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)之間的空間無電力線,各點(diǎn)等電位。這說明,導(dǎo)體A噪聲源的電場(chǎng)影響不到導(dǎo)體B。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1GA9551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。

兩者之間的相移亦應(yīng)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,則要求跟隨器的輸入阻抗無窮大。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)到了真正實(shí)用階段。圖12.4驅(qū)動(dòng)屏蔽

在實(shí)際使用傳感器時(shí),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,采用不同的屏蔽對(duì)策。同時(shí),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(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”干擾問題,而且是長期以來難于解決的棘手的技術(shù)問題。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,已為解決這個(gè)問題創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。其中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。

2）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,為此,有必要將電網(wǎng)的零線和各種電氣設(shè)備的外殼通過接地導(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?qū)Ь€屏蔽層等接大地是著眼于靜電屏蔽的需要,即通過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)也稱之為“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。 通常,有如下幾種地線。 （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用的地線叫作保護(hù)接地線。

（2）信號(hào)地線。電子裝置中的地線,除特別說明接大地的以外,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、保證電路工作性能穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵問題。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(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)處于脈沖工作狀態(tài),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)來說,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,二者一定要分開設(shè)置。

（3）信號(hào)源地線。傳感器可看作是測(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)源地線乃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)載的電流一般較前級(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,它們之間可通過磁耦合或光耦合傳輸信號(hào)。 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 浮置又稱為浮空、浮接,它指的是測(cè)量儀表的輸入信號(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,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,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12.5所示為浮置的橋式傳感器測(cè)量系統(tǒng)。圖12.5浮置的橋式傳感器測(cè)量系統(tǒng)

圖12.5中的測(cè)量電路有兩層屏蔽,因測(cè)量電路與內(nèi)層屏蔽罩不相連,因此是浮置輸入。其內(nèi)層屏蔽罩通過信號(hào)線的屏蔽層在信號(hào)源處接地,外層屏蔽（外殼）接大地。 浮置不是絕對(duì)的,不可能做到“完全浮空”。其原因是,測(cè)量電路（或輸入信號(hào)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(jí)）,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