Xie_第二章(3)_傳感器應(yīng)用基礎(chǔ)

1、主 講：謝 榕武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院Email: 第二章第二章 傳感及傳感基礎(chǔ)傳感及傳感基礎(chǔ)（3 3） 傳感器的應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器的應(yīng)用基礎(chǔ) 傳感器的誤差與信噪比 噪聲及其抑制 傳感器中的抗干擾措施 改善傳感器性能的技術(shù)途徑內(nèi)容提要： 測量概述 量值的傳遞與溯源 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)主要內(nèi)容主要內(nèi)容傳感及傳感器基礎(chǔ)傳感器基本原理傳感器設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)現(xiàn)代傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)的綜合應(yīng)用傳感基礎(chǔ)傳感器的理論基礎(chǔ)傳感器的應(yīng)用基礎(chǔ)電容傳感器磁電傳感器光電傳感器傳感器接口技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器數(shù)據(jù)融合智能傳感器電阻傳感器電感傳感器壓電傳感器1.1.測量概述測量概述l 測量誤差的基本概念l 測量精度l 測量的基本

2、方法l 測量系統(tǒng) l 測量以確定被測量值為目的的一系列操作，是對客觀事物取得定量認(rèn)識的手段。l 要使測量有用，測量必須是可靠的。任何測量結(jié)果都有誤差！任何測量結(jié)果都有誤差！ l 真值真值：在觀測一個(gè)量時(shí)，該量本身所具有的真實(shí)大小，它是一個(gè)理想的概念，一般是不知道的。測量誤差的基本概念測量誤差的基本概念l 測量誤差測量誤差：測得值與被測量的真值之間的差值0=100%xxx絕對誤差相對誤差E真值=示值誤差引用誤差測量范圍上限其中，示值誤差儀器儀表某一刻度點(diǎn)的誤差絕對誤差：絕對誤差：某量值的測得值和真值之差相對誤差相對誤差：絕對誤差與被測值的真值之比，通常以%表示引用誤差引用誤差：簡化和使用方便的儀

3、器儀表表示值的相對誤差絕對誤差x = 測得值x - 真值x0測量誤差x = 被測量的測得值x - 真值x0測量誤差反映測量質(zhì)量的好壞，可用絕對誤差和相對誤差表示。l 測量裝置誤差測量裝置誤差：由測量裝置產(chǎn)生的測量誤差 傳感器和儀器儀表誤差（設(shè)計(jì)、制造誤差等） 標(biāo)準(zhǔn)件誤差（標(biāo)準(zhǔn)量塊、標(biāo)準(zhǔn)線紋尺、標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)砝碼等） 附件誤差l 測量方法誤差測量方法誤差：由于測量方法不完善或測量依據(jù)的理論公式本身的近似性所引起的誤差。l 環(huán)境誤差環(huán)境誤差：由于各種環(huán)境因素（如溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)、照明等）與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致而引起的測量裝置和被測量本身的變化所引起的誤差。l 人員誤差人員誤差：測量

4、人員因工作疲勞、固有習(xí)慣、技術(shù)能力等因素引起的誤差。 視差 估讀誤差 調(diào)整誤差測量誤差的來源測量誤差的來源l 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差 在同一條件下，多次重復(fù)測量同一量時(shí)，誤差的大小和符號保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差。 原因：檢測裝置本身在使用中變形、未調(diào)到理想狀態(tài)、電源電壓下降 恒定性，可用特定方法來消除或減小l 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差 同一測量條件下，多次測量同一量值時(shí)，絕對值和符號以不可預(yù)訂方式變化的誤差。 原因：溫度波動(dòng)、測量力變化、測量器具傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不穩(wěn)、視差等 隨機(jī)性，可通過多次測量來減小l 粗大誤差粗大誤差 明顯超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差 原因：讀數(shù)錯(cuò)誤、溫度的突然大幅度變動(dòng)、記錄錯(cuò)誤、測量操作

