傳感器應(yīng)用中噪聲的產(chǎn)生及其抑制方法

1、傳感器應(yīng)用中噪聲的產(chǎn)生及其抑制方法王崗嶺，樊建文（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467001）摘 要：在智能化控制系統(tǒng)中，傳感器是用來感知、測定各種變化量的重要器件，在其使用中的噪聲直接影響著智能化控制的效果。本文針對(duì)傳感器在應(yīng)用中噪聲的產(chǎn)生、表現(xiàn)形式、耦合方式進(jìn)行了較詳細(xì)的論述。對(duì)傳感器回路的噪聲抑制應(yīng)考慮到：除去回路系統(tǒng)內(nèi)有噪聲源；回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用平衡方式；電路布置時(shí)不要形成環(huán)路；避免隨意接地；線路布線應(yīng)采用絞合線；恰當(dāng)?shù)厥褂闷帘尉€，對(duì)高頻噪聲宜采用薄金屬屏蔽層的屏蔽線，在低頻噪聲時(shí)或磁場干擾較強(qiáng)的情況下，宜采用較厚金屬屏蔽層的屏蔽線；應(yīng)用時(shí)還應(yīng)充分考慮傳感器的特性，尤其是阻抗，信

2、號(hào)電平等因素。關(guān)鍵詞：傳感器；噪聲；抑制方法中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BThe Origination and Elimination of Noise in the Application of SensorWang Gang-ling Fan Jian-wen（Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan, Henan, 467001）Abstract: in the control system, the sensor plays the crucial role in sensing and mea

3、suring the varied data, but the noise originated in use directly affects the control system. The article thoroughly expounds the origination, showing and coordination mode of noise in use. As far as the elimination of the noise is concerned, the source of noise should be prohibited: the balance mode

4、 adapted in circuit design, the circle line avoided in devising the electric circuit, free touching the land, too. The electric line should be covered with plastics, protection line used, thin metal layer preferable as to high frequency noise, While thick metal layer to low frequency or strong magne

5、tic field. Moreover, the feature of sensor, especially the signal level, should be equally considered.Key words: sensor; noise; the method of elimination 傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大組成部分之一已得到極其廣泛的應(yīng)用。傳感器相當(dāng)于人的感官器官，用來感知、測定各種物理量、化學(xué)量并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)形式，送入計(jì)算機(jī)或電子線路進(jìn)行處理，達(dá)到監(jiān)測或控制的目的。由于傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器的品種齊全，精度有很大提高，傳感器的使用愛好者也迅速增多。下面就

6、傳感器應(yīng)用中噪聲的產(chǎn)生及其抑制方法作以介紹。1. 傳感器噪聲的來源和表現(xiàn)形式傳感器噪聲的主要來源是來自系統(tǒng)內(nèi)外的干擾。在傳感器回路中，噪聲的強(qiáng)弱與信號(hào)和噪聲的疊加方式有關(guān)。其疊加方式有平衡和非平衡兩種。在平衡方式中，噪聲源Vn在傳感器的A與B回路中同相疊加，此為共態(tài)噪聲。這種噪聲電流相互抵消，使負(fù)載RL上的電壓不變，噪聲信號(hào)在負(fù)載上不能顯現(xiàn)出來，因此，自身不會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾，如圖1所示。對(duì)于非平衡方式，噪聲源Vn和信號(hào)源VS串聯(lián)相加，此為正態(tài)噪聲。信號(hào)電流iS和噪聲電流in的流動(dòng)方向相同，負(fù)載RL上信號(hào)電流和噪聲電流同時(shí)顯現(xiàn)出來，使負(fù)載RL上的電壓增大，此時(shí)噪聲和信號(hào)混合在同一頻帶內(nèi)，就無法同信

7、號(hào)分離出來，就會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾，如圖2所示。 圖1 噪聲源的平衡疊加 圖2 噪聲源的不平衡疊加在實(shí)際上，通常外界噪聲的疊加方式主要是平衡方式，如果傳感器回路的不平衡，共態(tài)噪聲極容易變?yōu)檎龖B(tài)噪聲。其變換情況如圖3所示。若傳感器回路A、B中存在外界感應(yīng)噪聲Vn。A、B回路對(duì)地間的阻抗分別為ZA、ZA和ZB、ZB，且有噪聲電流inA、inB流通。而ZAZB，ZAZB，回路A、B對(duì)地為不平衡，負(fù)載RL兩端的噪聲電壓VnLVnAVnB，由于回路不平衡，則VnAVnB，所以，VnL0，即負(fù)載RL兩端將顯現(xiàn)出噪聲電壓VnL。由此可見，噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵是回路是否平衡。因此，在應(yīng)用中要極力防止回路由平衡方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉?/p>

