传感器的共性关键技术

28
7.2.5 同步方式 同步方式利用被测信号与干扰信号在时间域上的 某些区别来完成对信号的选择。 当被测信号与干扰信号出现的时间不同时，可在 信号出现的时间段内读取信号；当被测信号夹杂 并淹没在干扰信号中时，如果已知被测信号的频 率或周期，则可采用同步检波法来选择信号。
29
设被测信号为 S (t ) cost ，选用标准信号为
2 f 2 f 2 x1 2 x1 x2 x1 x1x2
27
7.2.4 滤波方式 滤波方式利用被测信号与干扰信号在频率域内的 差别，亦即被测信号与干扰信号的频率范围不同， 对信号进行选择。 通常采用各种滤波器，如机械式滤波器、模拟滤 波电路、数字滤波器等来实现。 当被测信号与干扰信号在同一频率范围内时，可 先对被测信号进行调制，将其移到别的频率范围 内，然后用滤波方式对信号进行选择。例如，通 过对莫尔条纹信号的调制，可消除温度等低频干 扰的影响。
12
13


7.1.5 差动结构型 差动结构是传感器学科很有特色的一种技术。采 用差动结构可以提高传感器的灵敏度和线性度、 减小环境等共模干扰因素的影响。差动结构是用 两个性能完全相同的传感元件同时感受相同的环 境量和方向相反的被测量。 例子：差动电阻应变式传感器、差动电容式传感 器、差动电感式传感器等。当用压电元件测量压 力时，如果其加速度效应的影响不可忽略，则需 采用两个压电元件反极性安装构成差动型，以补 偿加速度的影响，同时提高了传感器的灵敏度。
30



当被测信号为规则信号，并已知其周期时，可采 用同步迭加平均法将淹没在干扰中的被测信号检 测出来。 同步迭加平均法原理是在时间轴上按被测信号的 周期分段，并以相同起始点进行N次相加，即将被 测信号放大N倍，干扰信号因其随机性只被放大 N 倍，因此信噪比提高了 N 倍，使淹没在不规则干 扰中的信号得以检测出来。 同步迭加平均法所需设备比同步检波法复杂。
气 敏
湿 敏
MOS气敏元件、热传导元件、半导体气敏电阻元件、浓差电池、红外吸收式
MOS湿敏元件、电解质（如LiCl）湿敏元件、高分子电容式湿敏元件、高分子电阻式 湿敏元件、热敏电阻式、CFT湿敏元件
物质敏
固相化酶膜、固相化微生物膜、动植物组织膜、离子敏场效应晶体管（ISFET）
18
7.2 传感器的信号获取方式
10
11
7.1.4 参比补偿型 为了消除环境条件变化如温度变化、电源电压波 动等对检测精度的影响，采用两个性能完全相同 的传感元件，其中一个传感元件感受被测量和环 境条件量，另一个只感受环境条件量而作为补偿 用，以达到消除或减小环境干扰的影响，这种组 合形式称为参比补偿型。 例如电阻应变式传感器构成参比补偿型时，则将 其两个(或两个以上)传感元件(一个为工作片，另 一个为补偿片)同时接到电桥电路的相邻两臂，就 能对温度、电源电压等变化的影响起到补偿或消 除作用。
y1 f1 ( x1, x2 ,, xn , u1, u2 , ur )
19
为使输入 x1 与输出 y1 一一对应，必须使 x1 以外的变量固定不变，或即使有变化，对 y1 也不产生影响或影响很小可以忽略。 换言之，必须确保传感器对信号具有良好的选择性。
20
7.2.1 固定方式 指在检测过程中把除被测量以外的其它影响输出 量的变量固定为恒值。 例，使用热电偶测温，首先应严格控制热电偶材 料的成分、纯度；测温过程中将其冷端温度固定 为冰点；将热电偶插入保护管内，避免环境条件 和周围气氛影响，使材料成分随时间变化为零。 又如，使用位移式传感器时，要求其传递位移部 分的机械结构应坚固，不允许有变形和挠曲。
16
17
功 能 力、压力转 换为 应变或位移 位 移
主 要
敏 感 元
件
弹性元件（有环式、梁式、圆柱式、膜片式、波纹膜片式、膜盒、波纹管、弹簧管）
电位器、电感、电容、差动变压器、电涡流线圈、容栅、磁栅、感应同步器、霍尔元 件、光栅、码盘、应变片、光纤、陀螺
力 敏
热 敏 光 敏 磁 敏 声 敏 射线敏
4
5
3
能量控制基本型 敏感元件与传感元件合二为一构成，但需用外加 电源才能将被测非电量转换成电压等电量输出。 典型例子：声表面波传感器、差动变压器式位移 传感器、感应同步器、离子敏场效应晶体管、电 化学电解电池传感器等。 特点是：需外加电源，输出能量可大于被测对象 所输入的能量。
6
7
7.1.2 电路参数型 由敏感元件、包含该敏感元件在内的信号调理电 路、电源组成。 特点：传感元件将输入非电信号转换为电阻抗参 数；电源向包含有传感元件的信号调理电路提供 能量，从而输出电压或电流，因此属于能量控制 (或称调制)型；输出能量远大于输入能量； 利用热平衡或传输现象中的二次效应的传感器均 属此类。第二章、第三章、第四章所述的传感器 基本上都属于电路参数型传感器，例如电阻应变 片、自感传感器、电涡流传感器、电容传感器、 气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。
31
7.3 提高传感器性能的若干技术途径
7.3.1 合理选择结构、材料与参数 应根据实际的、具体的测量需要，在确保实现主 要指标的前提下，放宽对次要指标的要求，提高 性能价格比。 在设计传感器时合理选择其结构、材料、参数是 保证其具有良好性能价格比的前提。 对于任何一种产品，设计阶段是其产品周期的起 点。假设某种缺陷在设计阶段及时发现可以用一 倍的代价弥补的话，那么在小批量试生产阶段才 发现该缺陷则需要十倍的代价去弥补，而在大批 量生产阶段要弥补该缺陷则将需要百倍的代价。
第7章 传感器的共性关键技术
7.1传感器的构成方法 7.2 7.3 7.4 7.5 传感器的信号获取方式 提高传感器性能的若干技术途径 传感器系统温度漂移的硬件补偿 采用数字化技术改进传感器系统的性能
7.6 传感器系统抗干扰技术 7.7 测量不确定度评定
1
7.1传感器的构成方法