5、不細(xì)心測量誤差的分類測量誤差的分類l 測量精度：反映測量結(jié)果與真值接近程度的量。l 測量精度一詞細(xì)分為精密度精密度，準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度和精確度精確度。 精密度：表示重復(fù)測量所得數(shù)據(jù)的相互接近程 度（離散程度）。 準(zhǔn)確度：表示測量數(shù)據(jù)的平均值與真值的接近 程度。 精確度：對測量數(shù)據(jù)的精密度和準(zhǔn)確度的綜合 評定。測量精度測量精度l 實(shí)驗(yàn)測量中， 精密度高的、準(zhǔn)確度不一定高 準(zhǔn)確度高的，精密度不一定高 但精確度高的，則精密度和準(zhǔn)確度都高。測量精度測量精度以打靶為例來比較說明精密度、準(zhǔn)確度、精確度三者之間的關(guān)系。圖中靶心為射擊目標(biāo)，相當(dāng)于真值真值，每次測量測量相當(dāng)于一次射擊。 （a）準(zhǔn)確度高、 （b）精密度

6、高、 （c）精密度 精密度低 準(zhǔn)確度低 準(zhǔn)確度均高 l 客觀存在的系統(tǒng)誤差以某種概率分布存在于某個(gè)區(qū)域內(nèi)，該概率分布具有分散性。測量不確定度可說明被測量之值分散性的參數(shù)。l 測量不確定度測量不確定度：對測量結(jié)果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度，是定量說明測量結(jié)果質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。l 測量不確定度與誤差的區(qū)別測量不確定度與誤差的區(qū)別： 誤差：測量結(jié)果與真值之差，測量誤差是一個(gè)理想概念。 測量不確定度：對測量值不能肯定程度的分散性參數(shù)。測量不確定度測量不確定度測量的基本方法測量的基本方法直接測量間接測量接觸測量非接觸測量用萬用表測量電阻測量直流電路的功率用玻璃管水銀溫度計(jì)測量溫度用光學(xué)高溫計(jì)測溫

7、用游標(biāo)卡尺測量軸類直徑用激光掃描法測量外徑用氣動(dòng)測頭測量直徑提問：如何測量某塊金屬的質(zhì)量？ 用天平儀器來測量，天平就是一種測量質(zhì)量的方法。 測量方法是人們認(rèn)識自然界事物的一種手段。單項(xiàng)測量綜合測量靜態(tài)測量動(dòng)態(tài)測量用激光干涉儀對建筑物的緩慢沉降進(jìn)行長期監(jiān)測用光導(dǎo)維陀螺儀測量火箭的飛行速度用測量器具測得螺紋的中徑、半角、螺距用螺紋量規(guī)的通端檢測螺紋測量的基本方法測量的基本方法絕對測量相對測量用標(biāo)準(zhǔn)砝碼稱量物體的重量已知被測電池與已知標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢差值，獲得被測電池的電動(dòng)勢l 直接測量直接測量：用標(biāo)定好的儀器進(jìn)行測量能直接得到測量結(jié)果直接得到測量結(jié)果的方法。l 間接測量間接測量：通過直接測量與被測

8、量的確定函數(shù)關(guān)系確定函數(shù)關(guān)系求得被測量的方法。l 接觸測量接觸測量：傳感器或測量器具的敏感元件在一定的測量力作用下，與被測物體直接接觸與被測物體直接接觸的測量法。l 非接觸測量非接觸測量：傳感器或測量器具的敏感元件與被測對象不發(fā)生機(jī)械不發(fā)生機(jī)械接觸接觸的測量。l 絕對測量絕對測量：將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量直接進(jìn)行比較直接進(jìn)行比較而得到結(jié)果的測量。l 相對測量相對測量：將被測量同與它只有微小差別的同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較進(jìn)行比較得出被測量值的測量方法，又稱為比較法測量比較法測量。l 等精度測等精度測量：在相同的測量條件相同的測量條件（如測量儀器設(shè)備、測量人員、測量方法、測量次數(shù)、測量環(huán)境條件）下的測量。l 不