8、平衡方式1。圖3 共態(tài)噪聲與正態(tài)噪聲的轉(zhuǎn)換從頻率范圍看，噪聲有帶內(nèi)噪聲和帶外噪聲。帶內(nèi)噪聲是混在信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲，帶外噪聲是信號(hào)頻帶以外的噪聲。應(yīng)注意的是，無論什么樣的噪聲，一旦混入線路的信號(hào)頻帶內(nèi)，就分不清哪是噪聲，哪是信號(hào)了。因此，最重要的是不要讓噪聲混人信號(hào)頻帶內(nèi)，噪聲一旦混入信號(hào)頻帶內(nèi)就不易濾除。帶外噪聲在理論上可用帶通濾波器濾除。2. 傳感器噪聲的耦合方式和抑制措施傳感器噪聲耦合方式有輻射耦合、直接耦合、電容耦合與電磁耦合等四種。噪聲的輻射耦合，常見到發(fā)射的電磁波混在線路或回路中，這就是線路或回路起到天線作用的結(jié)果。抑制措施：平衡回路、不要構(gòu)成環(huán)路、施加電磁屏蔽等。噪聲的直接耦合，傳

9、感器與其他電路具有共同阻抗時(shí)，傳感器電路受到其他電路的影響，如圖4所示，傳感器電路和繼電器電路共用地線。當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，就有電流i流通，由于地線有電阻R存在，因此，AB間產(chǎn)生電壓降。此壓降作為不平衡方式加到傳感器電路上，并在負(fù)載RL兩端顯現(xiàn)出來。抑制措施：減少傳感器電路與其他電路的公共部分，避開采用公共電源，特別要注意地線等，從而減少傳感器電路與其他電路之間的直接耦合。圖4 噪聲的直接耦合噪聲的電容耦合就是靜電感應(yīng)的作用。圖6中1、2代表兩根導(dǎo)線，Cl和C2分別是兩根導(dǎo)線與地之間的等效電容，C12是兩根導(dǎo)線之間的等效電容。當(dāng)導(dǎo)線1的電壓為V1時(shí)，導(dǎo)線2上就產(chǎn)生電壓V2，（V2C12(C12+C

10、2)V1）。若導(dǎo)線l和2采用傳輸相同信號(hào)的線對(duì)，就沒有什么問題，但若是其他信號(hào)電路的一部分，就會(huì)有噪聲耦合的問題。抑制措施：防止這種耦合的產(chǎn)生應(yīng)采用靜電屏蔽的方法，將其中一導(dǎo)線采用屏蔽線，并將屏蔽層接地。由于屏蔽線外層接地，導(dǎo)線l和2之間就不會(huì)出現(xiàn)靜電耦合。圖5 噪聲的電容耦合噪聲的電磁感應(yīng)耦合是電場與回路交鏈而產(chǎn)生的。若兩個(gè)不同功能的回路靠近時(shí)，當(dāng)一個(gè)回路有噪聲電流流通時(shí)，就會(huì)形成噪聲磁通，噪聲磁通與另一個(gè)回路交鏈，這樣就會(huì)在回路中感應(yīng)噪聲電壓Vn (Vndndt)。一旦形成環(huán)路就容易產(chǎn)生這種噪聲耦合。圖6 采用屏蔽線傳輸?shù)膫鞲衅麟娐穲D6是采用屏蔽線傳輸?shù)膫鞲衅麟娐?，若電路中屏蔽線的C、D兩

11、點(diǎn)均接地，就會(huì)形成ABCD環(huán)路，磁通n與這環(huán)路交鏈，在這環(huán)路中就產(chǎn)生Vn噪聲，由此形成的i n噪聲電流就沿著屏蔽線的外屏蔽層流通。應(yīng)注意的是，屏蔽線的屏蔽層與內(nèi)導(dǎo)體間有互感M，它等于屏蔽線的自感LS，即MLS。為此i n流經(jīng)屏蔽層，在內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生Vn的噪聲電壓（VnjMin）。抑制措施：若在圖6中，取其中D或C一點(diǎn)接地，就不能形成環(huán)路，噪聲電流in為0，則噪聲電壓Vn也就為0。正確使用屏蔽和正確地選擇接地方法對(duì)抑制噪聲是非常重要的。3. 抑制傳感器噪聲最常用的方法3.1 系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的噪聲抑制所謂系統(tǒng)內(nèi)噪聲就是自系統(tǒng)回路內(nèi)的噪聲，系統(tǒng)間的噪聲就是與其他系統(tǒng)干擾和交鏈產(chǎn)生的，例如，其他回路、廣播