传感器的构成方法，是研究如何用现有的传感原 理构成各种具体传感器的科学方法。通过敏感元 件、传感元件、信号调理电路之间的科学组合， 达到检测各种参数的目的。 7.1.1 基本型 在基本型中，敏感元件与传感元件合二为一。它 包括： 能量变换基本型 辅助能源型和 能量控制基本型
24
如果函数 f ( x1, x2 ) 可表达为
f ( x1, x2 ) a1 f1 ( x1 ) a2 f 2 ( x2 )
则
f 1 2 f 2 f x1 x1 , x2 x2 f x1 , x2 x2 x1 x1 2 x1 2 x1
1 2 f 2 f 2 f 2 2 2 x1 2 x1 x2 2 x2 2 x1 x1x2 x2
f 1 2 f 2 f x1 , x2 x2 f x1 , x2 x2 x2 2 x2 2 x2
21
7.2.2 补偿方式 在补偿方式中，利用被测量和干扰变量共同作用 的函数量和只有干扰变量作用的函数量之差或之 比来消除干扰变量对测量精度的影响。 相对于被测量，如果干扰变量的作用效果是相加 的，则取其差来进行补偿，如果是相乘的，则取 其比进行补偿。
22
设
x1 为被测量，相对于其基准值的变化量为 x1
x2 为干扰变量，相对于其基准值的变化量为 x2
则被测 x2 )
只有干扰变量作用的函数为
f ( x1, x2 x2 )
将它们分别在 、 2 x1 x附近展开，忽略高阶项
23
f f f x1 x1 , x2 x2 f x1 , x2 x1 x2 x1 x2

设传感器的输入变量为 x1, x2 ,, xn ，传感器内部 变量为 u1, u2 ,, ur ，传感器输出变量为 y1, y2 ,, ym
yi fi ( x1, x2 ,, xn , u1, u2 , ur )
式中 i 1,2,m 如果把 x1 作为被测信号， y1 作为与 x1 对应的输出信号，则
由上式可知，它消除了的
影响，达到了完全补偿 x2
往往将其中的一次项作为输出信号，二次项是输入 与输出之间的非线性项。
25
如果函数
f ( x1 , x2 ) 可表示为
f ( x1, x2 ) a1 f1 ( x1 ) f 2 ( x2 )
则取其比，此时其输出为
f x1 x1 , x2 x2 f1 x1 x1 f x1 , x2 x2 f1 x1
因此消除了干扰量
x2 的影响，得到完全的补偿
26
7.2.3 差动方式 在差动方式中，采用两个传感器，并使两个传感 器以相反方向感受被测量，一个在增大方向感受 被测量，另一个减小方向感受被测量，这两个传 感器对干扰量的感受方向却是相同的，输出信号 取两种函数之差。
f x1 x1, x2 x2 f x1 x1, x2 x2
8
9
7.1.3 多级变换型 利用各种敏感元件把被测非电量转换成某种可利 用的中间变换物理量，再通过传感元件、信号调 理电路，转换成便于测量的电量输出。 这种两级或两级以上的变换增加了设计的自由度， 可设计出测量各种非电参数、适应各种条件的传 感器。 可利用的中间变换物理量是指那些容易转换成电 学量的物理量，例如应变、位移、光强、热等。 多级变换型又分为能量变换型和能量控制型两类。 前者例子有压电式加速度传感器，后者如应变式 力传感器、电容式加速度传感器、霍尔式压力传 感器、光纤式加速度传感器等。
32
7.3.2 采用线性化技术 如果传感器具有线性输出特性，则可省略非线性 补偿环节，简化理论分析和设计计算，便于标定 和数据处理，便于刻度、制作、安装、调试，提 高精度。只有当传感器输出与输入具有线性关系 时，才能保证无失真的复现。 但实际上传感器的各种非线性因素是客观存在的， 在设计传感器时，人们需要通过各种方法来实现 输出——输入特性的线性化，以改善传感器的性 能。 在输入量变化范围不大、且非线性项方次不高时， 常用切线和割线来代替实际曲线的某一段，这种 方法称静态特性的线性化。