1、第第6章章 传感器应用技术传感器应用技术6.1 传感器的选择传感器的选择6.2 供电电源供电电源6.3 抗干扰技术抗干扰技术6.1 传感器的选择传感器的选择6.1.1 选择传感器时应考虑的因素选择传感器时应考虑的因素（1）与）与测量条件有关测量条件有关的因素：包括测量的目的、被测量的性质、测量范的因素：包括测量的目的、被测量的性质、测量范围、输入信号的幅值、频带宽度、精度要求、测量所需的时间等。围、输入信号的幅值、频带宽度、精度要求、测量所需的时间等。（2）与）与传感器性能有关传感器性能有关的因素：包括静态性能指标、动态性能指标、模的因素：包括静态性能指标、动态性能指标、模拟量与数字量、输出量
2、的数量级、负载效应、过载保护与报警等。拟量与数字量、输出量的数量级、负载效应、过载保护与报警等。（3）与）与使用环境有关使用环境有关的因素：包括传感器的安装场所、使用环境条件的因素：包括传感器的安装场所、使用环境条件（温度、湿度、振动、电磁场等）、信号传输距离、现场提供的功率容量（温度、湿度、振动、电磁场等）、信号传输距离、现场提供的功率容量等。等。（4）与）与购买和维护有关购买和维护有关的因素：包括性价比、零部件的储存、售后服务的因素：包括性价比、零部件的储存、售后服务制度、保修时间与交货日期等。制度、保修时间与交货日期等。6.1.2 选择传感器选择传感器的一般步骤的一般步骤（1）借助于）借
3、助于传感器的分类表传感器的分类表，根据被测量的性质，找出符合用户需要的，根据被测量的性质，找出符合用户需要的传感器类别，再从典型应用中初步确定几种传感器。传感器类别，再从典型应用中初步确定几种传感器。（2）借助于）借助于常用传感器的比较表、价格表常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量范围、精度，按被测量的测量范围、精度要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别。要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别。（3）借助于）借助于传感器的产品目录选型样本或传感器手册传感器的产品目录选型样本或传感器手册，查出传感器的规，查出传感器的规格型号和性能参数及结构尺寸。格型号和性能参数及结构尺寸。6.2 供电
4、电源供电电源6.2.1 电池电池 电池有锰干电池、碱性电池、锂电池和镍镉电池等。电池有锰干电池、碱性电池、锂电池和镍镉电池等。锰干电池锰干电池，价格非常便宜，标称电压为，价格非常便宜，标称电压为1.5 V，电流容量随大小不同，电流容量随大小不同而异，如而异，如SUM3单节电池约为单节电池约为500 mAh。碱性电池碱性电池包括碱性锰电池、水银电池和氧化银电池，容量比锰干电池包括碱性锰电池、水银电池和氧化银电池，容量比锰干电池大，水银电池与氧化银电池在放电过程中其电压变化小，常用于基准电压大，水银电池与氧化银电池在放电过程中其电压变化小，常用于基准电压源等。源等。锂电池锂电池的标称电压为的标称电
5、压为3 V，能量密度也比锰干电池高，能量密度也比锰干电池高510倍，自放电倍，自放电小，可保存小，可保存10年左右。年左右。镍镉电池镍镉电池一般为可充电电池，能进行一般为可充电电池，能进行500次以上的充放电，容量为次以上的充放电，容量为50 mAh10 Ah，标称电压为，标称电压为1.2 V，但市场销售的多为叠层电池，其内阻很，但市场销售的多为叠层电池，其内阻很小，放电电压也比锰干电池稳定。小，放电电压也比锰干电池稳定。6.2.2 稳压电源稳压电源 稳压电源主要由稳压电源主要由变压器、整流电路、滤波电容和稳压电路变压器、整流电路、滤波电容和稳压电路等构成。变等构成。变压器将交流电网压器将交流