9、等精度測量不等精度測量：在不同的測量條件不同的測量條件下的測量。l 單項(xiàng)測量單項(xiàng)測量：對多參數(shù)的被測件的單項(xiàng)參數(shù)單項(xiàng)參數(shù)所進(jìn)行的測量。l 綜合測量綜合測量：對被測件的綜合參數(shù)綜合參數(shù)或者綜合影響綜合影響進(jìn)行的測量。l 靜態(tài)測量靜態(tài)測量：在測量期間其量值是恒定的量的測量，被測量不隨時(shí)間不隨時(shí)間發(fā)生變化發(fā)生變化。l 動(dòng)態(tài)測量動(dòng)態(tài)測量：為確定隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化的被測量瞬時(shí)值而進(jìn)行的測量。l 被動(dòng)測量被動(dòng)測量：產(chǎn)品加工完成加工完成后的測量。l 主動(dòng)測量主動(dòng)測量：正在加工正在加工過程中的測量，通過測得值的反饋控制加工過程。l 用于特定測量目的，有全套測量儀器和有關(guān)的其它設(shè)備組合起來所形成的整體。l 測

10、量系統(tǒng)的組成測量系統(tǒng)的組成 測量信息傳感級 信號調(diào)理級 讀出記錄級測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)l 第一級（測量信息傳感級）第一級（測量信息傳感級） 包括傳感器、敏感元件或裝置、測量頭等。 主要功能 檢測和敏感被測量。 輸入被測量，輸出電學(xué)模擬量。 理想情況下，只敏感被測量，而對任何其他可能輸入不敏感。l 第二級（信號調(diào)理級）第二級（信號調(diào)理級） 調(diào)理傳感所得測量信號，將測量傳感所得信號進(jìn)行整理，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于最后一級使用的形式。 增加信號的幅值、能量，轉(zhuǎn)換信號形式（如脈沖、微分、積分、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換等） 信號傳輸（遙感、遙測、分布式測量等） 濾除噪聲（選擇性濾波、剔除各種干擾信號）l 第三級（讀出記錄級

11、）第三級（讀出記錄級） 測量系統(tǒng)的輸出級，把測量所得信息顯示或記錄打印。 根據(jù)需要可顯示結(jié)果，或打印記錄 數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)（處理器、控制器）采集，作進(jìn)一步處理或控制某一對象。Fig. 測速系統(tǒng)示意圖用來消除干擾雜訊，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。系統(tǒng)的輸出為輸入離散信號的積分，可看做是一個(gè)低通濾波器。l 量值的概念l 量值的傳遞l 量值的溯源l 量值傳遞與量值溯源的區(qū)別2.2.量值的傳遞與溯源量值的傳遞與溯源測量過程需要一個(gè)比較的基準(zhǔn)，如何獲得測量結(jié)果的可信程度？測量標(biāo)準(zhǔn)量l 測量測量：將被測量同已知量相比較，以確定被測量與選定單位的比值。l 量量：現(xiàn)象、物體或物質(zhì)的可以定性區(qū)別和定量確

12、定的一種屬性。 計(jì)量學(xué)中的量是可以測量的量。l 量值量值：測量的比值同測量單位結(jié)合在一起。量值的概念量值的概念l 量值傳遞量值傳遞：將國家計(jì)量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位量量值，通過檢定（或其它傳遞方式）傳遞給下一等級的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并依次逐級傳遞到工作計(jì)量器具，以保證被計(jì)量的對象的量值準(zhǔn)確一致。量值的傳遞量值的傳遞Fig. 中國量值傳遞體系圖l 量值傳遞體系量值傳遞體系：國家根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理，分工協(xié)作的原則，以城市為中心，就地就近組織的量值傳遞網(wǎng)。l 量值的溯源量值的溯源：通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果或測量標(biāo)準(zhǔn)的值能夠與規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)（通常是國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或國際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)）聯(lián)系起來的特性

