传感器的应用基础

1、1第第4 4章章 传感器的应用基础传感器的应用基础v4.1 4.1 测量概述测量概述v4.2 4.2 量值的传递与溯源量值的传递与溯源v4.4 4.4 传感器的误差与信噪比传感器的误差与信噪比 v4.5 4.5 噪声及其抑制噪声及其抑制v4.6 4.6 传感器中的抗干扰措施传感器中的抗干扰措施v4.7 4.7 改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径24.1 测量概述测量概述4.1.1 测量与计量测量与计量4.1.2 测量误差的概念测量误差的概念4.1.3 测量精度测量精度4.1.4 测量的基本方法测量的基本方法4.1.5 测量系统测量系统 34.1.1 4.1.1 测量与计量测量与计

2、量v测量测量是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与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选定单位的比值。这个比值同测量单位结合在一起称称量值量值。测量测量以确定被测量值为目的的一系列操作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。是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。v计量计量是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的是规范测量的测量。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与测量仪器、按照规程、由资

3、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。的以判别测量器具合格性为目的的测量，是计量。44.1.1 4.1.1 测量与计量测量与计量v计量计量的的基本业务基本业务：建立基准，即复现单位，建立各：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。行量值统一。v计量存在计量存在的的原因原因是是：通常的测量都存在系统误差。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。手续，以保证其准确。v测量者自身经多次测量可以发现

4、并减小随机误差，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。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。真值，有真值才能求得被检仪器的系统误差。54.1.1 4.1.1 测量与计量测量与计量v测量与计量的具体测量与计量的具体工作对象工作对象不同。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。量的准确。v“测量测量”就是为获取量值信息的活动；就是为获取量值信息的活动；“计量计量”不仅不仅要获取量值信息

5、，而且要实现量值信息的传递或溯源。要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源。 v“测量测量”作为一类操作，其对象很广泛；作为一类操作，其对象很广泛；“计量计量”作作为一类操作，其对象就是测量仪器。为一类操作，其对象就是测量仪器。v“测量测量”可是以孤立的；可是以孤立的；“计量计量”则存在于量值传递则存在于量值传递或溯源的系统中。或溯源的系统中。 64.1.1 4.1.1 测量与计量测量与计量v测量与计量的划分，以测量与计量的划分，以测量工具测量工具的作用为界。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，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；

6、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。合格性，相信的是标准。v简言之，相信测量工具的是测量；检查测量工具的是简言之，相信测量工具的是测量；检查测量工具的是计量。计量。v计量通常是测量的计量通常是测量的逆逆操作。操作。 74.1.5 4.1.5 测量系统测量系统v第一级（测量信息传感级）第一级（测量信息传感级）：包括传感器、敏感元件或装置、：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，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

7、。在理想情况下，该级只敏感被测量，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。测量中，造成测量的误差或困难。 84.1.5 4.1.5 测量系统测量系统v第二级第二级（信号调理级）（信号调理级）：第二级的目的是调理传感所得的测：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，转变为适合于最量信号，将测量传感所得的信号进行整理，转变

8、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，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。各种干扰信号），使信号满足下一级的需要。94.1.5 4.1.5 测量系统测量系统v第三级第三级（读出记录级）（读出记录级）：第三级是

9、测量系统：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）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。采集，作进一步处理或控制某一对象。104.1.5 4.1.5 测量系统测量系统测速系统测速系统114.2 4.2 量值的传递与溯源量值的传递与溯源4.2.1 量值的概念量值的概念4.2.2 量值的传递量值的传递4.2.3 量值的溯源量值的溯源4.2.4 量值传递与量值溯源的区别量值传递与量值溯源的区别 12

10、4.2.1 4.2.1 量值的概念量值的概念v量量是现象、物体或物质的可以定性区别和定量是现象、物体或物质的可以定性区别和定量确定的一种属性。确定的一种属性。v凡可相互比较并按大小排序的量称为凡可相互比较并按大小排序的量称为同种量同种量，若干同种量合在一起可称为若干同种量合在一起可称为同类量同类量，如功、热、，如功、热、能。能。v在同一类量中，如选出某一特定的量作为参考在同一类量中，如选出某一特定的量作为参考量，用以量度同类量的大小，这个参考量称为量，用以量度同类量的大小，这个参考量称为测量单位测量单位。v量值量值一般由一个数乘以测量单位所表示的特定一般由一个数乘以测量单位所表示的特定量的大小

