《传感器项目7传感器的信号处理与抗干扰》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器项目7传感器的信号处理与抗干扰（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目7 传感器的信号处理与抗干扰学学 习习 目目 标标技能目标能对传感器信号进行简单处理与变换能根据干扰源及干扰途径采取适当的抗干扰措 施 知识目标理解传感器电子电路信号的特点掌握信号的变换方式理解干扰的来源及耦合方式掌握传感器常用的抗干扰技术了解智能传感器的基本知识 项目7 传感器的信号处理与抗干扰项目7 传感器的信号处理与抗干扰任务1 传感器的信号处理7.1.1 传感器用基本电路单元传感器是将输入量转变成电量或电信号输出的元件。作 为典型的电量或电信号主要有电压、电流、电荷、电阻、电 容和电感等。但有时传感器的输出信号可以是压力、光量或 位移等。传感器输出的信号，一般具有如下的特点： 多数
2、是模拟信号； 信号一般较微弱，如电压信号为VmV级，电流信号为 nAmA级； 由于传感器内部噪声（如热噪声、散粒噪声等）的存在， 使输出信号与噪声混合在一起。当传感器的信噪比低、输出 信号微弱时，信号将被淹没在噪声之中；项目7 传感器的信号处理与抗干扰 大部分传感器的输入与输出特性呈线性或基本呈线性， 但仍有少数传感器的输入与输出特性曲线呈非线性或某种函 数关系； 外界环境会影响传感器的输出特性，主要是温度、电场 或磁场的干扰等； 传感器的输出特性与电源性能有关，一般需要采用恒压 供电或恒流供电。根据上述传感器的输出信号的特点来看，传感器的输出 信号一般不能直接用于仪器、仪表显示或作为控制信号
3、用， 而往往需要通过专门的电子电路对传感器的输出信号进行加 工处理，这种信号变换一般称为二次变换。完成二次变换的 电路称为传感器的电子电路或测量电路。项目7 传感器的信号处理与抗干扰1传感器电子电路的基本组成和要求传感器电子电路的基本组成包括各种信号放大 电路、电桥电路、滤波电路及调制解调电路等。设计传感器的电子电路时，不仅要依据传感器 的输出特性，还要注意到仪器仪表的显示器、打印 机、记录仪或调节器、自动控制装置等对信号的要 求，并且同时要考虑使用的环境条件及整个系统对 它的要求等。 项目7 传感器的信号处理与抗干扰2电桥电路电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路 的主要指标是输出特性、
4、非线性误差和桥路灵敏度。3信号的放大与隔离信号放大电路是传感器信号调理最常用的电路 。由于运算放大器具有输入阻抗高、增益大、可靠 性高、价格低廉、使用方便等优点，所以目前的放 大电路几乎都采用运算放大器。 实际应用中，一次测量仪表的安装环境和输出特性 千差万别，也很复杂，因此选用哪种类型的放大器 应取决于应用场合和系统要求。项目7 传感器的信号处理与抗干扰7.1.2 信号变换1电压与电流转换电压与电流的相互转换实质上是恒压源与恒流源的相互转 换，一般来说，恒压源的内阻远小于负载电阻，恒流源内阻 远大于负载电阻。因此原则上讲，将电压转换为电流必须采 用输出阻抗高的电流负反馈电路，而将电流转换为电
5、压则必 须采用输出阻抗低的电压负反馈电路。（1）电压转换为电流（V/I转换器）随着微电子技术及加工技术的发展，在实现05 V、0 10 V及15 V直流电压与010 mA、420 mA电流的 转换时，可直接采用集成电压/电流转换电路来实现，如 AD693、AD694、XTRll0、ZF2B20等。项目7 传感器的信号处理与抗干扰应用AD693作皮带秤的信号变送器项目7 传感器的信号处理与抗干扰（2）电流转换为电压（I/V转换器）当变送器的输出信号为电流信号时，经I/V转换可将其 转化成电压信号。最简单的I/V转换可以利用一个500 的 精密电阻，将010 mA的电流信号转换为05 V的电压 信
6、号。对于不存在共模干扰的010 mA DC信号，如DDZ- 型仪表的输出信号等，可用下图所示的电阻式I/V转换 ，其中RC构成低通滤波网络，Rw用于调整输出电压值。项目7 传感器的信号处理与抗干扰2电压与频率的相互转换目前实现电压/频率转换的方法很多，主 要有积分复原型和电荷平衡型，积分复原型 V/F转换器主要用于精度要求不高的场合。电 荷平衡型精度较高，频率输出可较严格地与输 入电流成比例，目前大多数的集成V/F转换器 均采用这种方法。V/F转换器常用集成芯片主 要有VFC32和LM31系列。 项目7 传感器的信号处理与抗干扰LM31系列简化功能框图 项目7 传感器的信号处理与抗干扰LM33