6、电网220 V变成合适的交流电压；整流电路将交流电压转换成直变成合适的交流电压；整流电路将交流电压转换成直流电压；滤波电容起滤波作用；稳压电路得到稳定的基准电压。流电压；滤波电容起滤波作用；稳压电路得到稳定的基准电压。下下图所示图所示为骨外固定力测量仪的稳压电源。为骨外固定力测量仪的稳压电源。6.3 抗干扰技术抗干扰技术6.3.1 电磁干扰电磁干扰 在传感器技术中，把来自测控系统内部的无用信号称为噪声，而把来自在传感器技术中，把来自测控系统内部的无用信号称为噪声，而把来自外部的无用信号称为干扰。工程实践中把噪声和干扰总称为外部的无用信号称为干扰。工程实践中把噪声和干扰总称为“干扰干扰”。形成电
7、磁干扰要具备三个要素：向外发送干扰的形成电磁干扰要具备三个要素：向外发送干扰的源源（噪声源）；传播（噪声源）；传播电磁干扰的电磁干扰的途径途径（耦合通道）；承受电磁干扰的（耦合通道）；承受电磁干扰的受体受体（受扰设备）。（受扰设备）。为了使测控系统不受内外电磁干扰，必须采取三方面的措施：为了使测控系统不受内外电磁干扰，必须采取三方面的措施：消除消除或或抑制噪声抑制噪声源源；切断或切断或破坏噪声源与受扰设备之间的耦合破坏噪声源与受扰设备之间的耦合通道通道；加强加强受扰设受扰设备备抗电磁干扰的能力抗电磁干扰的能力，降低其对干扰的敏感度。，降低其对干扰的敏感度。1噪声及噪声源噪声及噪声源信噪比越大，
8、表示噪声的影响越小。信噪比越大，表示噪声的影响越小。常见的噪声源有：各种放电现象的放电噪声源、电气设备噪声源和固常见的噪声源有：各种放电现象的放电噪声源、电气设备噪声源和固有噪声源。固有噪声源是由于物理性的无规则波动所造成的，如热噪声、有噪声源。固有噪声源是由于物理性的无规则波动所造成的，如热噪声、粒散噪声、接触噪声等。自然界雷电、有触点电器、放电管、工业用高频粒散噪声、接触噪声等。自然界雷电、有触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输电线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等都是常见的设备、电力输电线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等都是常见的噪声源。噪声源。2噪声耦合方式噪声耦合方式
9、噪声耦合方式有静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合等，噪声耦合方式有静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合等，如图所示。如图所示。a是由电路间的是由电路间的寄生电容寄生电容造成的造成的b是由电路间的是由电路间的寄生互感寄生互感造成的造成的c是由电路的是由电路的公共阻抗公共阻抗造成的造成的d是由电路间的是由电路间的漏电流漏电流造成的造成的静电耦合静电耦合互感耦合互感耦合 阻抗耦合阻抗耦合 漏电流耦合漏电流耦合6.3.2 屏蔽、接地、隔离、布线与灭弧技术屏蔽、接地、隔离、布线与灭弧技术 在测控系统设计、组装和使用中，主要通过屏蔽、接地、隔离、合理在测控系统设计、组装和使用中，主要通过
10、屏蔽、接地、隔离、合理布线、灭弧、滤波和采用专门电路与器件等措施抑制干扰。布线、灭弧、滤波和采用专门电路与器件等措施抑制干扰。1电磁屏蔽与双绞线传输电磁屏蔽与双绞线传输 电磁屏蔽就是采用高电导率和高磁导率的材料制成封闭容器，将受扰电磁屏蔽就是采用高电导率和高磁导率的材料制成封闭容器，将受扰电路置于该容器中，从而抑制该容器外的干扰对容器内电路的影响。电路置于该容器中，从而抑制该容器外的干扰对容器内电路的影响。（1）电磁屏蔽）电磁屏蔽 屏蔽的结构形式主要有屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料涂料等。屏蔽材料分等。屏蔽材料分电场屏蔽
