现代传感技术与系统 教学课件 林玉池 曾周末 第4章

在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ:349134187 或者直接输入下面地址： 1 第4章 传感器的应用基础 v4.1 测量概述 v4.2 量值的传递与溯源 v4.4 传感器的误差与信噪比 v4.5 噪声及其抑制 v4.6 传感器中的抗干扰措施 v4.7 改善传感器性能的技术途径 2 4.1 测量概述 4.1.1 测量与计量 4.1.2 测量误差的概念 4.1.3 测量精度 4.1.4 测量的基本方法 4.1.5 测量系统 3 4.1.1 测量与计量 v测量是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与 选定单位的比值。这个比值同测量单位结合在一起 称量值。测量以确定被测量值为目的的一系列操作 ,是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。 v计量是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的 准确性与测量行为的规范性。使用有溯源性的标准 与测量仪器、按照规程、由资格被确认的人员进行 的以判别测量器具合格性为目的的测量，是计量。 4 4.1.1 测量与计量 v计量的基本业务：建立基准，即复现单位，建立各 级计量标准与量值传递网，定期检定测量工具，进 行量值统一。 v计量存在的原因是：通常的测量都存在系统误差。 测量用工具、量具或仪器，需经检定，即履行计量 手续，以保证其准确。 v测量者自身经多次测量可以发现并减小随机误差， 但通常不能发现系统误差。 v计量中所使用标准的量值，对被检仪器来说相当于 真值，有真值才能求得被检仪器的系统误差。 5 4.1.1 测量与计量 v测量与计量的具体工作对象不同。 v测量的直接目的是得到测得值；计量的目的是保证测 量的准确。 v“测量”就是为获取量值信息的活动；“计量”不仅 要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源 。 v“测量”作为一类操作，其对象很广泛；“计量”作 为一类操作，其对象就是测量仪器。 v“测量”可是以孤立的；“计量”则存在于量值传递 或溯源的系统中。 6 4.1.1 测量与计量 v测量与计量的划分，以测量工具的作用为界。 v测量是用测量工具认识物理量，相信的是测量工具， 目的是得到被测量的量值； v计量的目的是拿标准（已知的量值）检查测量工具的 合格性，相信的是标准。 v简言之，相信测量工具的是测量；检查测量工具的是 计量。 v计量通常是测量的逆操作。 7 4.1.5 测量系统 v第一级（测量信息传感级）：包括传感器、敏感元件或装置 、测量头等，其主要功能是检测和敏感被测量。它输入被测 量，输出大多为电学模拟量。在理想情况下，该级只敏感被 测量，而对任何其他的可能输入不敏感。但实际上很难找到 一种具有完全选择性的测量装置，往往我们不希望的信号夹 杂在被测量中，造成测量的误差或困难。 8 4.1.5 测量系统 v第二级（信号调理级）：第二级的目的是调理传感所得的测 量信号，将测量传感所得的信号进行整理，转变为适合于最 后一级使用的形式。根据需要通常增加信号的幅值、能量， 转换信号形式（如脉冲、微分、积分、模数转换、数模转换 等，其中模数、数模转换也可能在第三级），信号传输（遥 感、遥测、分布式测量等），滤除噪声（选择性滤波、剔除 各种干扰信号），使信号满足下一级的需要。 9 4.1.5 测量系统 v第三级（读出记录级）：第三级是测量系统 的输出级，把测量所得的信息显示或记录打 印。其形式根据需要可以是结果显示，或记 录打印，或数据由计算机（处理器、控制器 ）采集，作进一步处理或控制某一对象。 10 4.1.5 测量系统 测速系统 11 4.2 量值的传递与溯源 4.2.1 量值的概念 4.2.2 量值的传递 4.2.3 量值的溯源 4.2.4 量值传递与量值溯源的区别 12 4.2.1 量值的概念 v量是现象、物体或物质的可以定性区别和定量 确定的一种属性。 v凡可相互比较并按大小排序的量称为同种量， 若干同种量合在一起可称为同类量，如功、热 、能。 v在同一类量中，如选出某一特定的量作为参考 量，用以量度同类量的大小，这个参考量称为 测量单位。 v量值一般由一个数乘以测量单位所表示的特定 量的大小。 13 4.2.2 量值的传递 v将国家计量基准所复现的计量单位量量值，通过检定（ 或其它传递方式）传递给下一等级的计量标准，并依次 逐级传递到工作计量器具，以保证被计量的对象的量值 准确一致，称为量值传递。 v任何计量器具，由于种种原因，都具有不同程度的误差 。计量器具的误差只在允许的范围内才能应用，否则将 带来错误的计量结果。