传感器及其应用2.docx

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传感器及其应用2

课  题

第二章 传感器测量电路

第一节 传感器测量电路的作用与要求

第二节 传感器测量电路的类型、特点与组成

课 型

新课

授课班级

授课时数

2

教学目标

1．学习传感器测量电路的作用与要求。

2．掌握传感器测量电路的类型及特点。

教学重点

传感器测量电路的类型及特点。

教学难点

1．各类传感器测量电路的组成结构。

2．传感器测量电路的要求。

学情分析

教学效果

教后记

新授课

A、复习

传感器的概念。

B、引入

1．传感器测量电路：

在传感技术中，对传感器的输出信号进行加工的电子电路。

2．传感器的输出信号一般具有如下特点：

①传感器输出的电信号类型通常是动态的。

②输出的电信号一般都比较弱。

③传感器内部存在噪声。

④有少部分传感器的输出－输入关系曲线是非线性的。

⑤传感器的输出信号易受外界环境的干扰。

C、新授课

第一节 传感器测量电路的作用与要求

一、传感器测量电路的作用

传感器的输出信号经过加工后可以提高其信噪比并易于传输和与后续电路环节相匹配。

根据测量项目的要求，传感器测量电路有时可能只是一个简单的转换电路，有时则要与数台为了完成某些特定功能的仪器、仪表相组合。

传感器测量电路前、后两端的配置一般如图2-1所示。

图2-1　测量电路连接框图

二、传感器测量电路的要求

传感器测量电路的选用应考虑如下几个方面。

①考虑阻抗匹配及长电缆可能带来的电阻、电容和噪声的影响。

②放大器的放大倍数。

③测量电路的选用。

④测量电路中用的晶体管,集成电路和其他元、器件的选用。

⑤考虑外部和内部的温度影响及电磁场的干扰。

⑥测量电路的结构和尺寸，电源电压和功耗。

第二节　传感器测量电路的类型、特点与组成

一、模拟电路

当传感器的输出信号为动态的电阻、电容、电感等电参数时，或以电压、电荷、电流等电量变化时，通常由模拟电路将信号按摸拟电路的制式传输到测量系统的终端。

其测量电路的基本组成框图如图2-2所示。

图2-2　模拟式测量电路组成框图

几点说明：

①若传感器的输出已经是电参量，则不需要基本转换电路；如果传感器的输出是一些电参数的变化，则需要通过基本电路首先将其转换成电参量。

②采用“调制”的方法对信号进行处理。

③量程切换电路是为适应不同测量范围的参数需要而设置的。

④有些被测参数，要求数字显示或送入计算机进行处理，需要A/D转换电路。

二、开关型测量电路

当传感器的输出信号为开关信号时的测量电路称之为开关型测量电路。

下图2-3（a）中只有当开关S触电闭合，继电器K吸和时，才有放大信号输出；图（b）中只有开关断开后，继电器K才能吸合；图（c）、图（d）中的信号是靠光电器件来控制的，其中图（c）中要使继电器K吸合，光电器件必须有光照才行；图（d）则是在无光照，光电管不工作时才能使继电器吸合。

图2-3　开关型测量电路

（a）触点闭合继电器吸合（b）触点断开继电器吸合

（c）光电元件有光照时继电器吸合（d）光电元件无光照时继电器吸合

三、绝对码型测量电路

绝对式编码传感器输出的数字编码与被测量的绝对位置值一一对应，每一码道的状态有相应的光电元件读出，经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码信号。

