第12章传感器的选择与使用精.ppt

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1、第第12章传感器的选择章传感器的选择与使用与使用2023/2/19第1页，本讲稿共55页 在科学研究的许多领域以及各种测量的关键环节，在科学研究的许多领域以及各种测量的关键环节，传感器已经成为非常重要的器件，有时甚至是起决定传感器已经成为非常重要的器件，有时甚至是起决定性作用的器件。传感器产品日新月异，应用越来越广性作用的器件。传感器产品日新月异，应用越来越广泛。因此在学习传感器的基本原理和特性的同时，有泛。因此在学习传感器的基本原理和特性的同时，有必要学习如何合理使用和选择传感器。必要学习如何合理使用和选择传感器。2023/2/19第2页，本讲稿共55页 由于传感器的研制和发展非常快，各种各

2、样的传由于传感器的研制和发展非常快，各种各样的传感器应运而生，对传感器的选择就变得更加灵活。对感器应运而生，对传感器的选择就变得更加灵活。对于同一种类的被测物理量，可以选用多种不同的传感于同一种类的被测物理量，可以选用多种不同的传感器。为了选择最适合于测试目的的传感器，一般来说，器。为了选择最适合于测试目的的传感器，一般来说，应注意如下事项：应注意如下事项：12.1 传感器的正确选择传感器的正确选择 2023/2/19第3页，本讲稿共55页1.与测量条件有关的事项与测量条件有关的事项包包括括测测量量的的目目的的；被被测测试试量量的的选选择择；测测量量范范围围；输输入入信信号号的的最最大大值值；

3、频频带带宽宽度度；指指标标要要求求；测测量量所所需需要的时间等。要的时间等。2.与传感器有关的事项与传感器有关的事项其其中中有有静静态态特特性性指指标标；动动态态特特性性指指标标；模模拟拟量量还还是是数数字字量量；输输出出量量及及其其数数量量级级；被被测测物物体体产产生生的的负负载载效应；校正周期；超标准过大的输入信号的保护等。效应；校正周期；超标准过大的输入信号的保护等。2023/2/19第4页，本讲稿共55页3.与使用条件有关的事项与使用条件有关的事项 包包括括传传感感器器的的设设置置场场所所；环环境境条条件件（温温度度、湿湿度度、振振动动等等）；测测量量时时间间；与与其其它它设设备备的的

4、连连接接及及距距离离；所所需功率容量等。需功率容量等。4.与购买和维护有关的事项与购买和维护有关的事项包包括括性性能能价价格格比比；零零配配件件的的储储备备；售售后后服服务务与与维维修制度、保修时间；交货日期等。修制度、保修时间；交货日期等。2023/2/19第5页，本讲稿共55页 虽虽然然选选择择传传感感器器时时要要考考虑虑的的事事项项很很多多，但但无无需需满满足足所所有有的的事事项项要要求求，应应根根据据实实际际使使用用的的目目的的、指指标标、环环境境等等，有有不不同的侧重点。同的侧重点。例例如如，长长时时间间连连续续使使用用的的传传感感器器，就就必必须须重重视视经经得得起起时时间考验等间

5、考验等长期稳定性长期稳定性问题；问题；对对机机械械加加工工或或化化学学分分析析等等时时间间比比较较短短的的工工序序过过程程，则则需需要要灵敏度和动态特性较好灵敏度和动态特性较好的传感器。的传感器。为为了了提提高高测测量量精精度度，应应注注意意以以平平常常使使用用时时的的显显示示值值要要在在满刻度的满刻度的50%左右来选择测定范围或刻度范围。左右来选择测定范围或刻度范围。选选择择传传感感器器的的响响应应速速度度，目目的的是是适适应应输输入入信信号号的的频频带带宽宽度，从而提高信噪比。度，从而提高信噪比。2023/2/19第6页，本讲稿共55页 此外，还要此外，还要合理选择设置场所合理选择设置场所

6、，注意，注意安装方法安装方法，了解传，了解传感器的感器的外形尺寸、重量外形尺寸、重量等；注意从传感器的工作原理出发，等；注意从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的分析被测物体中可能会产生的负载效应负载效应等问题，以确定选择等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。哪一种传感器最合适。如某如某油田注水机房油田注水机房为确保电机安全运行，需在几台电机为确保电机安全运行，需在几台电机上设置上设置30个测温点，测温范围是个测温点，测温范围是12100，环境恶劣，且，环境恶劣，且传感器与测试、处理电路之间引线长。能用于测温的传感器传感器与测试、处理电路之间引线长。能用于测温的传感器有多种类型，本

