毕业论文论传感器应用中的抗干扰技术

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论文题目论传感器应用中的抗干扰技术
院系机电工程学院
专业电子信息工程技术学生姓名
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指导教师
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论传感器应用中的抗干扰技术
【摘要】:随着自动化平的提高，传感器的应用越来越多但在应用中的各种干扰问题时应用中的一个难题它会影响整个系统的控制精度和准确性，因此在自动化检测系统中应用各种抗干扰措施以提高系统的稳定性和准确性就必不可少，干扰的种类不同，抗干扰措施也会不同。

【关键词】传感器干扰抗干扰措施
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目录
1、传感器简介……………………………………………………………………………………………
5
1.1传感器的定义……………………………………………………………………………………6.
1.2传感器的原理……………………………………………………………………………………6 2、
传感器的用 (7)
3、干扰源、干扰种类及干扰现象……………………………………………………………………….8 3.1、主要干
扰源 (8)
3.1.1从噪声产生的来源分类 (9)
3.1.2从干扰的表现形式分类...................................................................... .. (9)
3.1.3从干扰出现的区域分类 (9)
3.1.4从干扰对电路作用的形式分类…………………………………………………………… .10 3.2抑制电磁干扰的
基本方法 (10)
3.2.1抑制电磁干扰的技术屏蔽技术………………………………………………………..….11 3.3干扰的现象…………………………………………………………………………………….….12.
3.3.1干扰 (1)
2
3.3.2常会遇到以下几种主要干扰现象...................................................................14 4、抗干扰的措施 (1)
5 4.1、供电系统的抗干扰设计.......................................................................................15. 4.2、信号传输通道的抗干扰设计.................................................................................16 4.3、局部产生误差的消除..........................................................................................16 5结论....................................................................................................................14 6、参考文献............................................................................................................16 7、毕业论文工作进度的安排 (17)
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前言
随着信息化的发展，传感器的应用非常广泛，不论是在工业、农业、国防建设，还是在日常生活、教育事业以及科学研究等领域，处处可见传感器的身影。

但在传感器的设计和使用中，都有一个如何使其测量精度达到最高的问题。

而众多的干扰一直影响着传感器的测量精度，如:现场大耗能设备多，特别是大功率感性负
载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰;工业电网欠压或过压(涉县钢铁厂供电电压在160V,310V波动)，常常达到额定电压的35,左右，这种恶劣的供电有时长达几分钟、几小时，甚至几天;各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆，信号会受到干扰，特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中干扰尤甚;多路开关或保持器性能不好，也会引起通道信号的窜扰;空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作;此外，现场温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化，腐蚀性气体、酸碱盐的作用，野外的风沙、雨淋，甚至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的可靠性。

传感器输出的一般都是小信号，都存在小信号放大、处理、整形以及抗干扰问题，也就是将传感器的微弱信号精确地放大到所需要的统一标准信号(如1VDC,5VDC或4mADC,20mADC)，并达到所需要的技术指标。

这就要求设计制作者必须注意到传感器电路图上未表示出来的某些问题，即抗干扰问题。

只有搞清楚传感器的干扰源以及干扰作用方式，设计出消除干扰的电路或预防干扰的措施，才能达到应用传感器的最佳状态。

1、传感器简介
1.1传感器的定义
英文名称:transducer / sensor
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电第 4 页共 17 页
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信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

1.2传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地
说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

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1.2传感器的原理
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

向传感器提供?15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到?5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生?4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。

当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v?1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。

由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。

有些传感器既不能划
分到物理类，也不能划分为化学类。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。

化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

2、传感器的应用
常见的:
(1).自动门，利用人体的红外微波来开关门
(2).烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的 (3).手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象
(4).电子称，利用力学传感器(导体应变片技术)来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量目的
(5).水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等都是……
智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。

例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。

在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质第 6 页共 17 页
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量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。