11、。量的大小。134.2.2 4.2.2 量值的传递量值的传递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，称为致，称为量值传递量值传递。v任何计量器具，由于种种原因，都具有不同程度的误差。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

12、误的计量结果。对于新制的或修理后的计量器具，必须错误的计量结果。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周期检定。144.2.2 4.2.2 量值的传递量值的传递v国家计量检定系统国家计量检定系统：由国务院计量行政部门组：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字的形式，明确地规定由国家计量基准

13、到各级计量标准直到普通计量器具的量值传递程序，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。许误差和传递方法等。v量值传递体系量值传递体系：国家根据经济合理，分工协作：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的原则，以城市为中心，就地就近组织的量值传递网。传递网。15164.2.3 4.2.3 量值的溯源量值的溯源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（通常是国家计果或测量标准

14、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，称为量标准或国际计量标准）联系起来的特性，称为量值溯源量值溯源性性。 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准向测量的源头追溯，即溯源到同一个测量基准( (国家基国家基准或国际基准准或国际基准) )，这样才能确保计量单位统一，量值准确，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。是按比较链，向计量

15、基准的追溯。 17184.2.3 4.2.3 量值的溯源量值的溯源v量值溯源是量值溯源是从下而上从下而上，企业可根据测量准确度的要求，自主，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，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。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

16、会形成计量检定机构的重一直实行定点、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。值溯源。194.2.3 4.2.3 量值的溯源量值的溯源v标准物质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是实现准确一致的测量，保证量值有效传递的计量标准标准。通过使用不同等级的标准物质，使准确度由低到高，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

17、量值的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，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，被称为量值的最终至实际测量现场的过程，被称为量值的“传递过程传递过程”。v由此，形成了由此，形成了化学测量化学测量的完整的溯源的完整的溯源量传体系。在这个量传体系。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。现测量准确一致的至关重要的作用。204.2.4 4.2.4 量值传递与量值溯源的区

18、别量值传递与量值溯源的区别 v量值溯源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1/101/10或或1/31/3法则）的量值与之比较，确定自己的准确性。而法则）的量值与之比较，确定自己的准确性。而量值传递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。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，带有主溯源

19、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。概念是量值传递概念的逆过程。21224.3 4.3 传感器的标定与校准传感器的标定与校准4.3.1 标定和校准标定和校准 4.3.2 传感器的静态标定传感器的静态标定4.3.3 传感器的动态标定传感器的动态标定 234.3.1 4.3.1 标定和校准：标定和校准：1.1.计量基准与计量标准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

20、部门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批准，作为统一全国量值最高依据的计量器具。具。v计量标准是计量标准器具的简称，指准确度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。作计量器具的计量器具。 244.3.1 4.3.1 标定和校准：标定和校准：2.2.标定和校准的概念标定和校准的概念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（指传感器、仪器或设备）对其

21、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。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

22、要求，这一性能复测过程称为校准。原先技术指标所规定的要求，这一性能复测过程称为校准。 254.3.1 4.3.1 标定和校准：标定和校准： 3 3传感器标定原则传感器标定原则v（1 1）传感器标定有产品计量标定和非产品标定之分。产品）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

23、员不要求资质，标定结果自然也就没有传播、传递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。的合法性。v（2 2）量值传递体系，是为量值的准确传递，由国家根据经）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。量值传递网。264.3.1 4.3.1 标定和校准：标定和校准：3 3传感器标定原则传感器标定原则v（3 3）为了保证各种物理量量值的一致准确，国际上多提倡）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量值溯

24、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。求。v（4 4）传感器标定用的标准量因被测量不同而异，但它们必）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；须是长期稳定的、高精度基准，如砝码、块规等实物基准；如铂铑如铂铑- -铂热电

25、偶等标准传感器；如分析传感器用的标准物铂热电偶等标准传感器；如分析传感器用的标准物质等。质等。274.3.1 4.3.1 标定和校准：标定和校准：4.4.标定的基本方法与系统组成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；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；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调节器、显示器、记录仪等。因为所配接的检测仪器是作

26、为标准测试设备来使用的，因此其精度应是器是作为标准测试设备来使用的，因此其精度应是已知的。已知的。284.3.2 4.3.2 传感器的静态标定传感器的静态标定v1.1.静态标准条件：传感器的静态特性是在静态条件下进行标静态标准条件：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非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（202055）、相对湿度不大于）、相对湿度不大于8585，大气压力为（，大气压力为（101.3101.3 8 8）KPaKPa

27、时的情况。时的情况。v2.2.标定仪器设备的精度等级的确定：对传感器进行标定，是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。精度才是可信的。294.3.2: 4.