7、门课程介绍过的就有四五类。经过查阅资料，有多种类型，本门课程介绍过的就有四五类。经过查阅资料，反复思考，对比各传感器的特性参量，否定了热电偶及其它反复思考，对比各传感器的特性参量，否定了热电偶及其它电阻丝传感器，采用了电阻丝传感器，采用了铂电阻传感器铂电阻传感器。其原因如下：。其原因如下：铂丝的纯度可做到铂丝的纯度可做到99.999%或更高；或更高；铂电阻可以测低温（铂电阻可以测低温（-20060）、）、中温（中温（0350）及）及高温（高温（0500）；）；2023/2/19第7页，本讲稿共55页铂丝的直径范围为铂丝的直径范围为0.030.1mm，应用于，应用于500 以下以下时测温精度高于

8、热电偶式传感器；时测温精度高于热电偶式传感器；在温度小于在温度小于200时，铂电阻的非线性系数小于时，铂电阻的非线性系数小于0.3%;便于在恶劣环境下设计、安装等。经实际使用，满足便于在恶劣环境下设计、安装等。经实际使用，满足用户要求。用户要求。2023/2/19第8页，本讲稿共55页12.2 传感器的合理使用传感器的合理使用1.线性化及补偿线性化及补偿传传感感器器使使用用中中的的一一个个问问题题就就是是线线性性化化及及补补偿偿。线线性性化化及及补补偿偿就就是是在在使使用用传传感感器器进进行行实实际际测测量量时时，要要进进行行下下述述两两种种处处理。理。第一种处理是第一种处理是对传感器的输入对

9、传感器的输入-输出特性进行补偿，也输出特性进行补偿，也称线性化处理。称线性化处理。一般说来，对测量的数值进行显示、记录时，应该采用一般说来，对测量的数值进行显示、记录时，应该采用能够直读的形式能够直读的形式。如果某测量系统所显示的数值还要由读取。如果某测量系统所显示的数值还要由读取的人乘以某个修正系数，或者进行补偿计算之后才能获得真的人乘以某个修正系数，或者进行补偿计算之后才能获得真值时，那么，这个系统就没有什么实用价值了。这里问题的值时，那么，这个系统就没有什么实用价值了。这里问题的关键在于传感器的输入关键在于传感器的输入-输出特性。输出特性。2023/2/19第9页，本讲稿共55页图图12

10、.1示出了实际传感器的几种典型输入示出了实际传感器的几种典型输入-输出特性曲线。输出特性曲线。图图12.1 实际传感器的几种典型输入实际传感器的几种典型输入-输出特性曲线输出特性曲线 2023/2/19第10页，本讲稿共55页 图图12.1(a)是是通通过过原原点点的的线线性性特特性性曲曲线线，它它可可算算是是最最完完善善的的特特性性，但但为为了了将将显显示示值值转转换换成成能能直直读读的的真真值值，还还必必须须在在输输出出值值上上乘乘以以系系数数进进行行系系数补偿。数补偿。图图12.1(b)也也是是相相当当好好的的不不通通过过原原点点的的线线性性特特性性曲曲线线，对对它它除了要进行系数补偿之

11、外，同时还要进行减除了要进行系数补偿之外，同时还要进行减B处理。处理。2023/2/19第11页，本讲稿共55页 图图12.1（c）是是最最简简单单的的平平方方特特性性曲曲线线，也也需需进进行行开开方方处处理理和系数补偿。和系数补偿。图图12.1(d)为最简单的指数特性曲线，这时需进行对为最简单的指数特性曲线，这时需进行对数转换处理。数转换处理。2023/2/19第12页，本讲稿共55页 除此之外，还有其它各种特性（对数特性、除此之外，还有其它各种特性（对数特性、1x特特性及非函数特性等）的传感器，对这些传感器也必须进性及非函数特性等）的传感器，对这些传感器也必须进行相应的处理。行相应的处理。

12、当微处理机技术还没有引入传感器时，这种处理是当微处理机技术还没有引入传感器时，这种处理是依靠模拟电路采取具有与传感器特性相反特性的元件，依靠模拟电路采取具有与传感器特性相反特性的元件，用硬件的方法来实现用硬件的方法来实现的。例如，在具有指数特性的传感的。例如，在具有指数特性的传感器上配上对数变换器，如图器上配上对数变换器，如图12.2所示。所示。2023/2/19第13页，本讲稿共55页图图12.2 一种线性化处理电路一种线性化处理电路 图图12.2中的对数变换器采用了两个运算放大器和两只参数中的对数变换器采用了两个运算放大器和两只参数相同的三极管，同时具有很好的温度补偿作用。相同的三极管，同

13、时具有很好的温度补偿作用。2023/2/19第14页，本讲稿共55页 式式中中:，为为温温度度的的电电压压当当量量，在在常常温温下下（300 K），UT26mV；R3可可选选合合适适的的热热敏敏电电阻阻，以以补补偿偿UT的的温温度度系系数数。C1、C2用用 来来 进进 行行 相相 位位 补补 偿偿。若若 E=10V，R1=10k，R2=100k，R4=15k，R3=1k，UT=0.416 V，则：，则：不难证明：不难证明：传感器的输入与经过变换后的输出变成了线性的关系。传感器的输入与经过变换后的输出变成了线性的关系。2023/2/19第15页，本讲稿共55页式式中中：T为为被被测测温温度度（K