而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等)。

Cygnus公司生产了一种"葡萄糖手表",其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。

"葡萄糖手表"上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。

传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。

随着自动化水平的提高，传感器的应用越来越多，但在应用中的各种干扰问题是应用中的一个难题，它会影响整个系统的控制精
度和准确性。

因此在它的应用中使用各种抗干扰措施以提高系统的稳定性和准确性就必不可少，干扰的类型不同、干扰的途径不同，抗干扰的技术也不同。

3、干扰源、干扰种类及干扰现象
传感器及仪器仪表在现场运行所受到的干扰多种多样，具体情况具体分析，对不同的干扰采取不同的措施是抗干扰的原则。

这种灵活机动的策略与普适性无疑是矛盾的，解决的办法是采用模块化的方法，除了基本构件外，针对不同的运行场合，仪器可装配不同的选件以有效地抗干扰、提高可靠性。

在进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要分析影响模拟传感器精度的干扰源及干扰种类。

3.1、主要干扰源
(1)静电感应
静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。

(2)电磁感应
当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路，这一现象称为电磁感应。

例如变压器及线圈的漏磁、通电平行导线等。

(3)漏电流感应
由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良，特别是传感器的应用环境湿度较大，绝缘体的绝缘电阻下降，导致漏电电流增加就会引起干扰。

尤其当漏电流流入测量电路的输入级时，其影响就特别严重。

(4)射频干扰
主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。

如可控硅整流系统的干扰等。

(5)其他干扰
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现场安全生产监控系统除了易受以上干扰外，由于系统工作环境较差，还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。

3.1.1从噪声产生的来源分类
(1)固有噪声源:
是指器件内部物理性的无规则波动所形成的噪声。

它有热噪声、散粒噪声和接触噪声等。

(2)人为噪声源:
是指各种电气设备所产生的噪声。

它有工频噪声、射频噪声和电子开关通断形成冲击噪声。

(3)自然噪声源和放电噪声:
自然噪声主要指雷电形成的放电现象。

放电现象的起因除雷电外,还有各种电气设备所造成的,主要有:火花放电、电晕放电、放电管放电等。

3.1.2从干扰的表现形式分类
(1)规则干扰:
电源的波纹、放大器的自激振荡等形成有一定规律的干扰。

(2)不规则干扰:
有些元器件的额定值和特性随使用条件而变形成不规则的干扰。

(3)随机干扰:
接触不良、空间电磁耦合等引起随机的干扰。

3.1.3从干扰出现的区域分类
(1)内部干扰:电路的过度过程、寄生反馈等引起的干扰属于内部干扰。

(2)外部干扰:电网电压波动、电磁辐射等属于外部干扰。

3.1.4从干扰对电路作用的形式分类
(1)差模干扰:这种干扰和有用信号叠加起来直接作用于输入端,它直接影响到测量结果。

(2)共模干扰:不直接对测量结果造成影响,但当信号输入电路不对称时,它会转化为差模干扰，对测量产生更为严重的影响。

(3)抑制干扰的基本方法
a、对于机械干扰,主要是采取减振措施来解决。

b、对于热干扰,通常采取的方法有热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构、温度补偿技术等。

c、对于光干扰,可以对半导体元器件用光屏蔽来抑制。

d、对于湿度干扰,可以采取防潮措施,如浸漆、环氧树脂或硅橡胶封灌等。

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e、对于尘埃干扰,可以采取将传感器密封起来,以及增加其它的防尘措施。

f、对于化学干扰,一般采取的措施是密封和保持传感器的清洁。

g、对于射线辐射干扰,主要是对射线进行防护,国家有专门的规范。

h、对于电和磁的干扰,针对不同的电磁干扰类型采取不同相应
3.2抑制电磁干扰的基本方法
(1)消除和抑制干扰源:
能从根本上消除和减小干扰,但只有部分在设计者管理权限范围内的噪声源可以消除或抑制。

(2) 破坏干扰的耦合通道:
对于以“路”的形式侵入的干扰,可以采用阻截和给予低阻通路的办法,使干扰不能进入接收电路。

(3) 消除接收电路对干扰的敏感性:
高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易接收干扰,模拟电路比数字电路易接收干扰。

为消弱电路对干扰的敏感性,可以采用滤波、选频、双绞线、对称电路和负反馈等措施。

(4) 采用软件抑制干扰:
对于已进入电路的干扰,用硬件措施又不易实现或不易奏效,可以考虑在采用微处理器的智能传感器电路中,通过编写一定的程序进行信号处理和分析判断,达到抑制干扰的目的。