7、1用做V/F转换电路 项目7 传感器的信号处理与抗干扰LM331用做F/V转换电路项目7 传感器的信号处理与抗干扰任务2 传感器的抗干扰技术7.2.1 干扰源及防护在电子测量装置的电路中出现的、无用的信号 称为噪声。当噪声电压影响电路正常工作时，该 噪声电压就称为干扰电压。自动检测装置的噪声 干扰是一个很棘手的问题。 知识链接项目7 传感器的信号处理与抗干扰1机械的干扰机械的干扰是指由于机械的振动或冲击，导致仪表或 装置中的电气元件发生振动、变形，使系统的电气参数发生 变化，从而影响仪表和装置的正常工作。对于机械的干扰主 要是采取减振措施来克服，例如应用减振弹簧或减振橡皮垫 等。 橡胶 海绵软
8、垫橡胶垫脚及弹簧项目7 传感器的信号处理与抗干扰2热的干扰设备和元器件工作时产生的热量所引起的温 度波动以及环境温度的变化等都会引起仪表和装 置的电气元件参数发生变化，或产生附加的热电 势等，从而影响了仪表或装置的正常工作。 克服热干扰的防护措施有：选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿 措施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件 规格余量，仪器的前置输入级远离发热元件， 加强散热、采用热屏蔽等。项目7 传感器的信号处理与抗干扰 散热实例 散热风扇项目7 传感器的信号处理与抗干扰湿度增加会使绝缘体的绝缘电阻下降，漏电流增加， 高值电阻的阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线 圈骨架膨胀等，这样必
9、会影响检测仪表的正常工作。对于 湿度干扰主要考虑潮湿的防护。 3光的干扰在检测仪表中广泛使用着各种半导体元器件，而半导体 材料在光线的作用下会激发出电子-空穴对，使半导体元 器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响检测仪表的正 常工作。对于光的干扰主要是采取屏蔽技术加以克服，将 半导体元器件封装在不透光的壳体内。对于具有光敏作用 的元件，尤其应该注意光的屏蔽问题。 4湿度干扰项目7 传感器的信号处理与抗干扰5化学干扰化学物品如酸、碱、盐及腐蚀性气体等，一方面会通 过化学腐蚀作用损坏仪表元件和部件；另一方面会与金属 导体形成化学电势。 6电和磁的干扰电和磁可以通过电路和磁路对检测仪表产生干扰作用
10、，电场和磁场的变化也会在检测仪表的有关电路中感应出 干扰电压，从而影响检测仪表的正常工作。电和磁的干扰 是对检测仪表最普遍和影响最严重的干扰。 7射线辐射的干扰射线会使气体电离，半导体激发出电子-空穴对，金属 逸出电子等，从而影响检测仪表的正常工作。 项目7 传感器的信号处理与抗干扰7.2.2 干扰的途径干扰必须通过一定的路径才能进入检测装置，因此要 想有效地抑制干扰，必须切断它的路径以消除干扰。干扰 的途径有“路”和“场”两种形式。 1通过“路”的干扰 （1）通过漏电阻引起的干扰1干扰源；2仪器输入端子；3仪器的输入电阻项目7 传感器的信号处理与抗干扰（2）通过共阻抗耦合引起的干扰它是指当两
11、个或两个以上的电路共同享有或使用一段 公共的线路，而这段线路又具有一定的阻抗时，这个阻抗就 成为这两个电路的共阻抗。第二个电路的电流流过这个共阻 抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压。 项目7 传感器的信号处理与抗干扰（3）由电源配电回路引入的干扰交流供配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各 种干扰的网络，而且十分方便地以电路传导的形式传遍各 处，并经检测装置的电源线进入仪器内部造成干扰。 项目7 传感器的信号处理与抗干扰2通过“场”的干扰工业现场各种线路上的电压、电流的变化必然反映在其对 应的电场、磁场的变化上，而处在这些“场”内的导体将受到 感应而产生感应电动势和感应电流。各种噪声源
12、常常通过这 种“场”的途径将噪声源的部分能量传递给检测电路，从而造 成干扰。通过电场耦合的干扰实质上是电容性耦合，而通过 磁场耦合的干扰实质是互感性耦合干扰。项目7 传感器的信号处理与抗干扰7.2.3 几种常见的抗干扰技术1屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包在其中， 可以防止电场或磁场的耦合干扰，此种方法称为屏蔽。 未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受 外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器项目7 传感器的信号处理与抗干扰（1）静电屏蔽静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材 料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要 屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不 影响其内部的电路，反之
