使用传感器技术教程PPT传感器的补偿和抗干扰技术.ppt

《使用传感器技术教程PPT传感器的补偿和抗干扰技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《使用传感器技术教程PPT传感器的补偿和抗干扰技术.ppt（35页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、2023/3/6,1,实用传感器技术教程,传感器的补偿技术,1.2,第8章传感器的补偿和抗干扰技术,温度误差及补偿,8.1.2,传感器的抗干扰技术,非线性误差及补偿,干扰的分类,干扰的耦合方式,抑制干扰的措施,在实际测量中，有两个影响传感器系统测量精度的重要因素，一是传感器的非线性特性；二是检测元件和电路受温度变化的影响。因此，为了保证传感器在实际应用中准确、可靠地工作，有必要对影响传感器测量精度的非线性和温度误差进行相应的补偿。由于传感器的工作环境都是非常复杂的，各种干扰信息也会通过不同的耦合方式进入传感器，使测量结果偏离准确值，严重时会使传感器不能正常工作，甚至导致传感器的损坏。因此，为保

2、证传感器不受外界干扰，必须要周密地考虑和解决抗干扰问题，认真研究抗干扰技术，把干扰对测量的影响降到最低的程度。,8.1 传感器的补偿技术,8.1.1 非线性误差及补偿 大多数传感器在把物理量转换成电量时，其输出电量与被测物理量之间的关系不是线性的。产生非线性的原因，一方面是由于传感器变换原理的非线性；另一方面是由于转换电路的非线性。同时，传感器具有离散性，还可能产生温漂、滞后等。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，除了对传感器本身在设计和制造工艺上采取一定措施外，还可以利用后部电路对其输入参量进行非线性补偿。,8.1.1 非线性误差及补偿,传感器非线性补偿的方法大体上可划分为硬件非线

3、性补偿和软件非线性补偿两类。1.硬件非线性补偿（1）模拟式线性化器模拟式线性化器的基本思想是将传感器的非线性的特性曲线划分成若干段，每小段的曲线都用直线来近似代替，然后用折线去逼近原来的曲线，再根据各转折点的斜率设计电路。这种方法就是分段直线逼近法，采用这种方法，分段越多，精度越高，但是电路也越复杂。,8.1.1 非线性误差及补偿,1.硬件非线性补偿（1）模拟式线性化器 模拟式线性化电路常用的方法就是利用非线性函数放大器，它的实质就是一种增益不是常数，而与输入成某种函数关系的特殊放大器。,图8-1 K型热电偶非线性补偿电路原理,8.1.1 非线性误差及补偿,1.硬件非线性补偿（1）模拟式线性化

4、器 补偿电路工作过程如下：第一折线段（oe01），因输入电压较低，所以输出电压低于E2、E3，所以D2、D3不导通，反馈电阻为Rf1，此时放大倍数为第二折线段（e01e02），此时e02e01，所以运算放大器的输出电压高于E2，但低于E3，故D2导通，D3不导通，所以反馈电阻为Rf1/Rf2，此时放大倍数为 第三折线段（e02e03），此时e03e02，所以运算放大器的输出电压高于E2、E3，D2、D3均导通，此时除负反馈电阻Rf1/Rf2接入外，正反馈电阻Rf3也接接入，故此时放大倍数为,8.1.1 非线性误差及补偿,1.硬件非线性补偿（2）查表法线性化 查表法线性化方法属于数字线性化。它是

5、将被测信号通过A/D转换后得到的数字量作为EPROM的地址，去选取事先编在EPROM中的数据，而存放在EPROM中的数据才是对应于被测信号的真实数字量。图8-2为查表法线性化硬件原理框图。输入信号Ux经A/D转换后输出的数字量由锁存器锁存，被锁存的数据作为存储器的地址访问EPROM，EPROM相应地址单元中存放的表格数据被取出，经译码后驱动显示器显示出测量结果。,图8-2 查表法线性化硬件框图,8.1.1 非线性误差及补偿,2.软件非线性补偿 采用软件实现数据线性化，常用有三种方法：校正函数法、查表法和插值法。（1）校正函数法在图8-3中，被测物理量x经传感器转换成电信号y，由于传感器的非线性

6、，所以y与x是非线性关系。A/D转换器是一种线性转换，可知Y与x仍是非线性关系。如果有一个非线性函数f,令Z=f(Y)，能够满足Z=kx，即Z与x是线性关系，那么函数f就是该传感器的校正函数。校正函数的运算不是由硬件实现，而是由CPU来完成。,图8-3 校正函数法原理示意图,8.1.1 非线性误差及补偿,2.软件非线性补偿（2）查表法 查表法就是把事先计算好的校正值按一定顺序制成表格，存入内存单元，然后CPU利用查表程序根据被测量的大小查出被校正后的结果。查表程序与制表的方法有关。当表格的排列是任意的，无一定规律或表格较小时，可采用顺序查表法；当表格的排列有一定规律时，可采用计算查表法或对分搜