对于新制的或修理后的计量器具 ，必须用适当等级的计量标准来确定其计量特性是否合 格；对于使用中的计量器具，必须用适当等级的计量标 准对其进行周期检定。 14 4.2.2 量值的传递 v国家计量检定系统：由国务院计量行政部门组 织制定的全国性技术法规，其中用图表结合文 字的形式，明确地规定由国家计量基准到各级 计量标准直到普通计量器具的量值传递程序， 包括名称、计量范围、准确度、不确定度、允 许误差和传递方法等。 v量值传递体系：国家根据经济合理，分工协作 的原则，以城市为中心，就地就近组织的量值 传递网。 15 16 4.2.3 量值的溯源 v通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量 结果或测量标准的值能够与规定的参考标准（通常是国 家计量标准或国际计量标准）联系起来的特性，称为量 值溯源性。 v这种特性使所有的同种量值，都可以按这条比较链通过 校准向测量的源头追溯，即溯源到同一个测量基准(国家 基准或国际基准)，这样才能确保计量单位统一，量值准 确可靠，才具有可比性、可重复性和可复现性，而其途 径就是按比较链，向计量基准的追溯。 17 18 4.2.3 量值的溯源 v量值溯源是从下而上，企业可根据测量准确度的要求，自主 地寻求具有较佳不确定度的参考标准进行测量设备的校准， 甚至可以跨地区、跨国界与国家的或国际的计量基准进行比 对或校准，因而可以比较合理地满足使用要求。 v量值传递则是自上而下的，尤其对属于强制检定的计量器具 一直实行定点、定周期检定，难免会形成计量检定机构的重 复设置，且传递环节增多，从而会损失一些测量准确度。为 了与国际惯例接轨和适应市场经济发展的需要，应多提倡量 值溯源。 19 4.2.3 量值的溯源 v标准物质是实现准确一致的测量，保证量值有效传递的计量 标准。通过使用不同等级的标准物质，使准确度由低到高， 逐级进行量值的追溯，直到国际单位，这一过程称为量值的 “溯源过程”。 v从国际单位到不同等级的标准物质由高至低进行量值传递， 最终至实际测量现场的过程，被称为量值的“传递过程”。 v由此，形成了化学测量的完整的溯源量传体系。在这个 溯源链中，标准物质起着复现量值、传递测量不确定度和实 现测量准确一致的至关重要的作用。 20 4.2.4 量值传递与量值溯源的区别 v量值溯源要求实验室对自己检测标准的相关量值，主动地与 上一级检定机构取得联系，追溯高于自己准确度（一般遵循 1/10或1/3法则）的量值与之比较，确定自己的准确性。而 量值传递是上一级检定部门将自身的量值传递给低于其准确 等级的部门，主要是指国家强制性检定的内容。 v溯源与传递的主要区别在于溯源是自下而上的活动，带有主 动性；量值传递是自上而下的活动，带有强制性。溯源性的 概念是量值传递概念的逆过程。 21 22 4.3 传感器的标定与校准 4.3.1 标定和校准 4.3.2 传感器的静态标定 4.3.3 传感器的动态标定 23 4.3.1 标定和校准：1.计量基准与计量标准 v计量基准器具简称计量基准，是指用以复现 和保存计量单位量值，经国家计量主管部门 批准，作为统一全国量值最高依据的计量器 具。 v计量标准是计量标准器具的简称，指准确度 低于计量基准，用于检定其他计量标准或工 作计量器具的计量器具。 24 4.3.1 标定和校准：2.标定和校准的概念 v新研制的或生产制作的传感器需要利用已知基准或标准器（ 指传感器、仪器或设备）对其技术性能进行全面的检定和定 度，建立其输出量与输入量之间的关系，并确定其基本的静 、动态特性，包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度和 固有频率等。这种利用标准器具对传感器性能进行定度的过 程，称为标定。 v传感器使用一段时间以后或经过修理，需要利用标准器具对 其性能指标重新进行确认，看其是否可以继续使用或仍符合 原先技术指标所规定的要求，这一性能复测过程称为校准。 25 4.3.1 标定和校准： 3传感器标定原则 v（1）传感器标定有产品计量标定和非产品标定之分。产品 标定必须遵照国家计量法，按照国家量传体系进行，保证量 值的准确传递，确保标定结果的合法性和准确性。非产品标 定结果往往是供自己使用，或在小范围内使用，对标定设备 及操作人员不要求资质，标定结果自然也就没有传播、传递 的合法性。 v（2）量值传递体系，是为量值的准确传递，由国家根据经 济合理，分工协作的原则，以城市为中心，就地就近组织的 量值传递网。 26 4.3.1 标定和校准：3传感器标定原则 v（3）为了保证各种物理量量值的一致准确，国际上多提倡 量值溯源体系。量值溯源是从下而上，企业可根据测量准确 度的要求，自主地寻求具有较佳不确定度的参考标准进行测 量设备的校准，甚至可以跨地区、跨国界与国家的或国际的 计量基准进行比对或校准，因而可以比较合理地满足使用要 求。 