11、和磁场屏蔽电场屏蔽和磁场屏蔽材料两类。电场屏蔽一般采用电材料两类。电场屏蔽一般采用电导率较高的铜、铝、银等金属材料导率较高的铜、铝、银等金属材料，磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材料（如铁、钴、镍等）料（如铁、钴、镍等）。（2）双绞线传输）双绞线传输 抑制电磁感应干扰应采用双绞线，其中一根作屏蔽线，另一根用作信抑制电磁感应干扰应采用双绞线，其中一根作屏蔽线，另一根用作信号传输线；抑制静电感应采用金属网状编织的屏蔽线，金属网作屏蔽层，号传输线；抑制静电感应采用金属网状编织的屏蔽线，金属网作屏蔽层，芯线用于传输信号。双绞线对外来磁场干扰引起的感应电流情况如图所示。芯线
12、用于传输信号。双绞线对外来磁场干扰引起的感应电流情况如图所示。（3）屏蔽线与屏蔽电缆）屏蔽线与屏蔽电缆 屏蔽线是在单股导线的绝缘层外罩以金属编织网或金属薄膜（屏蔽层）屏蔽线是在单股导线的绝缘层外罩以金属编织网或金属薄膜（屏蔽层）构成。屏蔽电缆是将几根绝缘导线合成一束再罩以屏蔽层构成。屏蔽层一构成。屏蔽电缆是将几根绝缘导线合成一束再罩以屏蔽层构成。屏蔽层一般接地，使其信号线不受外部电器干扰的影响。需要注意的是，屏蔽层接般接地，使其信号线不受外部电器干扰的影响。需要注意的是，屏蔽层接地应严格遵守一点接地的原则，以免产生地线环路而使信号线中的干扰增地应严格遵守一点接地的原则，以免产生地线环路而使信号
13、线中的干扰增加。加。2接地技术接地技术 接地通常有两种含义：一是连接到接地通常有两种含义：一是连接到系统基准地系统基准地，二是，二是连接到大地连接到大地。连。连接到系统基准地是指系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属地板或接到系统基准地是指系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属地板或金属外壳连接，但并不连接到大地；而连接到大地是指将电气设备的金属金属外壳连接，但并不连接到大地；而连接到大地是指将电气设备的金属地板或金属外壳通过低阻抗导体与大地连接。地板或金属外壳通过低阻抗导体与大地连接。（1）共基准电位接地）共基准电位接地 测控系统中的基准电位是各电路工作的参考电位，参考电位通常选为测控系
14、统中的基准电位是各电路工作的参考电位，参考电位通常选为电路中直流电源的零电位端。参考电位与大地的连接方式主要有直接接地、电路中直流电源的零电位端。参考电位与大地的连接方式主要有直接接地、悬浮接地、一点接地等悬浮接地、一点接地等。直接接地适用于高速、高频和大规模的测控系统。直接接地适用于高速、高频和大规模的测控系统。一点接地适用于低频测控系统，可分为串联接地和并联接地两种方式，一点接地适用于低频测控系统，可分为串联接地和并联接地两种方式，如图所示如图所示。（a）串联接地方式）串联接地方式 （b）并联接地方式）并联接地方式 悬浮接地简称浮地，即系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属悬浮接地简称浮
15、地，即系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属地板或金属外壳连接，并作为系统各电路的参考电位（零电位）。悬浮接地板或金属外壳连接，并作为系统各电路的参考电位（零电位）。悬浮接地的优点是不受大地电流的影响，内部器件也不会因高电压感应而击穿，地的优点是不受大地电流的影响，内部器件也不会因高电压感应而击穿，但在高压情况下要注意操作安全问题。但在高压情况下要注意操作安全问题。（2）抑制干扰接地）抑制干扰接地 电气设备的某些部分与大地相连接可以起到抑制干扰的作用。从连接电气设备的某些部分与大地相连接可以起到抑制干扰的作用。从连接方式上讲，抑制干扰接地又可分为部分接地、一点接地与多点接地、直接方式上讲，抑
16、制干扰接地又可分为部分接地、一点接地与多点接地、直接接地与悬浮接地等类型。接地与悬浮接地等类型。（3）安全保护接地）安全保护接地 将电气设备的金属地板或金属外壳与大地连接，可消除触电危险。进将电气设备的金属地板或金属外壳与大地连接，可消除触电危险。进行安全接地连接时，必须确保较小的接地电阻和可靠的连接方式，防止日行安全接地连接时，必须确保较小的接地电阻和可靠的连接方式，防止日久失效。此外，要确保独立接地，即将接地线通过专门的低阻抗导线与最久失效。此外，要确保独立接地，即将接地线通过专门的低阻抗导线与最近处的大地连接。近处的大地连接。3隔离技术隔离技术 隔离技术就是把电路上的干扰源和易受干扰的部