28、3.2: 3 3静态标定的方法步骤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；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；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；量程满为止；v(4) 按照按照(3)的分点，并与的分点，并与(3)相反的顺序，测试并记录反行程相反的顺序，测试并记录反行程的输入值与对应的输出值

29、；的输入值与对应的输出值；v(5) 按按(3) 、(4)所述过程，对传感器进行正、反行程往复多所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，得到输出次测试，得到输出输入测试数据表或输出输入测试数据表或输出输入曲线；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。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。对量程、分辨力等余下的指标按要求进行标定。304.3.3 4.3.3 传感器的动态标定传感器的动态标定v传感器的动态标定主要用于检验、测试

30、传感器的动态特性，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。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，便可传感器的动态特性可用传递函数描述，已知传

31、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。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。些设备大都比较昂贵。311 1阶跃信号响应法阶跃信号响应法v（1）一阶传感器时间常数的确定）一阶传感器时间常数的确定xbyadtdya001/)/exp(1 )(

32、tkAty)/exp()/()(1tkAty)/()(1lnkAtyZ321 1阶跃信号响应法阶跃信号响应法v（2) 二阶传感器阻尼比和固有频率的确定二阶传感器阻尼比和固有频率的确定2)(/ln/11ym22011mdtdinintt/ )2()/ln()(nimmn2)(22)/ln(411nimmin332 2正弦信号响应法正弦信号响应法v（1 1）一阶传感器时间常数的确定：将一阶传感器）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的频率特性曲线绘成伯德图，则其对数幅频曲线下降降3dB3dB所测取的角频率，由此可确定一阶传感器的所测取的角频率，由此可确

33、定一阶传感器的时间常数。时间常数。v（2 2）二阶传感器阻尼比和固有频率的确定）二阶传感器阻尼比和固有频率的确定 20121kkr2021r344.4 4.4 传感器的误差与信噪比传感器的误差与信噪比4.4.1 传感器的误差传感器的误差 4.4.2 传感器的信噪比传感器的信噪比 354.4.1 4.4.1 传感器的误差传感器的误差v传感器的误差：传感器的输出值与理论输出值之差。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的噪声是不可能完全消除的。因此传感器的噪

34、声不为零，而且是随机变化的，它使传感器对应于某个为零，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。输入量不可能有唯一确定的输出，从而产生误差。v设传感器的输入为设传感器的输入为x，输出为，输出为y，其理想方程为：，其理想方程为：ySxv其中其中S为静态灵敏度。为静态灵敏度。364.4.1 4.4.1 传感器的误差传感器的误差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：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：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；与输入相

35、同单位的输出值；vC标定系数；标定系数；v(q,t) 与输入相同单位的输出噪声量。与输入相同单位的输出噪声量。),(),(0tqnxtqxsSy),(),(0tqxtqxsSCx374.4.1 4.4.1 传感器的误差传感器的误差v如果传感器的静态误差表示为：如果传感器的静态误差表示为：v并使：并使：v则：则：v式中：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；境和时间的变化；(q,t)为各种噪声引起的传感器输出，而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；且越靠近输入端的元件所产

36、生的噪声在输出端的影响越大；s(x,q,t)与与(q,t)是随时间而随机变化的，它或大或小，有正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；当有负，有一定的统计规律；当s的时间平均值偏离零时，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。也将发生变化，所以在偏离并不太大时就需重新进行标定。 10CS),(),(tqxtqxCsxxxx384.4.1 4.4.1 传感器的误差传感器的误差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，这时传感器的率是在传感器的工作频率范围之

37、内，这时传感器的输出输入关系可表示为：输出输入关系可表示为：v传感器的动态误差则为：传感器的动态误差则为：v由上式可知，传感器应在由上式可知，传感器应在 变化不大的频变化不大的频率范围内使用，并将率范围内使用，并将 控制在一定范围内，否控制在一定范围内，否则将有较大的动态误差。则将有较大的动态误差。)()()(xjSy噪声量静态灵敏度动态灵敏度)()()0()()(nxSjSy)0()(SjS)(n394.4.2 4.4.2 传感器的信噪比传感器的信噪比v传感器的信噪比是指其信号功率传感器的信噪比是指其信号功率SP与噪声功率与噪声功率NP之比，是表示传感器检测微弱信号能力的一项指标。之比，是表