13、。l 量值溯源體系量值溯源體系量值的溯源量值的溯源Fig.中國量值溯源體系圖l 量值的溯源和量值的傳遞是兩個(gè)互逆的過程。l 量值的溯源是自下而上的活動(dòng)，帶有主動(dòng)性；量值的傳遞是自上而下的活動(dòng)，帶有強(qiáng)制性。量值傳遞與量值溯源的區(qū)別量值傳遞與量值溯源的區(qū)別3.3.傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)l 標(biāo)定和校準(zhǔn) l 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定l 傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定 l 標(biāo)定標(biāo)定：新研制或生產(chǎn)制作的傳感器需利用已知基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器對其技術(shù)性能進(jìn)行全面的檢定和定度，建立輸出量與輸入量之間的關(guān)系，并確定基本的靜、動(dòng)態(tài)特性（靈敏度、重復(fù)性、非線性、遲滯、精度和固有頻率等），利用標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器性能進(jìn)行定度的過程稱為標(biāo)定

14、。l 校準(zhǔn)校準(zhǔn)：傳感器使用一段時(shí)間以后或經(jīng)過修理，需要利用標(biāo)準(zhǔn)器具對其性能指標(biāo)重新進(jìn)行確認(rèn)，看其是否可以繼續(xù)使用或仍符合原先技術(shù)指標(biāo)所規(guī)定的要求，該性能復(fù)測過程稱為校準(zhǔn)。l 標(biāo)定與校準(zhǔn)的區(qū)別： 標(biāo)定在制造傳感器時(shí)進(jìn)行；校準(zhǔn)在過程中進(jìn)行的。 標(biāo)定必須采用基準(zhǔn)或精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行；校準(zhǔn)可使用同等精度的同類合格傳感器。標(biāo)定和校準(zhǔn)的概念標(biāo)定和校準(zhǔn)的概念傳感器產(chǎn)品標(biāo)定遵照國家計(jì)量法，保證量值的準(zhǔn)確傳遞，確保標(biāo)定結(jié)果的合法性和準(zhǔn)確性。量值傳遞體系由國家根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理、分工協(xié)作的原則，以城市為中心，就地就近組織量值傳遞網(wǎng)，確保為量值的準(zhǔn)確傳遞。提倡國際量值溯源體系保證各種物理量量值的一致準(zhǔn)確。傳感器標(biāo)定原

15、則傳感器標(biāo)定原則l 傳感器標(biāo)定的基本方法傳感器標(biāo)定的基本方法： 利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或裝置產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)量作為輸入量輸入到待標(biāo)定的傳感器。 再將得到的傳感器輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，得到一系列的標(biāo)定數(shù)據(jù)或曲線。傳感器標(biāo)定的基本方法與傳感器標(biāo)定的基本方法與傳感器標(biāo)定傳感器標(biāo)定系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成l 傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)： 被測量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器 被測量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng) 待標(biāo)定傳感器所配置的信號檢測設(shè)備l 標(biāo)定的實(shí)質(zhì)：標(biāo)定的實(shí)質(zhì)：待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。l 靜態(tài)標(biāo)定的目的靜態(tài)標(biāo)定的目的：確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，通過試驗(yàn)找到傳感器輸出-輸入實(shí)際特性曲線。 傳感器的靜態(tài)指標(biāo)：線性度、靈敏度

16、、滯后、重復(fù)性等。l 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 沒有加速度、振動(dòng)、沖擊 環(huán)境溫度一般為室溫、相對濕度不大于85，大氣壓力為（101.38）Kpal 精度等級的確定精度等級的確定 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 我國工業(yè)儀表等級分為0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七個(gè)等級，標(biāo)志在儀表刻度標(biāo)尺或銘牌上。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定l 靜態(tài)標(biāo)定的方法步驟靜態(tài)標(biāo)定的方法步驟Step 1：連接傳感器、檢測設(shè)備，搭建標(biāo)定系統(tǒng)。Step 2：將傳感器測量范圍分成若干等分點(diǎn)。Step 3：根據(jù)量程分點(diǎn)，由小到大依次輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值，直至量程滿為止。S