13、，内部电路产生的电力线 也无法影响外电路。静电屏蔽的容器器壁上允许有 较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影 响不大。项目7 传感器的信号处理与抗干扰仪器设备的屏蔽外壳必须接地带孔屏蔽板项目7 传感器的信号处理与抗干扰 自制的屏蔽罩通风屏蔽窗项目7 传感器的信号处理与抗干扰开关电源采用带孔的屏 蔽外壳，既可散热，又可 防止电磁干扰外泄项目7 传感器的信号处理与抗干扰带调试孔的屏蔽盒项目7 传感器的信号处理与抗干扰（2）电磁屏蔽电磁屏蔽也是采用导电良好的金属材料作屏蔽罩，利用 电涡流原理，使高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生电涡流， 消耗干扰磁场的能量，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场， 从而使
14、电磁屏蔽层内部的电路免受高频电磁场的影响。若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽作用。通常 使用的铜质网状屏蔽电缆就能同时起电磁屏蔽和静电屏蔽的 作用。镀铜电磁屏蔽盒项目7 传感器的信号处理与抗干扰军用屏蔽帐 篷几种用导电纤维材料编织 而成的军用电磁屏蔽器材军用 电子方舱屏蔽通信车项目7 传感器的信号处理与抗干扰防电磁波屏蔽围裙几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服辐射源防电磁波屏蔽服装防电磁波屏蔽围裙的使用项目7 传感器的信号处理与抗干扰屏蔽室导电PVC地板 用于防静电及 底部屏蔽干扰信号无法穿透钢板屏蔽室项目7 传感器的信号处理与抗干扰（3）低频磁屏蔽 在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因
15、此必须采用高 导磁材料作屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很 小的磁屏蔽层内部，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频 磁场耦合干扰的影响。例如仪器的铁皮外壳就起到低频磁 屏蔽的作用。若进一步将其接地，又同时起静电磁屏蔽和 电磁屏蔽作用。在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆， 其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，内层是高磁导 率、低饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便 一步步地消耗干扰磁场的能量。在工业中常用的办法是将 屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到双重屏蔽的目 的。项目7 传感器的信号处理与抗干扰多数仪器的外壳 采用导磁材料（例如 ：铁质机壳）作屏蔽 层，让低频干扰磁力 线从磁
16、阻很小的磁屏 蔽层上通过，使受外 壳保护的内部电路免 受低频磁场耦合干扰 的影响。如果将外壳 接地，则同时达到静 电屏蔽和低频磁屏蔽 的目的。项目7 传感器的信号处理与抗干扰2接地技术接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼 于安全，这种地线也称为“保安地线”，它的接地电阻值 必须小于规定的数值。 （1）地线的种类接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于 安全。这种地线也称为“保安地线” 。它的接地电阻值必须 小于规定的数值。对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地线”多 是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作 为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制 干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。项目7 传感器的信号处理与抗干扰 四种触电情况项目7 传感器的信号处理与抗干扰 保安地线电烙铁的外壳必须 良好地接大地，以保证 人身安