38、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，使信号更容易越高，说明信号超过噪声越多，使信号更容易检测。检测。v传感器的传感器的输入输入信噪比与信噪比与输出输出信噪比之比称为信噪比之比称为噪声系噪声系数数F，它同样也是衡量传感器检测微弱信号能力的，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：一项指标，噪声系数是越低越好，即：oiiNPSPNPSPSNRSNRF)()(0404.4.2 4.4.2 传感器的信噪比传感器的信噪比v设信号与噪声互不相关：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，由于噪声是随机信号，其功率按统

39、计规律处理，因此上式可用均方值表示为因此上式可用均方值表示为：v如果传感器输入噪声为如果传感器输入噪声为ni，则其噪声系数为：，则其噪声系数为：),(),(0tqnxtqxsSy),(0tqnxSy22202nxSy2202222022iinSnnxSnxF414.4.2 4.4.2 传感器的信噪比传感器的信噪比v当传感器内部噪声为当传感器内部噪声为0 0，即：，即：v当传感器内部噪声不为零时，则：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：时，传感器起一定滤波作用，这时： v传感器检测弱信号的

40、能力用传感器检测弱信号的能力用xm表示，它是指表示，它是指输输出信噪比出信噪比为为1 1时时输入输入的大小，则：的大小，则：2202222022iinSnnxSnxF2202inSn1F2202inSn1F1FFnSnxim22022424.4.2 4.4.2 传感器的信噪比传感器的信噪比v在一定的噪声输入时，在一定的噪声输入时，xm越小，传感器的噪声系数越小，传感器的噪声系数F也越小，因也越小，因此表明该传感器检测弱信号的能力越强。此表明该传感器检测弱信号的能力越强。v当传感器当传感器F值一定时，则必须抑制由输入端混入的噪声，以降低值一定时，则必须抑制由输入端混入的噪声，以降低其其xm值，提

41、高检测弱信号的能力。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，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，使使F接近接近1 1，或者在满足所需精确度传递信号的条件下，使传感器，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。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。高

42、的输出信噪比。FnSnxim22022434.5 4.5 噪声及其抑制噪声及其抑制4.5.1 干扰与噪声干扰与噪声4.5.2 传感器噪声传感器噪声4.5.3 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 4.5.4 传感器低噪化方法传感器低噪化方法 444.5.1 4.5.1 干扰与噪声：干扰与噪声：1 1区别区别v噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的噪声是绝对的，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、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它和有用信号一起进

43、入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。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。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。般情况下，难以消除，只能减弱。454.5.1 4.5.1 干扰与噪声干扰与噪声：2 2三要素三要素v噪声形成干扰必须具备三个条件，即三要素。这三要素是有噪声形成干扰必须具备三个条件，即三要素。这三要素是有噪噪声源声源、有对噪声敏感的、有对噪声敏感的接受电路接受电路和噪声源到接

44、收电路之间的和噪声源到接收电路之间的耦耦合通道合通道。 v（1 1）干扰源干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、：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。空中电磁信号等。v（2 2）传播途径传播途径：传播途径是指干扰信号的传播路径。：传播途径是指干扰信号的传播路径。v（3 3）接收载体接收载体：接收载体是指受影响的设备的某个环节，该：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。环节吸收了干扰信号，并转化为对系统

45、造成影响的电器参数。464.5.2 4.5.2 传感器噪声传感器噪声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，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。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，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、放大器自激振荡但也有规则的，如电源纹波、放大器自激振荡等。等。v传感器噪声的来源和种类比较复杂，按产生原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、因可分机械的、音响的、光的、热的、电

46、磁的、化学的等。化学的等。474.5.3 4.5.3 噪声的耦合方式：噪声的耦合方式：1.1.共阻抗耦合共阻抗耦合v是由于几个电路之间有是由于几个电路之间有公共阻抗公共阻抗，当一个电路中有，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。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电源内阻共阻抗耦合：当用一个电源对几个电子：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。线路或传感器供电时，电源内阻抗产生共阻抗耦合。v公共地线的耦合公共地线的耦合：在传感器系统的公共地

47、线上，：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。路的干扰电压。484.5.3 4.5.3 噪声的耦合方式：噪声的耦合方式：1.1.共阻抗耦合共阻抗耦合v信号输出电路的相互干扰信号输出电路的相互干扰：当传感器系统的信号：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。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

48、共地耦合干扰模拟系统与数字系统共地耦合干扰：通常数字系：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。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消除或减小电阻耦合的方法方法是采用单点供电与单点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。线，应尽量将公共线缩短、加粗。 494.5.3 4.5.3 噪声的耦合方式噪声的耦合方式v2.2.静电耦合静电耦合：它是由于两个电路之间存在寄生电容，：它