12、電臺(tái)、計(jì)算機(jī)等相互間的噪聲等。來自電源線的噪聲就屬于系統(tǒng)間噪聲，傳感器回路中微處理器的時(shí)鐘脈沖噪聲就屬于系統(tǒng)內(nèi)噪聲。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)噪聲重要的是要抑制噪聲源，而對(duì)于系統(tǒng)間噪聲是要防止外來噪聲的侵入。常采用電源凈化器、濾波器等電路，除此之外別無它法。3.2 線性帶通濾波器帶通濾波器是濾除帶外噪聲最常用的方法。傳感器輸出信號(hào)的頻帶為0fS，而噪聲的頻帶比它寬的多。圖7所示的是加裝線性帶通濾波器后濾除fC以上噪聲的情況，但信號(hào)頻帶內(nèi)仍殘留部分原噪聲信號(hào)，這就要采用其它抑制方法。圖7 帶通濾波示意圖3.3非線性濾波器脈沖噪聲是傳感器噪聲的一種重要的表現(xiàn)形式，通常它振幅較大，對(duì)電路造成不良影響較大，尖脈沖常損

13、壞電路，這種脈沖也稱為浪涌。它含有直流成份至高頻成份，用通常的線性濾波器不能濾除這種噪聲。采用非線性濾波器可有效地濾除這種脈沖噪聲。圖8就是采用二極管構(gòu)成的非線性濾波器，一般也稱為限幅器，圖8（a）是用于低電壓的限幅器，圖8（b）是用于高電壓的限幅器，可適當(dāng)?shù)剡x用穩(wěn)壓二極管來穩(wěn)定電壓。（a） （b）圖8 二極管構(gòu)成的非線性濾波器（a）低電壓 （b）高電壓3.4 雙股絞合線的使用雙股絞合線就是兩股導(dǎo)線絞合在一起，圖9所示的使用絞合線的傳感器電路。這里重要的只是A點(diǎn)接地，構(gòu)不成環(huán)路。雙股絞合線的扭絞部分幾乎沒有空間，不能同來自外部噪聲源的磁通交鏈。一般來說，導(dǎo)線絞合得越緊，不交鏈的效果越好，但緊到

14、一定程度效果就不明顯了。另外，絞合越緊其線間電容量變大，因此，要注意信號(hào)Vs中含有高頻的情況。另外，絞合線自身沒有屏蔽層，不能除去電容耦合，為防止電容耦合，可用鋁制金屬箔對(duì)絞合線進(jìn)行屏蔽，一端接地即可。在一般條件下使用絞合線加屏蔽是一種簡單而效果又非常好的方法。圖9 使用絞合線的傳感器電路3.5 屏蔽線的使用屏蔽線有同軸型和雙絞線型，圖10、圖11是使用這兩種屏蔽線的電路。兩種電路都在負(fù)載端接地，形不成環(huán)路，因此都是較佳電路。圖10電路的屏蔽是對(duì)信號(hào)電流沒有提供反饋回路，當(dāng)高頻時(shí)，屏蔽層與地之間存有電容，這樣就能形成環(huán)路，噪聲電流流經(jīng)屏蔽層就會(huì)在信號(hào)傳輸線上產(chǎn)生噪聲電壓，這就變成了不平衡方式。而圖11電路的雙絞線型屏蔽線是平衡方式，屏蔽層還能起到靜電屏蔽的作用。從這個(gè)意義上說，電路屏蔽線使用雙絞線型的效果最好，如圖11所示。圖10 同軸型屏蔽線的使用圖10 雙絞線型屏蔽線的使用綜上所述，對(duì)傳感器回路的噪聲抑制應(yīng)考慮以下幾方面：當(dāng)回路系統(tǒng)內(nèi)有噪聲源時(shí)，應(yīng)除去噪聲源；回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用平衡方式；電路布置時(shí)不要形成環(huán)路；避免隨意接地；線路布線應(yīng)采用絞合線；恰當(dāng)?shù)厥褂闷帘尉€，對(duì)高頻噪聲宜采用薄金屬屏蔽層的屏蔽線，在低頻噪聲時(shí)或磁場干擾較強(qiáng)的情況下，宜采用較厚金屬屏蔽層的屏蔽線；應(yīng)用時(shí)還應(yīng)充分考慮傳感器的特性，尤其是阻抗，信號(hào)電平等因素。第一作者簡介