7、索查表法。在实际测量时，输入参量往往并不正好与表格数据相等，一般介于某两个表格数据之间，若不作插值计算，仍然按其最相近的两个数据所对应的输出数值作为结果，必然有较大的误差。,8.1.1 非线性误差及补偿,2.软件非线性补偿（3）插值法 1）线性插值法 2）二次插值法(又称抛物线法),图8-4线性插值法进行非线性补偿示意图,8.1 传感器的补偿技术,8.1.2 温度误差及补偿一般传感器都是在标准条件的温度下(205)标定的，但其实际工作环境温度可能由零下几十度变到零上几十度，传感器是由多个环节所组成，这些基本环节的静特性与环境温度有关，尤其是由金属材料和半导体材料制成的敏感元件的静特性，更是与温

8、度有密切关系，信号调整电路的电阻、电容、二极管和三极管的特性、集成运放的零点及工作特性等都随温度而变化。,8.1.2 温度误差及补偿,1.温度补偿原理设被测物理量为x，环境温度为T，则传感器的输出y为（8-3）式（8-3）表明，传感器的输出不仅与被测量有关，还与环境温度有关。如果传感器的输出y与被测量x为非线性关系，其函数式为 y=A0(T)+A1(T)x+A2(T)x2+.+An(T)xn（8-4）则传感器的温度灵敏度ST为（8-5）若忽略x的高次项，则ST可简化为（8-6）若要消除温度对传感器的影响，必须满足（8-7）式（8-7）就是传感器的温度补偿条件。,8.1.2 温度误差及补偿,2.

9、温度补偿方法（1）自补偿法自补偿就是利用传感器本身的一些特殊结构来满足传感器的温度补偿条件，已达到消除温度对传感器的影响。组合式温度自补偿应变片就是利用两种不同的电阻丝栅串联制成一个应变片。当温度变化时，两段电阻丝各自产生大小相等、方向相反的电阻增量，从而实现温度的补偿。,8.1.2 温度误差及补偿,2.温度补偿方法（2）电桥温度补偿法根据不平衡电桥输出表达式，得到电桥的温度补偿条件为（8-8）将式（8-8）两边除以T后，得到（8-9）可见，为了达到电桥的温度补偿，电桥四个桥臂电阻在满足桥路平衡条件R1R3=R2R4之外，还应该满足式（8-9）。应变片采用的线路补偿法修正温度误差就是电桥温度补

10、偿法的典型应用。,8.1.2 温度误差及补偿,2.温度补偿方法（3）并联式温度补偿法人为地附加一个温度补偿环节，如图8-5所示。该补偿环节与被补偿环节并行相连，使补偿后的合成输出特性基本不随环境温度而变。图中被补偿部分输出特性为 y=A0(T)+A1(T)x补偿部分输出特性为 y=A0(T)+A1(T)x由图可以得到总输出y1与输入x、温度T的增量表达式y1（8-10）可见，为了达到温度补偿的目的，应按照下列条件选择温度补偿环节的参数（8-11）从式（8-10）可以看出，如果令A1(T)=A1(T)，则测量灵敏度可以提高一倍。,图8-5 并联式温度补偿,8.2 传感器的抗干扰技术,8.2.1

11、干扰的分类1.外部干扰（1）电磁干扰（2）射线辐射干扰（3）光干扰（4）热干扰（5）湿度干扰（6）机械干扰（7）化学干扰,8.2.1 干扰的分类,2.内部干扰（1）元器件干扰 电阻器：电阻工作在额定功率的一半以上时，会产生热噪声；电阻材质较差，则会产生电流噪声；电位器因触点移动产生的滑动噪声；工作在交流信号下的电阻器会呈现电感或电容特性。电容器：没有根据电路要求合理选择型号；忽视电容器的精度；忽视电容器的等效电感；忽略电容器的使用环境温度和湿度等。电感器：忽视了电感线圈的分布电容（线匝之间、线圈与地之间、线圈与屏蔽完之间以及线圈中每层之间）。信号连接器：接触不良，增加了接触阻抗；绝缘电阻不足，

12、产生“爬电”现象；缺乏屏蔽手段，引入电磁干扰；接插件相邻两脚的分布电容过大；接插件的插头与插座之间缺乏固定连接措施；接插件的材质等。,8.2.1 干扰的分类,2.内部干扰（2）电源干扰 导致电源电路产生干扰的因素有：供给该系统的供电线路上有大功率电器的频繁启动、停机；具有容抗或感抗负载的电器运行时对电网的能量回馈；通过变压器的初级、次级线圈之间的分布电容串入的电磁干扰等。,8.2.1 干扰的分类,2.内部干扰（3）信号通道干扰,图8-6 差模干扰等效电路,图8-7 共模干扰等效电路,8.2.1 干扰的分类,2.内部干扰（4）负载干扰 继电器与电磁阀均是开关型动作的执行器件。它们在断开时，电感线