14、）；Rt、R0是是被被测测温温度度分分别别为为T和和T0时时的的热热敏敏电电阻阻值值；B是是热热敏敏电电阻阻的的材材料料常常数数。热热敏敏电电阻阻的的这这种种特特性性，使使其其实实际际使使用用起起来来很很不不方方便便。人人们们为为解解决决热热敏敏电电阻阻的的线线性性问问题题想想了了不不少少办办法法，其其中中最最常常用用的的方方法法是是将将热热敏敏电电阻阻与与温温度度系系数数可可忽忽略略的的固固定定电阻串（并）联组成线性网络电阻串（并）联组成线性网络。又又如如应应用用广广泛泛的的热热敏敏元元件件半半导导体体热热敏敏电电阻阻，它它的的电电阻阻-温温度度特特性性是是非非线线性性的的。NTC型型热热敏

15、敏电电阻阻的的电电阻阻-温温度关系可表示为：度关系可表示为：2023/2/19第16页，本讲稿共55页适适当当选选取取阻阻值值可可以以在在一一定定的的温温度度区区域域内内得得到到近近似似线线性性变变化化的的电电压压或或电电阻阻输输出出。计计算算和和实实验验均均已已证证明明，图图12.3所所示示线线性性网网络络的的线线性性范范围围相相当当宽宽，且且计计算算网网络络参参数数的的公公式式也也十十分分简简单单，因因而而比比较较实实用用。武武汉汉仪仪器器仪仪表表研研究究所所使使用用热热敏敏电电阻阻和和片片状状线线绕绕式式氯氯化化锂锂湿湿敏敏电电阻阻构构成成的的WSL-T型型线线性性温温（湿湿）度度传传感

16、感器器，其其输输出出特特性性也也是是基基于于这这种种无无源线性方法获得的。源线性方法获得的。图图12.3 热敏电阻线性化网络热敏电阻线性化网络 2023/2/19第17页，本讲稿共55页这这种种处处理理方方法法的的优优点点是是方方便便、直直观观；缺缺点点是是有有时时线线路路复复杂杂，特特别别是是要要得得到到非非常常合合适适的的特特性性较较麻麻烦烦，且且常常常常要要增增加加附附加开销，进行补偿。加开销，进行补偿。在采用微处理机的测量系统中或智能传感器中，这种线在采用微处理机的测量系统中或智能传感器中，这种线性化处理可以变得非常简便，而性化处理可以变得非常简便，而这种处理几乎都是通过软件这种处理几

17、乎都是通过软件来实现的来实现的。1、可将传感器输入、输出之间的关系数值，修正、集合构成、可将传感器输入、输出之间的关系数值，修正、集合构成可查找的表格可查找的表格，借助软件查找测量结果；，借助软件查找测量结果；2、可把传感器的测量范围划分成若干段，然后在每个分段内、可把传感器的测量范围划分成若干段，然后在每个分段内进行进行线性插值线性插值或或抛物线插值抛物线插值，通过程序计算，求出测量结果；，通过程序计算，求出测量结果；3、可进行、可进行曲线拟合修正曲线拟合修正，使传感器的非线性误差趋于最小的，使传感器的非线性误差趋于最小的程度。程度。2023/2/19第18页，本讲稿共55页 第第二二种种处

18、处理理是是在在传传感感器器的的输输出出量量中中包包含含有有被被测测物物理理量量以外的因素时以外的因素时，为校正这些因素的影响而进行的处理。，为校正这些因素的影响而进行的处理。例例如如，在在温温度度变变化化范范围围较较大大的的系系统统中中测测量量畸畸变变时时，就就不不能能忽忽略略由由于于温温度度变变化化引引起起的的畸畸变变传传感感器器输输出出值值的的变变化化。这这时时，可可在在畸畸变变传传感感器器上上或或同同一一温温度度场场内内再再加加一一个个温温度度传传感感器器来来测测量量温温度度，根根据据测测得得的的温温度度值值对对畸畸变变传传感感器器的的输输出出值值进进行行校校正正处处理理。有有效效地地使

19、使用用这这种种处处理理，就就会会得得到到如如同同使使用万用表测量电阻之前先调一下零点一样的效果。用万用表测量电阻之前先调一下零点一样的效果。人人们们所所熟熟悉悉的的应应变变式式传传感感器器的的应应变变片片温温度度补补偿偿，就就是是这这种种处处理理的的典典型型例例子子。应应变变片片通通常常采采用用电电桥桥补补偿偿法法和和自自补补偿法偿法对温度进行补偿。对温度进行补偿。2023/2/19第19页，本讲稿共55页电桥补偿法电桥补偿法，就是在测量时，在被测试件上安装工作，就是在测量时，在被测试件上安装工作片，而在另一个不受力的、与测试件材料相同的补偿件片，而在另一个不受力的、与测试件材料相同的补偿件上