v（4）传感器标定用的标准量因被测量不同而异，但它们必 须是长期稳定的、高精度基准，如砝码、块规等实物基准； 如铂铑-铂热电偶等标准传感器；如分析传感器用的标准物 质等。 27 4.3.1 标定和校准：4.标定的基本方法与系统组成 v 被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等； v 被测量的标准测试系统，如标准力传感器、标 准温度计、高精度位移计等； v 待标定传感器所配接的信号检测设备，如信号 调节器、显示器、记录仪等。因为所配接的检测仪 器是作为标准测试设备来使用的，因此其精度应是 已知的。 28 4.3.2 传感器的静态标定 v1.静态标准条件：传感器的静态特性是在静态条件下进行标 定的，而静态的标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除 非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（ 205）、相对湿度不大于85，大气压力为（101.3 8 ）KPa时的情况。 v2.标定仪器设备的精度等级的确定：对传感器进行标定，是 根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定 传感器的测量精度等级。所以在标定传感器时，所用的测量 仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这 样，标定确定的传感器静态性能指标才是可靠的，所确定的 精度才是可信的。 29 4.3.2: 3静态标定的方法步骤 v(1) 把传感器、检测设备连接，搭建标定系统； v(2) 将传感器全量程（测量范围）分成为若干等分点； v(3) 根据传感器量程分点情况，由小到大依次一点一点地 输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值，直至 量程满为止； v(4) 按照(3)的分点，并与(3)相反的顺序，测试并记录反行程 的输入值与对应的输出值； v(5) 按(3) 、(4)所述过程，对传感器进行正、反行程往复多 次测试，得到输出输入测试数据表或输出输入曲线； v(6) 对测试数据进行必要的处理，可得到被测传感器的线性 度、滞后、重复性、灵敏度等静态特性指标。 v(7) 对量程、分辨力等余下的指标按要求进行标定。 30 4.3.3 传感器的动态标定 v传感器的动态标定主要用于检验、测试传感器的动态特性， 如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。对传感器进行动态 标定，需要对它输入一个标准激励信号，常用的标准激励信 号有两类：一是周期函数，如正弦波、三角波等，以正弦波 为常用；二是瞬态函数，如阶跃波、半正弦波等，以阶跃波 最为常用。 v传感器的动态特性可用传递函数描述，已知传递函数，便可 知传感器的阶跃响应和频率响应特性。因此传感器动态特性 的测试（或标定）实质上是传感器传递函数的确定。 v与静态标定相比，对传感器进行动态标定比较困难。因为产 生、测量标准的非电量动态信号需要专门的仪器设备，而这 些设备大都比较昂贵。 31 1阶跃信号响应法 v（1）一阶传感器时间常数的确定 32 1阶跃信号响应法 v（2) 二阶传感器阻尼比和固有频率的确定 33 2正弦信号响应法 v（1）一阶传感器时间常数的确定：将一阶传感器 的频率特性曲线绘成伯德图，则其对数幅频曲线下 降3dB所测取的角频率，由此可确定一阶传感器的 时间常数。 v（2）二阶传感器阻尼比和固有频率的确定 34 4.4 传感器的误差与信噪比 4.4.1 传感器的误差 4.4.2 传感器的信噪比 35 4.4.1 传感器的误差 v传感器的误差：传感器的输出值与理论输出值之差 。 v由于传感器内部产生的噪声和由外部混入传感器中 的噪声是不可能完全消除的。因此传感器的噪声不 为零，而且是随机变化的，它使传感器对应于某个 输入量不可能有唯一确定的输出，从而产生误差。 v设传感器的输入为x，输出为y，其理想方程为： ySx v其中S为静态灵敏度。 36 4.4.1 传感器的误差 v考虑到环境条件、时间因素对输出的影响，其输出 输入关系可表示为： v传感器经标定后，其输出输入关系变为： vx与输入相同单位的输出值； vC标定系数； v(q,t) 与输入相同单位的输出噪声量。 37 4.4.1 传感器的误差 v如果传感器的静态误差表示为： v并使： v则： v式中：s(x,q,t)包含了非线性误差、迟滞误差以及灵敏度随环 境和时间的变化；(q,t)为各种噪声引起的传感器输出，而 且越靠近输入端的元件所产生的噪声在输出端的影响越大； s(x,q,t)与(q,t)是随时间而随机变化的，它或大或小，有正 有负，有一定的统计规律；当s的时间平均值偏离零时，S0 也将发生变化，所以在偏离并不太大时就需重新进行标定。 