17、分隔离开，使测控系统隔离技术就是把电路上的干扰源和易受干扰的部分隔离开，使测控系统与现场仅保持信号联系，不产生直接的电联系。隔离的实质是把引入的干扰与现场仅保持信号联系，不产生直接的电联系。隔离的实质是把引入的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控系统与现场干扰之间、强电通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控系统与现场干扰之间、强电与弱电之间常采用的隔离方法有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。与弱电之间常采用的隔离方法有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。测控系统中器件布局、走线方式、连接导线的种类、线径的粗细、线测控系统中器件布局、走线方式、连接导线的种类、线径的粗细、线间距离
18、、导线长短、屏蔽方式及分布对称性都与抑制干扰有关。对于印制间距离、导线长短、屏蔽方式及分布对称性都与抑制干扰有关。对于印制电路板上的器件布局，原则上应将相互有关的器件相对集中。对于印制电电路板上的器件布局，原则上应将相互有关的器件相对集中。对于印制电路板上的布线，应注意降低电源线和地线的阻抗。电路板间配线在使用扁路板上的布线，应注意降低电源线和地线的阻抗。电路板间配线在使用扁平电缆时要注意其长度一般不应超过传输信号波长的平电缆时要注意其长度一般不应超过传输信号波长的1/3。4布线布线5灭弧技术灭弧技术 为消除或减小为消除或减小接通或断开电感性负载接通或断开电感性负载产生的瞬时高电压所带来的干扰
19、，产生的瞬时高电压所带来的干扰，需要在电感性负载上并联各种吸收浪涌电压（或浪涌电流）并抑制电弧或需要在电感性负载上并联各种吸收浪涌电压（或浪涌电流）并抑制电弧或火花放电的元器件。通常将这些元器件称为灭弧元件，与此有关的技术称火花放电的元器件。通常将这些元器件称为灭弧元件，与此有关的技术称为灭弧技术。常用的灭弧元件有为灭弧技术。常用的灭弧元件有RC回路、泄放二极管回路、泄放二极管、硅堆整流器、硅堆整流器、压、压敏电阻敏电阻、雪崩二极管、雪崩二极管 等，其连接电路如图所示。等，其连接电路如图所示。6.3.3 电源干扰抑制技术电源干扰抑制技术1电网干扰抑制技术电网干扰抑制技术 抑制电网干扰的措施可采
20、用线路滤波器、切断噪声变压器等。线路滤抑制电网干扰的措施可采用线路滤波器、切断噪声变压器等。线路滤波器实质上是一个交流电源滤波器，如图所示。波器实质上是一个交流电源滤波器，如图所示。切断噪声变压器（切断噪声变压器（Noise Cutout Transformer，NCT）的结构、铁芯材）的结构、铁芯材料、形状以及线圈位置都比较特殊，可以切断高频干扰磁通，使之不能感料、形状以及线圈位置都比较特殊，可以切断高频干扰磁通，使之不能感应到次级绕组，这样既能切断共模干扰，又能切断差模干扰。应到次级绕组，这样既能切断共模干扰，又能切断差模干扰。2直流电源干扰抑制技术直流电源干扰抑制技术 在测控系统中直流电源一般为几个电路所共用，为了避免通过电源内在测控系统中直流电源一般为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻引起几个电路之间相互干扰，应在每个电路的直流电源上采用阻引起几个电路之间相互干扰，应在每个电路的直流电源上采用RC或或LC滤波器，如图所示。图中滤波器，如图所示。图中C1、C3、C5、C7为电解电容，为电解电容，C2、C4、C6、C8为陶瓷电容。为陶瓷电容。