20、安装一个补偿片，使其与被测试件处于完全相同的温上安装一个补偿片，使其与被测试件处于完全相同的温度场内，然后再把两者接入电桥的度场内，然后再把两者接入电桥的相邻臂相邻臂上。上。自补偿法自补偿法则是制造时则是制造时在同一基片上在同一基片上用两种合金丝做成用两种合金丝做成一个工作片一个工作片和和一个补偿片一个补偿片，以便使用时分别接入测量电，以便使用时分别接入测量电桥的桥的相邻两臂相邻两臂，或严格选择敏感栅材料的电阻温度系数，或严格选择敏感栅材料的电阻温度系数和线膨胀系数，使之在特定线膨胀系数的试件上使用时，和线膨胀系数，使之在特定线膨胀系数的试件上使用时，温度误差为零温度误差为零，从而达到温度补偿

21、的目的。，从而达到温度补偿的目的。2023/2/19第20页，本讲稿共55页传感器的非线性、工作环境温度、湿度、振动等变化传感器的非线性、工作环境温度、湿度、振动等变化引起的误差，在实际中常常是互相关联的，不能分割成引起的误差，在实际中常常是互相关联的，不能分割成互相独立的函数互相独立的函数。在采用微处理机的测量系统中或智能。在采用微处理机的测量系统中或智能传感器中，可综合考虑。传感器中，可综合考虑。可可将传感器的输出作为一个多变量的函数来研究将传感器的输出作为一个多变量的函数来研究，即：，即：Z=f(x；y1，yn)。式中，。式中，Z为传感器的输出；为传感器的输出；x为传感器为传感器的输入；

22、的输入；y1，y2，yn为环境参量，如温度、湿度、振为环境参量，如温度、湿度、振动等。如果只考虑环境温度的影响，可将智能传感器的动等。如果只考虑环境温度的影响，可将智能传感器的输出当作二元函数来对待，采用二元线性插值法对测量输出当作二元函数来对待，采用二元线性插值法对测量值进行综合修正。值进行综合修正。2023/2/19第21页，本讲稿共55页2.传感器的定标传感器的定标 传传感感器器的的定定标标是是指指在在明明确确输输入入和和输输出出的的变变换换对对应应关关系系的的前提下，利用某种标准或标准器具，对传感器进行标定前提下，利用某种标准或标准器具，对传感器进行标定。在在传传感感器器使使用用前前对

23、对其其进进行行定定标标以以后后，在在使使用用过过程程中中还还要要定定期期进进行行检检查查，确确认认精精度度及及性性能能是是否否满满足足所所制制定定的的标标准准。传传感感器器的的定定标标依依据据不不同同的的传传感感器器而而有有所所差差异异，但但基基本本方方法法是是一一致的。现以晶体管温度传感器为例来说明。致的。现以晶体管温度传感器为例来说明。要使温度传感器的输出（如电压、电流或频率等电学量）要使温度传感器的输出（如电压、电流或频率等电学量）直接表示温度，就必须对传感器进行定标。由于晶体管温度直接表示温度，就必须对传感器进行定标。由于晶体管温度传感器的输出具有传感器的输出具有很好的温度线性很好的温

24、度线性，因而，因而原则上只要做两点原则上只要做两点定标即可定标即可。因为对于线性函数，只要已知两点就可以把这条。因为对于线性函数，只要已知两点就可以把这条直线确定下来。直线确定下来。2023/2/19第22页，本讲稿共55页实际上通过实际上通过两点定标就确定了传感器的零点和标两点定标就确定了传感器的零点和标尺因子（即灵敏度），尺因子（即灵敏度），于是传感器的输出将直接表示于是传感器的输出将直接表示温度数值。由于晶体管温度传感器和其它传感器一样，温度数值。由于晶体管温度传感器和其它传感器一样，具有非线性，虽可进行线性化及补偿，但不可能达到具有非线性，虽可进行线性化及补偿，但不可能达到完全理想的线

25、性。完全理想的线性。为了减小传感器的非线性误差，两个定标点温度为了减小传感器的非线性误差，两个定标点温度不应靠得太近，而应选大体上与工作温度范围的上、不应靠得太近，而应选大体上与工作温度范围的上、下限和中点等距离的两点。下限和中点等距离的两点。2023/2/19第23页，本讲稿共55页考考虑虑到到晶晶体体管管温温度度传传感感器器的的实实际际工工作作温温度度范范围围，经经常常选选用用的的定定标标温温度度有有水水的的冰冰点点0（273.15 K）、沸沸点点(从从1990年年1月月1日日起起，国国际际度度量量衡衡委委员员会会已已将将水水的的沸沸点点确确定定为为99.975)100（373.15 K）