13、圈会产生放电和电弧干扰；闭合时，由于触点的机械抖动，形成脉冲序列干扰。应用晶闸管时所产生的干扰影响有：晶闸管整流装置是电源的非线性负载，它使电源电流中含有许多高次谐波，使电源电压波形产生畸变，影响传感器的正常工作；采用品闸管进行相位控制会增加电源电流的无功分量，降低电源电压，使之在相位调节时出现电源电压波动；晶闸管作为大功率开关器件在触发导通和关断时电流变化剧烈，使干扰通过电源线和空间传播，影响周围的设备的正常工作。,8.2.1 干扰的分类,2.内部干扰（4）负载干扰 继电器与电磁阀均是开关型动作的执行器件。它们在断开时，电感线圈会产生放电和电弧干扰；闭合时，由于触点的机械抖动，形成脉冲序列干

14、扰。应用晶闸管时所产生的干扰影响有：晶闸管整流装置是电源的非线性负载，它使电源电流中含有许多高次谐波，使电源电压波形产生畸变，影响传感器的正常工作；采用品闸管进行相位控制会增加电源电流的无功分量，降低电源电压，使之在相位调节时出现电源电压波动；晶闸管作为大功率开关器件在触发导通和关断时电流变化剧烈，使干扰通过电源线和空间传播，影响周围的设备的正常工作。,8.2 传感器的抗干扰技术,8.2.2 干扰的耦合方式（1）静电耦合 静电耦合又称电场耦合或电容耦合，它是由于各种导线之间、元件之间、线圈之间以及元件与地之间均存在着分布电容，使一个电路的电荷变化影响到另一个电路，从而干扰电压经分布电容通过静电

15、感应耦合于有效信号。图中A为干扰源，B为测量电路，EN为干扰电压，Cm为干扰源与测量电路之间的寄生电容，Zi为测量电路的输入阻抗，UN为Zi上拾到的干扰电压。UN由下式决定（8-1）当（1+jCmZi）1时，式（8-1）可简化为（8-2）,图8-8 静电耦合等效电路,8.2.2 干扰的耦合方式,（2）电磁耦合 电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在互感，使一个电路的电流变化通过互感影响到另一个电路。电磁耦合的等效电路如图8-9所示。图中IN为干扰电流，M为两电感之间的互感，IN造成的干扰电压UN为（8-3）由式（8-3）中可见，UN与干扰电压的角频率、互感M以及干扰电流IN有关。显然，

16、对于电磁耦合干扰，应尽量采取远离干扰源或设法降低M等措施。,图8-9 电磁耦合等效电路,8.2.2 干扰的耦合方式,（3）公共阻抗耦合 共阻抗耦合是由于两个电路间有公共阻抗，当一个电路中有电流流过时，通过共阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。共阻抗耦合主要有电源内阻抗的共阻抗耦合、公共地线的共阻抗耦合以及信号输出电路的共阻抗耦合。图中Zc表示两个电路之间的共有阻抗，IN表示干扰源电流，UN表示被干扰电路的干扰电压，ZL为被干扰电路的负载，UL为电路输出电压。消除共阻抗耦合干扰的核心是消除两个或几个电路之间的公共阻抗。,图8-10 共阻抗耦合等效电路,8.2.2 干扰的耦合方式,（4）漏电耦合 漏

17、电耦合是由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。这种漏电电流对低电平电路造成干扰，其等效电路如图8-11所示。被干扰电路干扰电压UN为（8-4）漏电耦合形成的干扰，通常发生在以下场合：检测较高的直流电压时，被测电压通过绝缘电阻向测量电路的输入电阻漏电；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的输入电阻漏电；有高输入阻抗的直流放大器，由于输入阻抗Zi取值较大，由式（8-4）可知，引入的干扰电压UN就大。,图8-11 漏电耦合等效电路,8.2.2 干扰的耦合方式,（5）辐射电磁场耦合 辐射电磁场通常是由于高频电气设备、广播发射台、电视发射台等在电能量频繁交换产生的。

18、如果在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度的感应电势。配电线特别是架空配电线都将在辐射电磁场中感应出干扰电势，并通过供电线路侵入检测系统的电子装置，造成干扰。（6）传导耦合在信号传输过程中，当导线经过具有噪声的环境时，有用信号就会被噪声污染，并经导线传送到检测系统而造成干扰。最典型的传导耦合就是噪声经电源线传到检测系统中。事实上，经电源线引入检测系统的干扰是非常广泛和严重的。,8.2 传感器的抗干扰技术,8.2.3 抑制干扰的措施把消除或削弱各种干扰影响的全部技术措施，总称为抗干扰技术。抑制干扰主要通过消除或抑制干扰源、破坏干扰途径以及消除被干扰对象对干扰的敏感性等形成干扰的