38 4.4.1 传感器的误差 v如果传感器的输入量是随时间而变化，且变化的频 率是在传感器的工作频率范围之内，这时传感器的 输出输入关系可表示为： v传感器的动态误差则为： v由上式可知，传感器应在 变化不大的频 率范围内使用，并将 控制在一定范围内，否 则将有较大的动态误差。 39 4.4.2 传感器的信噪比 v传感器的信噪比是指其信号功率SP与噪声功率NP 之比，是表示传感器检测微弱信号能力的一项指标 。SNR越高，说明信号超过噪声越多，使信号更容 易检测。 v传感器的输入信噪比与输出信噪比之比称为噪声系 数F，它同样也是衡量传感器检测微弱信号能力的 一项指标，噪声系数是越低越好，即： 40 4.4.2 传感器的信噪比 v设信号与噪声互不相关： v由于噪声是随机信号，其功率按统计规律处理， 因此上式可用均方值表示为： v如果传感器输入噪声为ni，则其噪声系数为： 41 4.4.2 传感器的信噪比 v当传感器内部噪声为0，即： v当传感器内部噪声不为零时，则： v当传感器的频带与输入噪声频谱相比是非常窄 时，传感器起一定滤波作用，这时： v传感器检测弱信号的能力用xm表示，它是指输 出信噪比为1时输入的大小，则： 42 4.4.2 传感器的信噪比 v在一定的噪声输入时，xm越小，传感器的噪声系数F也越小，因 此表明该传感器检测弱信号的能力越强。 v当传感器F值一定时，则必须抑制由输入端混入的噪声，以降低 其xm值，提高检测弱信号的能力。 v当传感器的频带较宽，无滤波效果时，应尽量减小其内部噪声， 使F接近1，或者在满足所需精确度传递信号的条件下，使传感器 的频带尽量变窄，以得到较高的输出信噪比。 v当输出的噪声较大不可忽略时，可采用平均法，即在较小的时间 间隔（应小于输出最小变化周期）内取输出的平均值，来得到较 高的输出信噪比。 43 4.5 噪声及其抑制 4.5.1 干扰与噪声 4.5.2 传感器噪声 4.5.3 噪声的耦合方式 4.5.4 传感器低噪化方法 44 4.5.1 干扰与噪声：1区别 v噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的 影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相 对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、 它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常 工作才形成干扰。 v噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干 扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。 v干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一 般情况下，难以消除，只能减弱。 45 4.5.1 干扰与噪声：2三要素 v噪声形成干扰必须具备三个条件，即三要素。这三要素是有噪 声源、有对噪声敏感的接受电路和噪声源到接收电路之间的耦 合通道。 v（1）干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器 、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产 生空中电磁信号等。 v（2）传播途径：传播途径是指干扰信号的传播路径。 v（3）接收载体：接收载体是指受影响的设备的某个环节，该 环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。 46 4.5.2 传感器噪声 v传感器系统中除了被测信号等有用信号外出现 的一切不需要的信号，即不希望有的动态分量 ，统称为传感器噪声。 v传感器噪声表现形式一般是不规则和随机的， 但也有规则的，如电源纹波、放大器自激振荡 等。 v传感器噪声的来源和种类比较复杂，按产生原 因可分机械的、音响的、光的、热的、电磁的 、化学的等。 47 4.5.3 噪声的耦合方式：1.共阻抗耦合 v是由于几个电路之间有公共阻抗，当一个电路中有 电流流过时，在公共阻抗上产生一个压降，这一压 降对其它与公共阻抗相连的电路形成干扰。 v电源内阻共阻抗耦合：当用一个电源对几个电子 线路或传感器供电时，电源内阻抗产生共阻抗耦合 。 v公共地线的耦合：在传感器系统的公共地线上， 有各种信号电流流过。由于地线本身具有一定的阻 抗，在其上必然形成压降，该压降就形成对有关电 路的干扰电压。 48 4.5.3 噪声的耦合方式：1.