26、和）和室温室温（300 K）。）。例例如如要要想想得得到到摄摄氏氏温温度度输输出出，首首先先就就要要在在0做做零零点点定定标标。通通常常是是调调节节一一个个电电位位器器，以以改改变变起起补补偿偿作作用用的的偏偏置置电电压压，使使传传感感器器的的输输出出为为零零。接接着着要要做做灵灵敏敏度度定定标标，即即在在100 时时调调另另一一个个电电位位器器，改改变变输输出出放放大大器器的的增增益益，使使输输出出电电压压的的读读数数等等于于设设计计的的灵灵敏敏度度值值乘乘以以100。例例如如，输输出出电电压压为为1000 mV时，传感器的灵敏度被确定为时，传感器的灵敏度被确定为10mV。2023/2/19

27、第24页，本讲稿共55页12.2.3 电磁兼容问题电磁兼容问题 电磁兼容性电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)。根据国际电工委员会的定义，根据国际电工委员会的定义，电磁兼容电磁兼容即即“设备或设备或者系统在其电磁环境中能够正常工作且不对环境中其他任者系统在其电磁环境中能够正常工作且不对环境中其他任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力何事物构成不能承受的电磁干扰的能力”。随着微电子、信息技术、现代通信等高新技术的飞随着微电子、信息技术、现代通信等高新技术的飞速发展和广泛应用，电磁兼容已成为人类迫切关注和需要速发展和广泛应用，电磁兼容已成为人类迫切关注和需

28、要解决的一个重要的技术问题，解决的一个重要的技术问题，EMC认证认证已成为今后发展已成为今后发展的趋势。的趋势。2023/2/19第25页，本讲稿共55页 电磁兼容性设计要求可用电磁兼容性设计要求可用“电磁兼容性不等式电磁兼容性不等式”来描来描述，即：述，即：干扰源强度干扰源强度*传播衰减因子传播衰减因子设备抗干扰能力设备抗干扰能力 式中的三个因素可以分别或同时采取措施，使不等式中的三个因素可以分别或同时采取措施，使不等式成立。式成立。电磁兼容性设计就是要减小不等式左边两个因电磁兼容性设计就是要减小不等式左边两个因子，提高不等式右边子，提高不等式右边“设备抗干扰能力设备抗干扰能力”(即降低设备

29、对即降低设备对于扰的敏感度于扰的敏感度)，使效果最佳并且代价最小。，使效果最佳并且代价最小。2023/2/19第26页，本讲稿共55页 1电磁噪声与电磁干扰电磁噪声与电磁干扰 电磁噪声是指不带任何信息，即与任何信号无关电磁噪声是指不带任何信息，即与任何信号无关的电磁现象。在射频频段内的电磁噪声称为无线电噪的电磁现象。在射频频段内的电磁噪声称为无线电噪声，它是由机电或者其他人为装置产生的电磁现象，声，它是由机电或者其他人为装置产生的电磁现象，称为称为人为噪声人为噪声；来源于自然现象的噪声称为；来源于自然现象的噪声称为自然噪声自然噪声。电磁干扰是指任何能中断、阻碍、降低或者限制电磁干扰是指任何能中

30、断、阻碍、降低或者限制电子设备的有效性能的电磁能量。电子设备的有效性能的电磁能量。2023/2/19第27页，本讲稿共55页 2电磁干扰的三要素和传播途径电磁干扰的三要素和传播途径 所有电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的：所有电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的：电电磁干扰源磁干扰源、敏感设备敏感设备和和耦合通道耦合通道。电磁干扰源是指任何产生电磁干扰的元件、器件、设备、电磁干扰源是指任何产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。分系统、系统或自然现象。干扰源分为内部干扰源和外部干干扰源分为内部干扰源和外部干扰源扰源。内部干扰源内部干扰源是设备装置内部和器件本身是设备装置内

31、部和器件本身(如印制电路板上如印制电路板上)产生的干扰源；产生的干扰源；外部干扰源外部干扰源主要有自然干扰和人为干扰，主要有自然干扰和人为干扰，自然干扰自然干扰有大有大气干扰、宇宙干扰和雷电干扰等，气干扰、宇宙干扰和雷电干扰等，人为干扰人为干扰又可以分为有意又可以分为有意发射干扰和无意发射干扰。广播、通信、雷达等属于有意发发射干扰和无意发射干扰。广播、通信、雷达等属于有意发射干扰，而输电线、电器设备、点火系统等则属于无意发射射干扰，而输电线、电器设备、点火系统等则属于无意发射干扰。干扰。2023/2/19第28页，本讲稿共55页 耦合途径耦合途径(或称传输通道或称传输通道)是指将电磁干扰能量传