3.2.1抑制电磁干扰的技术屏蔽技术
用低电阻材料或高磁导率材料制成容器,将需要防护的部分包起来。

这种防静
电或电磁感应所采取的措施称为“屏蔽”。

屏蔽的目的是隔断场的耦合,既抑制各种场的干扰。

屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽。

(1)导电涂料
采用导电涂料作为塑料机箱或塑料部件的电磁屏蔽涂层。

这种导电涂料稀释后可喷涂、刷涂,屏蔽效率高,耐性好、附着力强,在形状复杂的表面同样可以获得优良的屏蔽涂层。

(2)接地技术
一类接地称为保护接地,可以保证人员和设备的安全;另一类接地称为屏蔽接地,采用屏蔽层接地,能起到良好的抗干扰作用。

铁氧体抑制元件:采用铁氧体抑制元件应安装在尽可能接近干扰源的地方, 这
样可防止噪声耦合到其它地方。

在使用空间允许的情况下,选择尽量长、尽量厚和内径尽量小的铁氧体抑制元件,可有效地将噪声衰减掉。

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(3)浮置技术
将电子设备地线系统与接大地系统及其它导电结构互相绝缘。

主要抑制来自接线的干扰,其优点是抗干扰性能好,缺点是电子设备容易产生静电积累.
(4)对称电路
对称电路有抑制干扰的能力,在不对称电路中,为使传输导线在传递信号过程中所检拾的噪声不对电路造成干扰,可用两个变压器把信号传输线变成对称电路,使噪声在变压器原边处互相抵消,从而抑制了信号传输线引进的干扰。

(5)隔离技术
可以在两个电路之间加一个隔离变压器或电容,加入隔离变压器后两电路之间电的联系被切断,以磁的形式传递信号,从而抑制了干扰的影响。

也可在两个电路之间加入一个光耦合器,光耦合器把两电路间的地环回路完全隔断,信号靠光传递,更能有效地抑制地线干扰。

滤波它是一种只允许某一频带信号通过或阻止某一频带信号通过的一种抑制干扰措
施。

滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波。

(6)脉冲干扰抑制
采用的方法有利用积分电路,脉冲隔离门及消波器等。

使用积分电路,能使脉冲信号宽度大的输出大,而脉冲宽度小的噪声输出小,从而将噪声干扰除掉。

(7)脉冲群抑制器
在工业过程测量和控制装置中,当电感性负载断开时,会在断点外产生数千伏的脉冲群(串) ,这种干扰会通过电源线或信号线,也有部分辐射进入测量或控制装置,使装置中的数字电路失效。

这种电快速瞬变脉冲是一种幅度较大、频带极宽的干
扰。

电快速瞬变抑制器是一种特殊的滤波器,它能消除很大部分的共模和差模干扰电压。

3.3干扰的现象
3.3.1干扰
(1)常模干扰
是指干扰信号的侵入在往返2条线上是一致的。

常模干扰来源一般是周围较强的交变磁场，使仪器受周围交变磁场影响而产生交流电动势形成干扰，这种干扰较难除掉。

(2)共模干扰
共模干扰是指干扰信号在2条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返2个线路中流过。

共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对
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地干扰等。

由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成常模干扰，就较难除掉了。

(3)长时干扰
长时干扰是指长期存在的干扰，此类干扰的特点是干扰电压长期存在且变化不大，用检测仪表很容易测出，如电源线或邻近动力线的电磁干扰都是连续的交流50 Hz工频干扰。

(4)意外的瞬时干扰
意外瞬时干扰主要在电气设备操作时发生，如合闸或分闸等，有时也在伴随雷电发生或无线电设备工作瞬间产生。

干扰可粗略地分为3个方面:
a、局部产生(即不需要的热电偶
b、子系统内部的耦合(即地线的路径问题);
c、外部产生(Bp电源频率的干扰)。

(5) 机械干扰
是由于机械的振动或冲击,使传感器系统的敏感和转换元件发生振动、变形,使连接导线发生位移等,这些都将影响传感器电路的正常工作。

(6) 热干扰
设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动以及环境温度的变化等会引起传感器电路的元器件参数发生变化,从而影响了传感器电路的正常工作。