共阻抗耦合 v信号输出电路的相互干扰：当传感器系统的信号 电路有几路负载时，任何一个负载的变化都会通过 输出阻抗的共阻抗耦合而影响其他输出电路。 v模拟系统与数字系统共地耦合干扰：通常数字系 统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大的波 动噪音，数字电路和模拟电路共地时尤为严重。 v消除或减小电阻耦合的方法是采用单点供电与单点 接地，在相当多的电路中难免使用公共电源线和地 线，应尽量将公共线缩短、加粗。 49 4.5.3 噪声的耦合方式 v2.静电耦合：它是由于两个电路之间存在寄生电容 ，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。由 于寄生电容在电路中是普遍存在的，如两平行导线 间，直导线与平面间、同轴电缆间等场合都存在寄 生电容，电容性耦合是普遍存在的。 v3.电磁耦合：又称感性耦合或互感耦合，它是由于 两个电路之间存在互感，当干扰源是以电流形式出 现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信 号形成干扰，使得当一个电路的电流变化时，通过 磁交链影响到另一个电路。 50 4.5.3 噪声的耦合方式：4漏电耦合 v由于两部分电路之间绝缘不良，高电位电路通过绝 缘电阻向低电平电路漏电，这种漏电电流对低电平 电路造成干扰。 v检测较高的直流电压时，被测电压通过绝缘电阻 向检测器输入电路漏电； v在传感器系统附近有较高的直流电源，电压源通 过绝缘电阻向传感器输入电路漏电； v有高输入阻抗的直流放大器，因为输入阻抗取值 很大，其引入的干扰电压的数值就大。51 4.5.3 噪声的耦合方式 v5.传导耦合：是指经导线检拾到噪声，再经它传输 到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。最常 见的是电源线经噪声环境，它把交变电磁场感应到 电源回路中而形成感应电势，再经这条电源线传送 到各处进入电子装置，造成干扰。 v6.辐射电磁场耦合：大功率的高频电气设备，周围 的广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电 磁波。传感器系统若置于这种发射场中就会感应到 与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进 入电路就形成干扰。 52 4.5.4 传感器低噪化方法 1.消除或抑制噪声源 v消除或抑制噪声源是最积极主动的措施，因为它能 从根本上消除或减小干扰。 v在实际工作中，只有一部分在设计者管理权限范围 内的噪声源可以消除或抑制；而大多数噪声源是独 立存在的，是无法消除或抑制的，如自然噪声源、 周围工厂的电器设备产生的噪声等。 v本传感器系统视为噪声，而对另一设备则是有用信 号，对这类信号就不能进行抑制。 53 4.5.4 传感器低噪化方法 2.破坏干扰的耦合通道 v对于以“路”的形式侵入的干扰，可以采用阻截或 给予低阻通路的办法，使干扰不能进入接收电路。例 如提高绝缘电阻以抑制漏电干扰；采用隔离技术来切 断地环路干扰；采用滤波、屏蔽、接地等技术给干扰 以低阻通路，将干扰引开；采用整形、限幅等措施切 断数字信号干扰的途径等。 v对于以“场”的形式侵入的干扰，一般采用屏蔽措 施并兼用“路”的抑制干扰措施，使干扰受到阻截并 难以以“路”的形式侵入电路。 54 4.7.4 传感器低噪化方法 v3.消除接收电路对干扰的敏感性：不同的电路结构形式 对干扰的敏感程度不同。一般高输入阻抗电路比低输入 阻抗电路易接收干扰；模拟电路比数字电路易于接收干 扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的易于接收干扰。 为削弱电路对干扰的敏感性，可以采用滤波、选频、双 绞线、对称电路和负反馈等措施。 v4.采用软件抑制干扰:对于有些已进入电路的干扰，用硬 件措施又不易实现或不易奏效，可以考虑在采用微处理 器的智能传感器系统中，通过编入一定的程序进行信号 处理和分析判断，达到抑制干扰的目的。 55 4.6 传感器中的抗干扰措施 4.6.1 屏蔽 4.6.2 接地 4.6.3 浮置 4.6.4 滤波 4.6.5 光电耦合 4.6.6 印制电路板的抗干扰 4.6.7 传感器的抗干扰 56 4.6 传感器中的抗干扰措施 内部干扰 白噪声（热运动） 闪烁噪声（表面状态） 外部干扰 市电干扰 温度变化 机械振动 电磁感应 电磁辐射 屏蔽 接地 浮置 滤波 光电耦合 措施 57 4.6.1 屏蔽 v屏蔽是将整个系统或部分单元用导电或导磁的材料包围起来构成 屏蔽层，再将屏蔽层接地的技术。这样做可将外部电磁场屏蔽在 系统之外而不致形成干扰。 