32、输是指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的耦合通道。到受干扰设备的耦合通道。耦合方式一般以耦合方式一般以传导传导和和辐射辐射两两种方式传输，但是因为电磁环境十分复杂，因此实际的干种方式传输，但是因为电磁环境十分复杂，因此实际的干扰往往是复合情况。扰往往是复合情况。沿电源线或信号线传输的电磁耦合称为传导耦合沿电源线或信号线传输的电磁耦合称为传导耦合，即电磁能量沿着导线传输到其他设备和单元电路而造成的即电磁能量沿着导线传输到其他设备和单元电路而造成的干扰。其中包括沿电源线传导的电磁干扰、通过公共电源干扰。其中包括沿电源线传导的电磁干扰、通过公共电源内阻的耦合和通过公共地阻抗的耦合。内阻的耦合和通过公共

33、地阻抗的耦合。辐射耦合是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。辐射耦合是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。干扰源的周围空间可划为两个区域：紧靠干扰源的区域称干扰源的周围空间可划为两个区域：紧靠干扰源的区域称为近场区或为近场区或感应场区感应场区；距离大于；距离大于2的区域称为远场区的区域称为远场区或或辐射场区辐射场区。在感应场区，在感应场区，辐射耦合分为电容耦合和电感耦合两辐射耦合分为电容耦合和电感耦合两种形式。种形式。2023/2/19第29页，本讲稿共55页 3电磁兼容性电磁兼容性 电磁兼容电磁兼容是指电子、电气设备或者系统的一种工是指电子、电气设备或者系统的一种工作状态。在这种状态下，它们不因

34、为内部或者彼此间作状态。在这种状态下，它们不因为内部或者彼此间存在的电磁干扰而影响其正常工作。存在的电磁干扰而影响其正常工作。电磁兼容性电磁兼容性则是指电子、电气设备或者系统在预期则是指电子、电气设备或者系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力。它是电子、的电磁环境中按设计要求正常工作的能力。它是电子、电气设备或者系统的一种重要的技术性能。电气设备或者系统的一种重要的技术性能。2023/2/19第30页，本讲稿共55页 电磁兼容性电磁兼容性包括以下几个方面包括以下几个方面的含义的含义：(1)设备或者系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力，并设备或者系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力，并且有一定的

35、安全余量，即它不会因受到处于同一电磁环境且有一定的安全余量，即它不会因受到处于同一电磁环境中其他设备或者系统发射的电磁干扰而产生不允许的工作中其他设备或者系统发射的电磁干扰而产生不允许的工作性能的降低。性能的降低。(2)设备或者系统不产生超过规定限度的电磁干扰，即设备或者系统不产生超过规定限度的电磁干扰，即它不会产生处于同一电磁环境中其他设备或者系统出现超它不会产生处于同一电磁环境中其他设备或者系统出现超过规定的工作性能降低的电磁干扰。过规定的工作性能降低的电磁干扰。(3)电子设备可按设计的技术要求完成其预定功能使命。电子设备可按设计的技术要求完成其预定功能使命。2023/2/19第31页，本

36、讲稿共55页 4电磁兼容控制技术电磁兼容控制技术 电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、主动预防、整体规划、对抗和疏导整体规划、对抗和疏导等相结合的方针。等相结合的方针。首先电磁兼容性控制是一项系统过程，应该在设备和首先电磁兼容性控制是一项系统过程，应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分地予系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分地予以考虑和实施才可能有效。以考虑和实施才可能有效。科学而先进的电磁兼容工程管科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分理是有效控制技术的重要组成部分。在控制方法上，除了采用众所周知的

37、在控制方法上，除了采用众所周知的抑制干扰传播的抑制干扰传播的技术技术(如屏蔽、接地、搭接、合理布线等如屏蔽、接地、搭接、合理布线等)以外，还可以采以外，还可以采取取回避和疏导回避和疏导技术，如空间方位分离、频率划分、回避、技术，如空间方位分离、频率划分、回避、滤波、吸收和旁路等。滤波、吸收和旁路等。2023/2/19第32页，本讲稿共55页12.2.4.抗干扰技术抗干扰技术 在在电电子子测测量量过过程程中中，为为了了能能使使系系统统正正常常工工作作，采采用用抗抗干干扰扰技技术术是是非非常常必必要要的的，而而对对使使用用微微弱弱信信号号的的传传感感器器测测量量系系统统，抗干扰技术显得更加突出。抗

38、干扰技术显得更加突出。任任一一传传感感器器的的输输出出中中总总不不可可避避免免地地混混杂杂着着各各种种干干扰扰和和噪噪声声，它它们们来来自自系系统统的的外外部部和和内内部部。来来自自外外部部的的干干扰扰有有市市电电干干扰扰、温温度度变变化化、机机械械振振动动、电电磁磁感感应应与与辐辐射射等等，来来自自内内部部的的噪声噪声有热运动产生的白噪声、表面状态引起的闪烁噪声等。有热运动产生的白噪声、表面状态引起的闪烁噪声等。这这里里只只讨讨论论对对外外部部干干扰扰采采用用的的屏屏蔽蔽、接接地地、浮浮置置、滤滤波波等措施。等措施。2023/2/19第33页，本讲稿共55页1）屏蔽技术屏蔽技术人们将防止静电

