北航傳感器原理6

1、傳感器技術傳感器技術及及應用應用傳感器的特性（三）傳感器的特性（三）李李成成2013.03.282013.03.28 思考題思考題1(1(第第2 2講：傳感器的特性講：傳感器的特性) )1 1. .主要靜態(tài)主要靜態(tài)性能指標：線性度性能指標：線性度? ?2 2. .求解線性度的參考直線？求解線性度的參考直線？課程回顧：課程回顧：3 3. . 主要靜態(tài)性能指標主要靜態(tài)性能指標：遲滯？：遲滯？School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci.

2、 & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法p 敏感機理敏感機理p 器件缺陷器件缺陷p 轉換電路（電、熱、磁轉換電路（電、熱、磁）School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.光電位置探測器是一種能測量光點在探測器表面上連續(xù)位置的光學探測器。 當入射光點落在器件感光面的不同位置時，PSD 將對應輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點在 PSD 的位置。入射光點的強度和尺寸大小對 PSD 的位置輸出信號均無關。PSD 的位置輸出只與入射光點的“重心”

3、位置有關。 PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點的一維位置坐標，二維PSD可測光點的平面位置坐標。 PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成，P型層在表面，N型層在底面，I層在中間。落在PSD上的入射光轉換成光電子后由P型兩端電極輸出光電流I1和I2。因電荷通過的P型層是一均勻的電阻，所以光電流與光的入射點到電極間的距離成反比。2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.6當光束入射到PSD器件光敏層上距中心點的距離為xA時，在入射位置上產生與入

4、射輻射成正比的信號電荷，此電荷形成的光電流通過電阻p型層分別由電極1與2輸出。設p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過n型層上電極的電流I0為I1和I2之和。 I0= I1+I2 PSDPSD器件結構示意圖器件結構示意圖LIIIIx12122.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.PSDPSD測量旋轉軸振動測量旋轉軸振動PSDPSD測量旋轉軸的振動示意圖測量旋轉軸的振動示意圖2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪

5、聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.PSDPSD測量三軸坐標測量三軸坐標2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.PSDPSD與與CCDCCDPSD利用進入光接收元件光接收元件的整個光點的光量分布的整個光點的光量分布來測定光點中心，并將其確定為目標物位置。但光量分布受目標物表面狀況的影響，造成測量偏差。CCD 檢測每個像素上光每個像素上光 點的光量分布點的光量分布峰值峰值，并其確定為目標物位置。

6、光光接收元件上的光點光量分布接收元件上的光點光量分布2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法p 被測對象動態(tài)（多干擾因素耦合）、不一致性被測對象動態(tài)（多干擾因素耦合）、不一致性p 機械噪聲、熱噪聲、電磁噪聲、特殊應用機械噪聲、熱噪聲、電磁噪聲、特殊應用p 機械配合、電路連接、儀器屏蔽機械配合、電路連接、儀器屏蔽School of Instru. Sci. & Opto-electro. En

7、g.外部噪聲耦合外部噪聲耦合的途徑的途徑耦合通道傳導耦合經公共阻抗耦合電場和磁場耦合電容性耦合電感性耦合2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.平行導線容性耦合平行導線容性耦合若導線2為信號端，與放大器輸入端相連，那么便構成敏感電路。由容性耦合形成的對敏感電路的干擾，在不考慮C1時為：電容電容性耦合性耦合增

8、大R，減小C2121()ssj CuujCCR2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.抑制容性耦合常用的方法：抑制容性耦合常用的方法：(1)提高輸入阻抗R(2)采用屏蔽導線(需減小干擾源導線和屏蔽伸出導線間耦合電容)(3)在印制電路板內破壞電容耦合最關鍵的部位，是處在前置級的第一個運放；(4)減小共模干擾在運放的兩輸入管腳處布一圈地線進行屏蔽2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. &