组成框图如图2-4所示。

图2-4　绝对码型测量电路的组成框图

四、增量码数字式测量电路

光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图2-5所示。

图2-5　增量码数字式测量电路的组成框图

1．传感器与计算机的基本接口方式：

接口方式

基　本　方　法

模拟量接口方式

　传感器输出信号→放大→取样/保持→模拟多路开关→A/D转换→I/O接口→计算机

开关量接口方式

　开关型传感器输出（逻辑1或0）信号→缓冲器→计算机

数字量接口方式

　数字型传感器输出数字量（二进制代码、BCD码、脉冲序列等）→计数器→缓冲器→计算机

2．四种转换输入方式

类　型

组　成　原　理　框　图

特　　点

单通道

直接型

　是最简单的形式。

只用一个A/D转换器及缓冲器将模拟量转换成数字量，并输入计算机。

要受转换电压幅值及速度限制。

多通道

一般型

　能依次对每个模拟通道进行取样保持和转换，节省元器件，速度低，不能获得同一瞬间的各通道的模拟信号。

多通道

同步型

　各取样/保持可同时动作，可测得在同一瞬时各传感器输出和模拟信号。

多通道

并　行

输入型

　各通道直接进行转换，把信号送入计算机或信号通道。

灵活性大，抗干扰能力强。

（提问）

（传承引入）

（举例说明电路对信号的加工）

（参考教材补充具体的要求）

（看图讲解各部分的作用）

（说明四个电路的区别）

（参考教材简介各部分作用）

（强调各类型转换输入方式的特点）

练习

思考题与习题

2-1、2-2

小结

1．传感器测量电路：

在传感技术中，对传感器的输出信号进行加工的电子电路。

2．传感器测量电路的作用：

传感器的输出信号经过加工后可以提高其信噪比并易于传输和与后续电路环节相匹配。

3．传感器测量电路的类型：

模拟电路、开关型测量电路、绝对码型测量电路、增量码数字式测量电路。

布置作业

思考题与习题

2-3、2-4

课  题

第二章 传感器测量电路

第三节 噪声与抗干扰技术

课 型

新课

授课班级

授课时数

2

教学目标

1．掌握噪声的产生原因。

2．掌握抗干扰技术。

教学重点

1．几种形式的耦合通道。

2．抗干扰措施中屏蔽与接地的形式及作用。

教学难点

1．耦合通道中干扰电压的计算。

2．模拟量转换的输入方式。

学情分析

教学效果

教后记

新授课

A、复习

传感器测量电路的概念和类型

B、引入

第三节　噪声与抗干扰技术

1．噪声

在传感器电路的信号传递中，所出现的与被测量无关的随机信号被称为噪声。

如图2-6所示，系统不可避免地会受到各种外界因素和内在因素的干扰。

2．为减小测量误差需要解决的问题

①尽量减小传感器对影响因素的灵敏度。

图2-6　内、外影响因素对传感器

的作用

②降低外界因素对传感器实际作用的功率。

3．对于噪声干扰需要解决的问题

①解决噪声的来源问题。

②解决噪声信号是如何进入测量系统的。

4．形成噪声干扰的三个要素

①噪声源。

②通道（噪声源到接收电路之间的耦合通道）。

③接收电路（指那些对噪声比较敏感的电路）。

其相互关系如2-7图所示。

图2-7　噪声形成干扰的途径

C、新授课

一、噪声源

1．内部干扰噪声

内部干扰噪声指的是测量装置内部元器件的物理性能随机变动时对传感器及其测量电路形成的干扰。

常见的内部干扰噪声有：

①电阻热噪声。

②半导体散弹噪声。

③接触噪声。

2．外部干扰噪声

外部干扰噪声是指测量装置以外的各种因素对传感器及其测量电路造成的干扰。

常见的外部干扰噪声有：

①放电噪声。

②电磁噪声。

③环境噪声。

二、耦合通道

测量装置能够接收噪声干扰的途径，就是干扰噪声进入传感器及其测量电路的通道。

这种通道通常是以对干扰信号的耦合方式进行的，故又称之为耦合通道。

这种耦合通道的形式有以下几种：

1．电容性耦合

通过信号线之间的分布电容产生的耦合称之为电容性耦合，电容性耦合的等效电路如图2-8所示。

导线1——噪声源，EN——噪声源电势，导线2——被干扰的电路，Cm——导线1和导线2之间的分布电容，Zi——被干扰电路的等效输入阻抗。

在Zi上的干扰电压值为：

UN=JwCmZiEN

结论：

①UN与EN成正比，所以形成高电压，小电流的噪声源。

②UN与Jw成正比，形成射频电压噪声源。

③UN与Zi成正比，应尽可能减小Zi值，这样可降低电场传播时的噪声。

④UN与Cm成正比，可适当改变导线的方向并进行屏蔽，或尽量增大两导线之间的距离。

2．共阻抗耦合

利用两个电路存在公共阻抗，使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压的耦合方式称之为共阻抗耦合。