39、的或电磁的相互感应所采用的各项措人们将防止静电的或电磁的相互感应所采用的各项措施称之为施称之为“屏蔽屏蔽”。如：利用低阻材料铜或铝制成的容器，如：利用低阻材料铜或铝制成的容器，将需要防护的部分包起来，或者用导磁性良好的铁磁材料将需要防护的部分包起来，或者用导磁性良好的铁磁材料制成的容器，将需要防护的部分包起来。制成的容器，将需要防护的部分包起来。屏蔽的目的就是隔断屏蔽的目的就是隔断“场场”的耦合，也就是说，屏蔽的耦合，也就是说，屏蔽主要是抑制各种场的干扰主要是抑制各种场的干扰。屏蔽可分为以下几类。屏蔽可分为以下几类。（1）静静电电屏屏蔽蔽：由由静静电电学学知知道道，处处于于静静电电平平衡衡状状

40、态态下下的的导导体体内内部部，各各点点等等电电位位，即即导导体体内内部部无无电电力力线线。利利用用金金属属导导体体的的这这一一性性质质，并并加加上上接接地地措措施施，则则静静电电场场的的电电力力线线就在接地的金属导体处中断，就在接地的金属导体处中断，起到隔离电场的作用起到隔离电场的作用。2023/2/19第34页，本讲稿共55页静静电电屏屏蔽蔽能能防防止止静静电电场场的的影影响响，用用它它可可消消除除或或削削弱弱两两电电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。在在电电源源变变压压器器的的原原边边与与副副边边绕绕组组之之间间插插入入一一个个梳梳齿齿形形导导

41、体体，并并将将它它接接地地，以以此此来来防防止止两两绕绕组组间间的的静静电电耦耦合合，就就是是静电屏蔽的范例。静电屏蔽的范例。在在传传感感器器有有关关电电路路布布线线时时，如如果果在在两两导导线线之之间间敷敷设设一一条接地导线，则两导线之间的静电耦合将明显减弱条接地导线，则两导线之间的静电耦合将明显减弱。若若将将具具有有静静电电耦耦合合的的两两个个导导体体，在在间间隔隔保保持持不不变变的的条条件下靠近大地，其耦合也将减弱。件下靠近大地，其耦合也将减弱。2023/2/19第35页，本讲稿共55页 （2）电磁屏蔽）电磁屏蔽：是指采用导电良好的金属材料做成：是指采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用

42、高频电磁场对屏蔽金属的作用，在屏蔽屏蔽层，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。磁场的影响，从而达到屏蔽的效果。一般所谓的屏蔽多数是指电磁屏蔽。一般所谓的屏蔽多数是指电磁屏蔽。电磁屏蔽主电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，其对低频磁场干扰的要用来防止高频电磁场的影响，其对低频磁场干扰的屏蔽效果是非常小的。屏蔽效果是非常小的。2023/2/19第36页，本讲稿共55页基基于于涡涡流流反反磁磁场场作作用用的的电电磁磁屏屏蔽蔽，在在原原理理上上与与屏屏蔽蔽体体是是否否接接地地

43、无无关关，但但在在一一般般应应用用时时，屏屏蔽蔽体体都都是是接接地地的的，这这样样又又同时起到静电屏蔽作用。同时起到静电屏蔽作用。电电磁磁屏屏蔽蔽依依靠靠涡涡流流产产生生作作用用，因因此此必必须须用用良良导导体体如如铜铜、铝等做屏蔽层。铝等做屏蔽层。考考虑虑到到高高频频集集肤肤效效应应，高高频频涡涡流流仅仅流流过过屏屏蔽蔽层层的的表表面面一一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度就可以了。层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度就可以了。当当必必须须在在屏屏蔽蔽层层上上开开孔孔或或开开槽槽时时，必必须须注注意意孔孔和和槽槽的的位位置置与与方方向向应应不不影影响响或或尽尽量量少少影影响响涡涡流流的的途

44、途径径，以以免免影影响响屏屏蔽蔽效果。效果。2023/2/19第37页，本讲稿共55页（3）低低频频磁磁屏屏蔽蔽。电电磁磁屏屏蔽蔽对对低低频频磁磁通通干干扰扰的的屏屏蔽蔽效效果果是是很很差差的的，因因此此当当存存在在低低频频磁磁通通干干扰扰时时，要要采采用用高高导导磁磁材材料料作作屏屏蔽蔽层层，以以便便将将干干扰扰磁磁通通限限制制在在磁磁阻阻很很小小的的磁磁屏屏蔽蔽体的内部，防止其干扰作用。体的内部，防止其干扰作用。为为了了有有效效地地进进行行低低频频磁磁屏屏蔽蔽，屏屏蔽蔽层层材材料料要要选选用用诸诸如如坡坡莫莫合合金金之之类类对对低低磁磁通通密密度度有有高高导导磁磁率率的的铁铁磁磁材材料料，