9、Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器的信噪比，是表示傳感器檢測微弱信號能力的一種評價指標，指的是傳感器接收的被信號量與噪聲量的比值。通常用信噪比（記為S/N或SNR）作為信號與噪聲強度的比率評價指價。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法p 差動法、相關法、解調法差動法、相關法、解調法p 傳感器的選擇傳感器的選擇p 增強增強傳感器檢測系統(tǒng)中的信號傳輸能力傳感器檢測系統(tǒng)中的信號傳輸能力p 噪聲

10、濾波技術噪聲濾波技術p 隨機信號處理技術隨機信號處理技術p 同頻噪聲處理技術同頻噪聲處理技術 1 1）選擇高信噪比頻段；）選擇高信噪比頻段； 2 2）高信噪比的）高信噪比的特征參數，人工智能信號提取特征參數，人工智能信號提取School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.抑制抑制電磁場干擾的主要方法電磁場干擾的主要方法n合理接地n電磁屏蔽n其它措施即嚴格遵守電磁兼容性(electro-magnetic compatibility, EMC)原則，實現不互相干擾、協(xié)調共同工作的設計考慮2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改

11、善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.合理合理接地接地n合理接地是抑制電場干擾的最好方法n原則：正確的一點接地n三方面考慮n儀器供電系統(tǒng)的安全接地，即保護接地n所設計的電路系統(tǒng)的工作接地n輸入回路或敏感回路的接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.(1)安全接地安全接地n220V、50Hz交流電供電交流電供電必須有接大地的引線端必須有接大地的引線端將機器外殼和電源地都接入大地將機器外殼和電源地都接入大地n

12、數臺設備情況數臺設備情況n一點并聯(lián)接地，避免各設備單獨接地或串聯(lián)接地一點并聯(lián)接地，避免各設備單獨接地或串聯(lián)接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.(2)工作接地工作接地n指電子設備系統(tǒng)的各個電路部分其接地也應遵循一點接地原則n保持各電路同參考零電位(否則將引起工頻干擾的加劇)n對于高頻電路n由于輻射性強，要求各引線盡可能短n優(yōu)先考慮引線短，再考慮一點接地n對于低頻電路 （常見情況）n首先考慮一點接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善

13、方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.(3)敏感回路的接地敏感回路的接地n輸入回路的一點接地原則n從電極到前置放大器一般有大于1m的屏蔽電纜n信號源一側的地與后面放大器的地電位不可能完全相等n造成兩點接地不滿足一點接地將造成很大干擾如何抑制？如何抑制？2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n信號源與地隔離原則2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instr

14、u. Sci. & Opto-electro. Eng.n屏蔽線、屏蔽罩的一點接地屏蔽線和屏蔽罩如果不接地或接地不良，特別是內部裝有前置放大器的屏蔽罩不接地，可能根本無法工作2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.電磁場電磁場屏蔽屏蔽n在測量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，以屏蔽從其它區(qū)域傳播來在測量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，以屏蔽從其它區(qū)域傳播來的電場或磁場輻射干擾的電場或磁場輻射干擾n各單元部件或整個系統(tǒng)都可進行屏蔽各單元部件或整個系統(tǒng)都可進行屏蔽n全

15、屏蔽、局部屏蔽全屏蔽、局部屏蔽n高頻電磁場屏蔽高頻電磁場屏蔽n原理：渦流反磁場作用原理：渦流反磁場作用n材料：高電導率材料材料：高電導率材料n厚度：沒有要求，滿足機械強度厚度：沒有要求，滿足機械強度n接地：需要接地，防止靜電積累接地：需要接地，防止靜電積累n低頻電磁場屏蔽低頻電磁場屏蔽n原理：將干擾磁通限制在低磁阻屏蔽層內，使其不進原理：將干擾磁通限制在低磁阻屏蔽層內，使其不進 入工作區(qū)內入工作區(qū)內n材料：高磁導率材料材料：高磁導率材料n厚度：應具有足夠的厚度以減小磁阻，可采用兩層或厚度：應具有足夠的厚度以減小磁阻，可采用兩層或 多層結構多層結構n接地：良好接地接地：良好接地2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生及其改善方法School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.屏蔽驅動消除寄生電容2.5 2.5 傳感器噪聲的產生及其改善方法傳感器噪聲的產生