17、tep 4：按照Step 3的分點(diǎn)，測試并記錄反行程輸入值與對應(yīng)輸出值。Step 5：按Step 3 、 Step 4過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)多次測試，得到輸出輸入測試數(shù)據(jù)表或輸出輸入曲線。Step 6：對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理，得到被測傳感器的線性度、滯后、重復(fù)性、靈敏度等靜態(tài)特性指標(biāo)。Step 7：對量程、分辨力等余下指標(biāo)按要求進(jìn)行標(biāo)定。 例：某測溫傳感器的測量范圍為01000C，根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過7 C，應(yīng)如何選擇傳感器的精度等級才能滿足以上要求？解：根據(jù)工藝要求，傳感器的精度應(yīng)滿足：此精度介于0.5級和1.0級之間，若選擇精度等級為1.0級的傳感器，其允許的

18、最大絕對誤差為10 C，這就超過了工藝要求的允許誤差，故應(yīng)選擇0.5級的精度才能滿足工藝要求。根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時(shí)，儀表的精度等級值應(yīng)不大于工藝要求所計(jì)算的精度值。l 動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的：檢驗(yàn)、測試傳感器動(dòng)態(tài)特性。通過實(shí)驗(yàn)得到傳感器動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的具體數(shù)值。 傳感器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)：一階傳感器（時(shí)間常數(shù)）、二階傳感器（固有頻率n、阻尼比）等。l 對傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，需對它輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號。l 傳感器的動(dòng)態(tài)特性用傳遞函數(shù)描述。 已知傳遞函數(shù)，可知傳感器的階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性。 傳感器動(dòng)態(tài)特性的測試實(shí)質(zhì)是確定傳感器傳遞函數(shù)。l 兩種激勵(lì)方式 階躍信號響應(yīng)法 正弦信號響應(yīng)（頻率

19、響應(yīng)）法傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定 一階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定 二階傳感器阻尼比和固有頻率0的確定xbyadtdya001/)/exp(1 )(tkAty2)(/ln/11ym22011mdtl 階躍信號響應(yīng)法階躍信號響應(yīng)法其中，k-靜態(tài)靈敏度，k=b0/a0 A-幅值 -時(shí)間常數(shù)， =a1/a0一般都設(shè)計(jì)成=0.70.8的欠阻尼系統(tǒng)其中，d-曲線振蕩頻率，y()-穩(wěn)態(tài)值 m-最大超調(diào)量， tm-發(fā)生時(shí)間Fig. 一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)Fig. 二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng) 一階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定將一階傳感器的頻率特性曲線繪成伯德圖，對數(shù)幅頻曲線下降3dB所測取的角頻率=1/，由此確定一階傳感器的時(shí)間

20、常數(shù)。 二階傳感器阻尼比和固有頻率0的確定l 正弦信號響應(yīng)法正弦信號響應(yīng)法20121kkr2021r其中，k0零頻增益 kr共振頻率增益 r共振角頻率利用正弦周期輸入信號，通過測定不同正弦激勵(lì)頻率下輸出與輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性Fig. 一階傳感器的頻率特性（幅頻特性）Fig. 二階傳感器的頻率特性（幅頻特性）4.4.傳感器的誤差與信噪比傳感器的誤差與信噪比l 傳感器的誤差 l 傳感器的信噪比 l 傳感器的誤差傳感器的誤差：傳感器的輸出值與理論輸出值之差。傳感器的誤差傳感器的誤差l 動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差噪聲量靜態(tài)靈敏度動(dòng)態(tài)靈敏度)()()0()()(nxSjSy傳感器應(yīng)