45、同同时时要有一定的厚度，以减小磁阻。要有一定的厚度，以减小磁阻。2023/2/19第38页，本讲稿共55页图图12.4 驱动屏蔽驱动屏蔽（4）驱驱动动屏屏蔽蔽就就是是用用被被屏屏蔽蔽导导体体的的电电位位，通通过过1:1电电压压跟跟随随器器来驱动屏蔽层导体的电位，其原理如图来驱动屏蔽层导体的电位，其原理如图12.4所示。所示。驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当高质量的线性集成电驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当高质量的线性集成电路出现以后，这种屏蔽才达到了真正实用阶段。路出现以后，这种屏蔽才达到了真正实用阶段。2023/

46、2/19第39页，本讲稿共55页在实际使用传感器时，应准确判断是在实际使用传感器时，应准确判断是静电耦合干扰、高静电耦合干扰、高频电磁场干扰、低频磁通干扰，频电磁场干扰、低频磁通干扰，还是还是寄生电容干扰，针对不寄生电容干扰，针对不同的干扰，采用不同的屏蔽对策。同的干扰，采用不同的屏蔽对策。同时，同时，要根据不同类型的要根据不同类型的传感器，采用不同的屏蔽措施。传感器，采用不同的屏蔽措施。例如，为了克服寄生电容的干扰，对一般传感器必须将例如，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

47、，该屏蔽线要与壳体相连，且屏蔽线屏蔽层应良好用屏蔽线，该屏蔽线要与壳体相连，且屏蔽线屏蔽层应良好接地。接地。2023/2/19第40页，本讲稿共55页2）接地接地 接接地地是是一一种种技技术术措措施施，它它起起源源于于强强电电技技术术。对对于于强强电电，由由于于电电压压高高，功功率率大大，容容易易危危及及人人身身安安全全，为为此此有有必必要要将将电电网网的的零零线线和和各各种种电电气气设设备备的的外外壳壳通通过过接接地地导导线线与与大大地地相相连连，使之与地等电位，以保证人身和设备的安全。使之与地等电位，以保证人身和设备的安全。传传感感器器外外壳壳或或导导线线屏屏蔽蔽层层等等接接大大地地是是着

48、着眼眼于于静静电电屏屏蔽蔽的的需需要要，即即通通过过接接大大地地给给高高频频干干扰扰电电压压形形成成低低阻阻通通路路，以以防防止止其其对对传传感感器器的的干干扰扰。由由于于习习惯惯的的原原因因，在在电电子子技技术术中中把把电电信信号号的的基基准准电电位位点点也也称称之之为为“地地”，因因此此，在在传传感感器器测测量量系系统统中中的的接接地地，一一般般就就是是指指接接电电信信号号的的基基准准电电位位。通通常常，有有如如下几种地线下几种地线:2023/2/19第41页，本讲稿共55页（1）保保护护接接地地线线。出出于于安安全全防防护护的的目目的的将将电电子子测测量量装装置置的的外壳屏蔽层接地用的地

49、线叫作保护接地线。外壳屏蔽层接地用的地线叫作保护接地线。（2）信信号号地地线线。电电子子装装置置中中的的地地线线，除除特特别别说说明明接接大大地地的的以以外外，一一般般都都是是指指作作为为电电信信号号的的基基准准电电位位的的信信号号地地线线。电电子子装装置置的的接接地地是是涉涉及及抑抑制制干干扰扰、保保证证电电路路工工作作性性能能稳稳定定、可可靠靠的的关关键键问问题题。信信号号地地线线既既是是各各级级电电路路中中静静、动动态态电电流流的的通通道道，又又是是各各级级电电路路通通过过某某些些共共同同的的接接地地阻阻抗抗而而相相互互耦耦合合，从从而而引引起内部干扰的薄弱环节起内部干扰的薄弱环节。信号

50、地线又可分为两种：信号地线又可分为两种：2023/2/19第42页，本讲稿共55页一种是一种是模拟信号地线模拟信号地线（AGND），它是模拟信号），它是模拟信号的零信号电位公共线。的零信号电位公共线。另一种另一种是数字信号地线（是数字信号地线（DGND），），它是数字信号它是数字信号的零电平公共线。数字信号处于脉冲工作状态，动态的零电平公共线。数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压，即使脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压，即使尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度，但对于尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度，但对于微弱的模拟信号来说，往往已成为严重的干扰