共阻抗耦合的等效电路如图2-9所示。

ZC——公共阻抗，IN——噪声源的噪声电流，UN——被干扰电路的噪声电压。

它们之间的关系为：

UN=INZC

结论：

UN与IN成正比，同时又与ZC成正比，测量电路中必然会因ZC的缘故形成电感性耦合，产生干扰。

要消除这一干扰，就必须先消除公共阻抗，在测量电路中重新安排。

3．漏电流耦合

由于绝缘不良，使得流经绝缘电阻R形成漏电流而引起的噪声干扰称之为漏电流耦合。

其等效电路如图2-10所示。

图中EN—噪声电势，R—漏电阻，Zi—被干扰电路的输入阻抗，此时的干扰电压为：

漏电流通常发生在以下几种场合：

①用仪表测量高的直流电压时。

②在测量装置附近有较高的直流电压源时。

③高输入阻抗的直流放大器中。

在测量系统中，为了改善漏电流引起的干扰，一般采用提高绝缘性能和采取相应的防护措施来达到。

在噪声源与测量装置之间除了上述耦合方式外，还有“串模干扰”与“共模干扰”的问题。

1．串模干扰

噪声信号串接在测量信号接收器的一个输入端上，即干扰信号与有用信号叠加起来同时作用于输入端，因此它将直接影响测量的结果。

2．共模干扰

在信号接收器的两个输入端同时出现干扰电压。

这种干扰电压虽然不直接影响测量结果，但是，当信号输入电路的参数不对称时，就会转化成串模干扰，从而对测量产生影响。

三、接收电路

选择和应用实际接收电路通常应遵循以下原则：

①有关传感器测量电路的6项要求。

（本章第一节）

②有针对性的强化实际接收电路中的抗干扰功能。

③尽可能选用性能优秀稳定的电路和电子元器件。

四、其他抗干扰措施

1．屏蔽

（1）屏蔽的对象：

（2）根据干扰场的性质，屏蔽可分为电屏蔽，磁屏蔽和电磁屏蔽3种。

①电屏蔽（又称静电屏蔽）

指的是在静电场作用下，导体内部无电力线存在，达到消除或削弱两个回路之间由于分布电容的耦合而形成的干扰。

②磁屏蔽（或称低频磁屏蔽）

对于低频磁场的干扰，采用强磁材料做成屏蔽体对干扰信号加以屏蔽。

③电磁屏蔽

主要用来防止高频电磁场的影响。

电磁屏蔽有两个作用：

①通过低电阻金属材料制成的屏蔽体表面对电磁场会产生反射而削弱其影响。

②由于电磁场在屏蔽体内产生涡流，那么利用反方向的涡流磁场就可抵消掉高频电磁场的干扰。

2．接地

（1）目的：

①为了安全（安全接地）

②为了给装置的电路提供一个基准电压，并给因高频形成的干扰提供一个低阻通路（工作接地）。

（2）接地方式

接地方式如图2-11所示：

图2-11　接地方式

（a）串联一点接地（b）并联一点接地（c）串并联一点接地（d）多点接地

图中R，L为接地引线的电阻和电感，这几种接地方式的特点列于下表所示：

接地方式

主　　要　　特　　点

图　例

串联一点接地

各接地点电位不同，并受其他电路工作电流影响。

图（a）

并联一点接地

各电路的地电位仅与本电路的地电流和地电阻有关。

图（b）

串、并联

一点接地

兼有串联接地布线简单、并联接地点不存在共阻抗噪声干扰的优点。

图（c）

多点接地

高频时，为了减少接地引线阻抗，各接地点分别就近接在接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。

图（d）

图2-12　三种接地线一点接地

强调：

整个测量装置的接地线系统，至少要有三种分开的地线，如图2-12所示。

图中的三条地线应连在一起，并通过一点去接地，从而消除各接地线之间的相互干扰。

3．浮置

测量装置信号放大器的公共线不接地也不接机壳，而是悬浮起来的方式称为浮置。

4．滤波

滤波器是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的电路，它是目前将无用干扰信号滤除、抑制干扰的最有效手段。

5．对称电路（平衡电路）

指双线电路中的两根导线以及与其连接的所有电路，对地或对其他导线，电路结构对称且对应阻抗相等的电路。

6．光电耦合

使用光电耦合器是切断地环路电流干扰的十分有效的方法，其原理如图2-13所示。

7．脉冲电路中的噪声干扰抑制

在脉冲电路中若存在干扰噪声信号，通常处理的方法是将输入脉冲信号（含干扰信号）微分后再积分，然后设置一定幅度的门槛电压，由射极输出器输出，滤除无用的干扰脉冲信号。

（提问）

（简要分析原因）

（举例说明）

（讲解）

（强调记忆三种耦合通道的等效电路图）

（讲解）

（参考教材举例说明）

（复习本章第一节中传感器测量电路的要求）

（参考教材说明注意事项）

（比较不同接地方式的特点和适用范围）

（举例介绍）

（简介）

练习

习题

2-5、2-6

小结

1．测量装置常见的噪声干扰：

内部干扰噪声和外部干扰噪声。

2．耦合通道的形式：

电容性耦合、共阻抗耦合、漏电流耦合。

3．屏蔽的形式：

电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。

4．接地的形式：

串联一点接地、并联一点接地、串并联一点接地、多点接地。

布置作业

习题

2-7、2-8