21、在 變化不大的頻率范圍內(nèi)使用，并將 控制在一定范圍內(nèi)，否則將有較大的動(dòng)態(tài)誤差。 ()(0)S jS如果傳感器的輸入量是隨時(shí)間而變化，且變化頻率在傳感器的工作頻率范圍之內(nèi)，則傳感器的輸出輸入關(guān)系表示為：)()()(xjSy傳感器的動(dòng)態(tài)誤差為：設(shè)傳感器輸入為x，輸出為y，理想方程為：ySxl 原理性誤差原理性誤差0( , , )( , )ySs x q t xn q t0( , , )( , )yC Ss x q t xq t其中， S0(x, q, t)-傳感器標(biāo)定靈敏度變量 s(x, q, t)-傳感器靈敏度變量 C 標(biāo)定系數(shù) n(q, t)-環(huán)境與時(shí)間有關(guān)輸出噪聲量 (q,t) 與輸入同單位

22、的輸出噪聲量考慮環(huán)境條件、時(shí)間因素對輸出的影響，輸出輸入關(guān)系為：經(jīng)標(biāo)定后，輸出輸入關(guān)系為：其中，S-靜態(tài)靈敏度yyy l 傳感器誤差的種類傳感器誤差的種類：原理性誤差、動(dòng)態(tài)誤差、環(huán)境噪聲干擾誤差、測量定標(biāo)誤差、接入系統(tǒng)時(shí)的負(fù)載誤差、人員操作誤差等。l 傳感器的信噪比傳感器的信噪比SNR：傳感器檢測微弱信號能力的指標(biāo)，傳感器的信噪比傳感器的信噪比l 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) F：衡量傳感器檢測微弱信號能力的指標(biāo)。l 定義：傳感器的輸入信噪比與輸出信噪比之比。0()()iioSPSNRNPFSPSNRNP信噪比越高，混在信號里的噪聲越小，聲音回放的音質(zhì)量越高其中，Psignal-信號功率, Pnoise-

23、噪聲功率 Asignal-信號幅度, Anoise-噪聲幅度定義：有用信號功率與噪聲功率的比，為幅度比的平方。單位：一般使用分貝，其值為十倍對數(shù)信號與噪聲功率比。信噪比越高，信號超過噪聲越多，信號更容易檢測。4.5 4.5 噪聲及其抑制噪聲及其抑制l 干擾與噪聲l 傳感器噪聲l 噪聲的耦合方式 l 傳感器低噪化方法l 干擾與噪聲的區(qū)別干擾與噪聲的區(qū)別干擾與噪聲干擾與噪聲 干擾源：產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無繩電話和高壓電線等。 傳播途徑：干擾信號的傳播路徑。 接收載體：受影響的設(shè)備的某個(gè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)吸收干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電器參數(shù)。l 形成干擾的三個(gè)條

24、件形成干擾的三個(gè)條件噪聲源對噪聲敏感的接收電路噪聲源到接收電路之間的耦合通道干擾源傳播途徑接收載體噪聲是絕對的；干擾是相對有用信號而言的噪聲與干擾是因果關(guān)系，噪聲是干擾之因，干擾是噪聲之果干擾滿足一定條件時(shí)可以消除;噪聲一般難以消除，只能減弱。l 噪聲存在于任何電路之中，對傳感器電路的影響尤為突出。傳感器的輸出阻抗一般都很高，使其輸出信號衰減厲害，同時(shí)，傳感器容易被噪聲信號淹沒。因此，噪聲的存在必定影響傳感器的精度和分辨率，而傳感器又是檢測自控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，勢必影響整個(gè)自控系統(tǒng)的性能。l 噪聲的研究是傳感器電路設(shè)計(jì)中必須考慮的重要環(huán)節(jié)，只有有效地抑制、減少噪聲的影響才能有效利用傳感器，才能提

25、高系統(tǒng)的分辨率和精度。l 傳感器噪聲的來源和種類傳感器噪聲的來源和種類： 機(jī)械噪聲、熱噪聲、光噪聲、音響噪聲、濕度噪聲、化學(xué)噪聲、電磁噪聲、射線輻射噪聲、電路噪聲傳感器的噪聲傳感器的噪聲l 共阻抗耦合共阻抗耦合：幾個(gè)電路之間有公共阻抗，當(dāng)一個(gè)電路中有電流流過，在公共阻抗上產(chǎn)生壓降對其它與公共阻抗相連的電路形成干擾。l 容性耦合容性耦合：兩個(gè)電路之間存在寄生電容，使得一個(gè)電路的電荷變化影響到另一個(gè)電路。l 感性耦合感性耦合：由于兩個(gè)電路之間存在互感，當(dāng)干擾源以電流形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾，使得當(dāng)一個(gè)電路的電流變化時(shí)，通過磁交鏈影響到另一個(gè)電路。l 漏電耦合漏電