19、三要素来实现。通常抗干扰技术包括：屏蔽技术、隔离技术、接地技术、滤波技术、电路的合理布局等。,8.2.3 抑制干扰的措施,1.屏蔽技术 屏蔽技术是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。屏蔽一般分为三种：（1）静电屏蔽：用导体做成的屏蔽外壳处于外电场时，由于壳内的场强为零，可使放置其内的电路不受外界电场的干扰。如果将带电体放入接地的导体外壳内，则壳内电场不能穿透到外部。（2）磁场屏蔽：采用高导磁材料作屏蔽层，使外部的磁场的干扰磁通被限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，从而无法对屏蔽体内电路产生干扰。（3）电磁屏蔽：采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产

20、生涡流，利用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响。,8.2.3 抑制干扰的措施,2.接地技术（1）一点接地和多点接地：一般来说，系统内印制电路板接地的基本原则是高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。通常，频率在1MHz以下，可用一点接地；而高于10MHz时，则应多点接地。在1MHz10MHz之间时，如果采用一点接地的方式，其地线长度就不要超过波长的120。否则，应采用多点接地的方式。（2）浮地与接地：多数的系统应接大地，有些特殊的场合，应采用浮地方式。系统的浮地就是将系统的各个部分全都与大地浮置起来，即浮空，其目的是为了阻断干扰电流的通路。（3）模拟地：为了提高抗共模干扰的能力，可采用

21、三线采样双层屏蔽浮地技术。所谓三线采样，就是将地线和信号线一起采样，这样的双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的办法。,8.2.3 抑制干扰的措施,2.接地技术（4）数字地：数字地又称逻辑地，它是数字逻辑电路的零电位。印制板中的数字地线应呈网状，其它布线不要形成环路，特别是不要有环绕外周的环路。印制板中的条状线不要长距离平行，不得已时，应加隔离电极和跨接线或做屏蔽处理。（5）信号地（传感器地）：在检测系统中，传感器是重要的组成部分，一般的传感器输出的信号都比较微弱，传输线长，易受到干扰影响。所以，传感器的信号传输线应当采取屏蔽措施，以减少电磁辐射影响和传导耦合干扰。（6）屏蔽接地：电场屏蔽的目的是解

22、决分布电容的问题，屏蔽的接法根据屏蔽对象的不同也各不相同，一般以接大地的方式来解决。磁场屏蔽主要是为了避免高频电磁场的辐射干扰问题，屏蔽材料要利用低阻金属材料，最好接大地。磁路屏蔽是为防止磁铁、电动机、变压器、线圈等磁感应、磁耦合而采取的抗干扰方法，其屏蔽材料为高导磁材料。磁路屏蔽以封闭式结构为妥，并且接大地。,8.2.3 抑制干扰的措施,3.隔离技术（1）电磁隔离电磁隔离是在两个电路间加一个隔离变压器，变电信号的传输为磁信号的传输，如图8-12所示。电路和电路分别接地，两个地之间存在地电位差Vcm，由于Vcm的存在而形成环路电流，造成共模干扰。图8-12电路中，在电路和电路之间加入隔离变压器

23、后，两电路的地之间 被切断，电路之间的信号以磁的形式传递，从而消除了Vcm的影响。,图8-12 电磁隔离,8.2.3 抑制干扰的措施,3.隔离技术（2）光隔离 光隔离是在两个电路间加一个光电耦合器，变电信号的传输为光信号的传输，如图8-13所示。（3）隔离放大器隔离放大器由输入放大器、信号耦合器件、输出放大器和隔离电源组成。隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟电信号的传递过程中。,图8-13 光电隔离,8.2.3 抑制干扰的措施,4.滤波技术（1）硬件滤波1）电源滤波 对于交流供电电源的高低频干扰分别采用相应的对称型滤波电路来抑制；对于直流电源，为了减小公共电源内阻在电路之间形成的噪声耦合，在电源的输出端加装相应的高低频滤波电路；当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间相互干扰，在每个电路的直流电源进线与地之间加装去耦滤波器。2）信号滤波 根据差模干扰的频率与被测信号频率的分布特性，选用低通、高通或带通滤波器等。滤波器有两种，一是由电阻、电容、电感构成的无源滤波器，二是基于反馈式运算放大器的有源滤波器。,8.2.3 抑制干扰的措施,4.滤波技术（2）软件滤波 1）限幅滤波 2）中值滤波 3）算术平均值滤波 4）滑动平均滤波,