(7) 光干扰:
半导体元器件在光线的作用下会激发出电子———空穴对,使半导体元器件产生电势或引起电阻值的变化,从而影响传感器电路的正常工作。

(8) 湿度的干扰:
环境湿度的增大会使绝缘电阻下降、漏电流增加,这样电路的参数就会发生变化,从而影响了传感器电路的正常工作。

(9) 尘埃干扰:
环境灰尘的加重,也会造成漏电流增加,电路的参数发生改变,同样影响传感器电路的正常工作。

(10) 化学干扰:
化学物品中的酸、碱及腐蚀性气体等通过腐蚀作用损坏元器件,造成传感器电路不能正常工作。

(11) 射线辐射干扰:
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射线会使气体电离、半导体激发出电子———空穴时,金属逸出电子等,从而使传感器
系统的正常工作受到影响。

(12) 电和磁干扰:
电和磁可以通过路和场两个路径对传感器系统形成干扰,这种干扰是最普和严重的干
扰。

3.3.2常会遇到以下几种主要干扰现象:
(1)发指令时，电机无规则地转动;
(2)信号等于零时，数字显示表数值乱跳;
(3)传感器工作时，其输出值与实际参数所对应的信号值不吻合，且误差值是随机的、无规律的;
(4)当被测参数稳定的情况下，传感器输出的数值与被测参数所对应的信号数值的差值为一稳定或呈周期性变化的值;
(5)与交流伺服系统共用同一电源的设备(如显示器等)工作不正常。

干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类:信号传输通道干扰，干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入;供电系统干扰。

信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径，因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰，所以在传输过程中，长线的干扰是主要因素。

任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，线路中也不会建立起任何干扰电压;此外，交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源，它可以通过电源对其它设备进行干扰。

4、抗干扰的措施
4.1、供电系统的抗干扰设计
对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有:电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯，甚至电烙铁等。

尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制。

(1)用硬件线路抑制尖峰干扰的影响
常用办法主要有三种:
a、在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性;
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b、在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲;
c、在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。

(2)利用软件方法抑制尖峰干扰
对于周期性干扰，可以采用编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样，从而有效地消除干扰。

(3)采用硬、软件结合的看门狗(watchdog)技术抑制尖峰脉冲的影响软件:在定时器定时到之前，CPU访问一次定时器，让定时器重新开始计时，正常程序运行，该定时器不会产生溢出脉冲，watchdog也就不会起作用。

一旦尖峰干扰出现了“飞程序”，则CPU就不会在定时到之前访问定时器，因而定时信号就会出现，从而引起系统复位中断，保证智能仪器回到正常程序上来。

(4)实行电源分组供电，例如:将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。

(5)采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰。

该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。

(6)采用隔离变压器
考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抵抗共模干扰能力。

(7)采用高抗干扰性能的电源，如利用频谱均衡法设计的高抗干扰电源。

这种电源抵抗随机干扰非常有效，它能把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低电压峰值(电压峰值小于TTL电平)的电压，但干扰脉冲的能量不变，从而可以提高传感器、仪器仪表的抗干扰能力。

4.2、信号传输通道的抗干扰设计
(1)光电耦合隔离措施
在长距离传输过程中，采用光电耦合器，可以将控制系统与输入通道、输出通道以及伺服驱动器的输入、输出通道切断电路之间的联系。

如果在电路中不采用光电隔离，外部的尖峰干扰信号会进入系统或直接进入伺服驱动装置，产生第一种干扰现象。

光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使信号传输过程的信噪比大大提高。

干扰噪声虽然有较大的电压幅度，但是能量很小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，一般导通电流为10mA,15mA，所以即使有第 13 页共 17 页
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很大幅度的干扰，这种干扰也会由于不能提供足够的电流而被抑制掉。

(2)双绞屏蔽线长线传输
信号在传输过程中会受到电场、磁场和地阻抗等干扰因素的影响，采用接地屏蔽线可以减小电场的干扰。

双绞线与同轴电缆相比，虽然频带较差，但波阻抗高，。