26、耦合：由于兩部分電路之間絕緣不良，高電位電路通過絕緣電阻向低電平電路漏電，這種漏電電流對低電平電路造成干擾。l 傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合：經(jīng)導(dǎo)線檢拾到噪聲，再經(jīng)它傳輸?shù)皆肼暯邮针娐范纬筛蓴_的噪聲耦合方式。l 輻射電磁場耦合輻射電磁場耦合：大功率高頻電氣設(shè)備、廣播、電視、通信發(fā)射臺等不斷向外發(fā)射電磁波。傳感器系統(tǒng)置于該發(fā)射場中就會(huì)感應(yīng)到與發(fā)射電磁場成正比的感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢進(jìn)入電路形成干擾。噪聲的耦合方式噪聲的耦合方式耦合：兩個(gè)或兩個(gè)以上的電路元件或電網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象。內(nèi)部干擾白噪聲（熱運(yùn)動(dòng)）閃爍噪聲（表面狀態(tài)）外部干擾市電干擾溫

27、度變化機(jī)械振動(dòng)電磁感應(yīng)電磁輻射屏蔽接地浮置濾波光電耦合措施4.6 4.6 傳感器中的抗干擾措施傳感器中的抗干擾措施傳感器系統(tǒng)被測信號x(t)輸出信號y(t) 外界影響x1(t)外界影響xn(t)誤差l 屏蔽：將整個(gè)系統(tǒng)或部分單元用導(dǎo)電或?qū)Т诺牟牧习鼑饋順?gòu)成屏蔽層，再將屏蔽層接地的技術(shù)，可將外部電磁場屏蔽在系統(tǒng)之外而不致形成干擾。屏蔽屏蔽l 屏蔽的作用：屏蔽的作用：隔斷“場”的耦合，抑制各種場的干擾。適合防止兩種類型的外部干擾： 通過靜電感應(yīng)引入的靜電電磁干擾。 由大氣噪聲、星際干擾、雷電、天體輻射、大功率電氣設(shè)備、高壓設(shè)備等引起的電磁輻射干擾。l 屏蔽的種類屏蔽的種類： 靜電屏蔽、電磁屏蔽、

28、驅(qū)動(dòng)屏蔽、信號的屏蔽傳輸l 靜電屏蔽靜電屏蔽：在需要帶電體不受外界電場影響下，可用一個(gè)接地金屬殼將其包圍起來。之間無靜電感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體2起屏蔽作用。 當(dāng)接地金屬導(dǎo)體2完全包圍帶電導(dǎo)體1但又互相絕緣時(shí)，導(dǎo)體2使導(dǎo)體1與其外面導(dǎo)體l 電磁屏蔽電磁屏蔽: : 高頻電磁場干擾：用導(dǎo)電良好的金屬材料做屏蔽層，利用高頻電磁場對金屬屏蔽作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，由渦流產(chǎn)生磁場抵消干擾磁場影響。 低頻磁通干擾：采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體內(nèi)。l 驅(qū)動(dòng)屏蔽驅(qū)動(dòng)屏蔽： 用被屏蔽導(dǎo)體的電位,通過1:l電壓跟隨器驅(qū)動(dòng)屏蔽層導(dǎo)體的電位,使被屏蔽導(dǎo)體與蔽層之間始終保持等電位，外部干擾產(chǎn)生的