v屏蔽抗干扰的一般原则是：为了得到满意的屏蔽效果，必须针对 不同的干扰源采用不同的保护措施；在采用一种屏蔽保护措施的 同时要注意使该措施不能破坏另一种屏蔽保护措施收到的屏蔽效 果；根据干扰源的性质确定屏蔽材料；根据检测系统的浮地要求 确定需屏蔽的对象，确定屏蔽的连接和接地。 v屏蔽的作用是隔断“场”的耦合，抑制各种场的干扰。因此它只 适合防止两种类型的外部干扰：一是由大气噪声、星际干扰、雷 电、天体辐射、大功率电气设备、高压设备等引起的电磁辐射干 扰；二是通过静电感应引入的静电电磁干扰。 58 4.6.1 屏蔽：1静电屏蔽 v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，并加上 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。 v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。 v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。 v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，其耦合也将减弱。 59 4.6.1 屏蔽： 2电磁屏蔽 v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。 v电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，其对低频电磁场干 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作用。 v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。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 的作用，以免影响屏蔽效果。 60 4.6.1 屏蔽： 3低频磁屏蔽 v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。 v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。 61 4.6.1 屏蔽： 4驱动屏蔽 v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。 v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 v这说明，导体A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。驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。 的空间无电力线，各点等电位。 62 v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，该屏蔽线的屏蔽层 要与壳体相连，且屏蔽线屏蔽层应良好接地。 v对于电容式传感器，仍然存在“电缆寄生电容 ”干扰问题。一种解决方案是将电容式传感器 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 案就是采用驱动屏蔽。 4.6.1 屏蔽 63 64 4.6.3 浮置 v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。 v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，是阻断干扰电流的通路。 v浮置的传感器测量系统。测量电路有两层屏蔽，外层屏蔽（ 外壳）接大地，内层屏蔽罩通过信号线的屏蔽层在信号源处 接地 。因测量电路与内层屏蔽罩不相连，因此是浮置输入 。 65 4.6.3 浮置 66 4.6.5 光电耦合 v光电耦合器是一种以光为耦合媒质，通过光信号的传递来实现 输入与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号 ，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。 v在光电耦合器输入端加电信号使光源发亮，光的强度取决于激 励电流的大小，当光照射到封装在一起的受光器上后，因光电 效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了“ 电光电”的转换。 v由于两个电路之间采用 光束来耦合，因此能把 两个电路的地电位完全 隔离开。 67 4.6.5 光电耦合 v光耦合器隔离的前、后通道必须分别使用互相隔离的 电源，这样才能达到将前、后通道完全隔离的目的； v需考虑光耦合器的响应速度。