49、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，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。容，电容性耦合是普遍存在的。v3.3.电磁耦合电磁耦合：又称感性耦合或互感耦合，它是由于：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现时，此电流所产生

50、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。磁交链影响到另一个电路。 504.5.3 4.5.3 噪声的耦合方式噪声的耦合方式：4 4漏电耦合漏电耦合 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。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；向检测器输入电路漏电；v在传感器系统附近

51、有较高的直流电源，电压源通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；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。很大，其引入的干扰电压的数值就大。514.5.3 4.5.3 噪声的耦合方式噪声的耦合方式v5.5.传导耦合传导耦合：是指经导线检拾到噪声，再经它传输：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见的是电源线经噪声环境，它把交变

52、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。到各处进入电子装置，造成干扰。v6.6.辐射电磁场耦合辐射电磁场耦合：大功率的高频电气设备，周围：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。入电路就形成干扰。524.5.4 4.5.4 传感器低噪化方法传

53、感器低噪化方法1.1.消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源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。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、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。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本传感器系统视为噪声，而对另一设

54、备则是有用信号，对这类信号就不能进行抑制。号，对这类信号就不能进行抑制。534.5.4 4.5.4 传感器低噪化方法传感器低噪化方法2.2.破坏干扰的耦合通道破坏干扰的耦合通道v对于以对于以“路路”的形式侵入的干扰，可以采用阻截或的形式侵入的干扰，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、限幅等措施切以低阻通路，将干

55、扰引开；采用整形、限幅等措施切断数字信号干扰的途径等。断数字信号干扰的途径等。 v对于以对于以“场场”的形式侵入的干扰，一般采用屏蔽措的形式侵入的干扰，一般采用屏蔽措施并兼用施并兼用“路路”的抑制干扰措施，使干扰受到阻截并的抑制干扰措施，使干扰受到阻截并难以以难以以“路路”的形式侵入电路。的形式侵入电路。544.7.4 4.7.4 传感器低噪化方法传感器低噪化方法v3.3.消除接收电路对干扰的敏感性消除接收电路对干扰的敏感性：不同的电路结构形式对：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

56、字电路易于接收干扰；布电路易接收干扰；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。电路和负反馈等措施。v4.4.采用软件抑制干扰采用软件抑制干扰: :对于有些已进入电路的干扰，用硬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的智能传感器系统中，通过编入一

57、定的程序进行信号处理和分析判断，达到抑制干扰的目的。和分析判断，达到抑制干扰的目的。554.6 4.6 传感器中的抗干扰措施传感器中的抗干扰措施4.6.1 屏蔽屏蔽4.6.2 接地接地4.6.3 浮置浮置 4.6.4 滤波滤波4.6.5 光电耦合光电耦合4.6.6 印制电路板的抗干扰印制电路板的抗干扰4.6.7 传感器的抗干扰传感器的抗干扰 564.6 4.6 传感器中的抗干扰措施传感器中的抗干扰措施内部干扰内部干扰白噪声（热运动）白噪声（热运动）闪烁噪声（表面状态）闪烁噪声（表面状态）外部干扰外部干扰市电干扰市电干扰温度变化温度变化机械振动机械振动电磁感应电磁感应电磁辐射电磁辐射屏蔽屏蔽接地

58、接地浮置浮置滤波滤波光电耦合光电耦合措施措施574.6.1 4.6.1 屏蔽屏蔽v屏蔽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。系统之外而不致形成干扰。v屏蔽抗干扰的一般屏蔽抗干扰的一般原则原则是：为了得到满意的屏蔽效果，必须针对是：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

59、能破坏另一种屏蔽保护措施收到的屏蔽效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。确定需屏蔽的对象，确定屏蔽的连接和接地。v屏蔽的作用是隔断屏蔽的作用是隔断“场场”的耦合，抑制各种场的干扰。因此它只的耦合，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电、天体辐射、大功率电气设备、高压设备

60、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。扰；二是通过静电感应引入的静电电磁干扰。584.6.1 4.6.1 屏蔽：屏蔽：1 1静电屏蔽静电屏蔽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，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，并加上即导体内部无电力线。利用金属导体的这一性质，并加上接接地地措施，则静电场的电力线就在措施，则静电场的电力线就在接地接地的金属导体处中断，起的金属导体处中断，起到隔离电场的作用。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静电屏蔽能防止静电场的影响，用它