29、電場不再影響被屏蔽導(dǎo)體。l 信號屏蔽傳輸信號屏蔽傳輸： 對傳感器和測控系統(tǒng)的輸出信號采用屏蔽線傳輸，抑制靜電感應(yīng)干擾。 一般信號傳輸采用雙絞線 要求較高場合應(yīng)采用雙絞屏蔽線。l 接地接地：將電網(wǎng)零線和各種電氣設(shè)備的外殼通過接地導(dǎo)線與大地相連，使之與地等電位。接地接地l 地線的種類地線的種類： 保護(hù)地線、信號地線、信號源地線、負(fù)載地線、屏蔽層地線l 地線的處理原則地線的處理原則： 低頻電路的一點(diǎn)接地原則 高頻電路的多點(diǎn)接地原則 強(qiáng)電地線與信號地線分開設(shè)置 模擬信號地線與數(shù)字信號地線分開設(shè)置l 浮置：測量儀表的輸入信號放大器公共地(即模擬信號地)不接機(jī)殼或大地，阻斷干擾電流的通路。l 浮置的作用浮

30、置的作用：測量系統(tǒng)被浮置后，明顯地加大系統(tǒng)的信號放大器公共線與大地之間的阻抗，因此能大大減少共模干擾電流，提高共模干擾抑制能力。浮置浮置l 屏蔽與浮置屏蔽：不讓干擾電流流經(jīng)信號線，流經(jīng)機(jī)殼或屏蔽層到大地。浮置：阻斷干擾電流的通路l 濾波：只允許某一頻帶信號通過或只阻止某一頻帶信號通過的抑制干擾措施。l 濾波的方法濾波的方法：交流電源進(jìn)線的對稱濾波器濾波濾波直流電源輸出的對稱濾波器去耦濾波器l 干擾信號常常通過系統(tǒng)的供電系統(tǒng)對系統(tǒng)干擾。l 在兩個(gè)電路之間采用光束來耦合，把兩個(gè)電路的地電位完全隔離，這樣兩電路的地電位即使不同也不會(huì)造成干擾。l 光電耦合器將發(fā)光元件和光敏元件封裝在一起，以光為媒介進(jìn)

31、行前、后級之間的轉(zhuǎn)換，完全隔離前后通道的電磁聯(lián)系。光電耦合光電耦合Fig. 光電耦合器4.7 4.7 改善傳感器性能的技術(shù)途徑改善傳感器性能的技術(shù)途徑l 結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇 l 差動(dòng)技術(shù)l 平均技術(shù)l 補(bǔ)償與校正l 穩(wěn)定性處理l 屏蔽、隔離和干擾抑制 l 零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)l 集成化與智能化l 利用結(jié)構(gòu)上的對稱性，將有用成分相加、有害成分相減，以達(dá)到提高靈敏度提高靈敏度、降低非線性降低非線性、減小甚至消除減小甚至消除由于溫度或電源等變化而引起的附加誤差附加誤差。差動(dòng)技術(shù)差動(dòng)技術(shù)l 差動(dòng)技術(shù)的基本思想差動(dòng)技術(shù)的基本思想：設(shè)x為系統(tǒng)輸入信號(非電量或傳感器的輸出量)。yA為模塊A的輸

32、出信號(初始植為yA)，yB為模塊B的輸出信號(初始植為yB)，y為總輸出信號。結(jié)構(gòu)具有對稱性，但模塊A和B對輸入量x的作用結(jié)果相反，即如果x使yA增大，則yB就會(huì)減??；反之，如果x使yA減小則yB就會(huì)增大。若yA=yB，則總輸出為：因此，當(dāng)x=0(即初始狀態(tài))時(shí)，y=0；當(dāng)x0時(shí)，y的大小則會(huì)較單模塊(A或B)輸出變化量(yA或yB)成倍地增加，即靈敏度明顯提高，且yA和yB的相互抵消，大大減小附加誤差。l 應(yīng)用應(yīng)用：減少溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等。零示法零示法：被測量對指示儀表的作用與已知的標(biāo)準(zhǔn)量對儀表的作用相互平衡，即指示儀表的指示為零，這時(shí)被測量就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)量。微差法：微差法：利用標(biāo)準(zhǔn)