从灭到亮、从亮到灭， 光耦合器在传输信号时存在着一定的滞后效应，对高频 信号应注意响应频率； v在设计具体电路时，需要注意前、后信号的传输相位 、发光侧是常灭还是常亮 (从提高光耦合器使用寿命的 角度应为常灭)、接收端电平是常高还是常低等细节问 题。这些都需根据具体情况设定的； 68 4.7 改善传感器性能的技术途径 4.7.1 结构、材料与参数的合理选择 4.7.2 差动技术 4.7.3 平均技术 4.7.4 补偿与校正 4.7.5 稳定性处理 4.7.6 屏蔽、隔离和干扰抑制 4.7.7 零示法、微差法与闭环技术 4.7.8 集成化与智能化 69 4.7.1 结构、材料与参数的合理选择 v应根据实际的需要与可能，对传感器的结构、材料与 参数做出合理的选择。 v选择的原则是：根据实际需要，确保主要指标，放宽 次要指标，以求得高的性能价格比。 v具体地说，对从事传感器研究和生产的部门来说，应 形成满足不同使用要求的系列产品，供用户选择； v而对用户而言，则应按实际需要，恰如其分地选用能 满足使用要求的产品，即使对主要的参数也切忌盲目 追求高指标。 70 4.7.2 差动技术 v差动技术可以改善传感器的非线性，并提高 灵敏度。 v差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的 应用可显著地减小温度变化、电源波动、外 界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模 误差，减小非线性误差等。 v不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵 敏度增大。 71 v误差平均效应原理是利 用n个相同的传感器单元同 时感受被测量，因而其输 出将是这n个单元输出的总 和。若将每个单元可能带 来的误差均可看作随机误 差且服从正态分布，根据 误差理论，对n个单元来说 ，总的误差将减小为： 4.7.3 平均技术 v采用平均技术的目的是产生平均效应，减小测量时的随机误 差，常用的方法有两种，即误差平均效应和数据平均处理。 72 4.7.3 平均技术 v误差平均效应：误差平均效应在光栅、磁栅、容栅等栅状传 感器中取得了明显的效果，测量精度很高。 v容栅传感器由定极板和动极板组成，每个极板都是由间距相等 的梳状电极并联而成，因此，容栅传感器可看成是由n个完全 相同的电容传感器并联而成。 v假设动极板发生位移x，则 将有n个电容传感器同时感 受到被测量x的变化，其输 出将是n个并联的电容传感 器的输出的总和。 73 4.7.3 平均技术 v数据平均处理：将相同条件下的测量重复n次， 或进行n次采样，然后将数据进行平均处理，这样 ，随机误差也将减小 倍。因此，凡被测对象允 许进行多次重复测量时，都可以采用数据平均处理 技术减小随机误差，提高测量精度。 v测量时，将整个测量系统看成对象，采用多点测量 和多次采样平均的方法，不仅可减小随机误差，且 可增大信号量，即增大传感器灵敏度，提高测量精 度。 74 4.7.4 补偿与校正 v当传感器或测试系统的系统误差变化规律过于复杂时，可找出 误差的方向和数值，采用修正的方法（包括修正曲线或公式） 加以补偿和校正。 v补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：一是针对传感器特 性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当 的方法加以补偿或修正；二是针对传感器工作条件或外界环境 进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。 v不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。 为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往 往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差 补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律， 然后引入温度补偿措施。 75 4.7.4 补偿与校正 v例：某传感器存在温度误差，可在不同温度下 进行多次测量，找出温度对测量值影响的规律 ，然后在实际测量时进行补偿。 温度传感器输入传感器输出 T0x0y0 T1x1y1 T2x2y2 Tnxnyn76 4.7.5 稳定性处理 v传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得 特别重要，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。 v造成传感器性能不稳定的主要原因是，随着时间和环境 条