第8章传感器的补偿和抗干扰技术

8.2.1 干扰的分类
2. 内部干扰
（2）电源干扰 • 导致电源电路产生干扰的因素有：供给该系统的供电线路上有大 功率电器的频繁启动、停机；具有容抗或感抗负载的电器运行时 对电网的能量回馈；通过变压器的初级、次级线圈之间的分布电 容串入的电磁干扰等。
8.2.1 干扰的分类
2. 内部干扰 （3）信号通道干扰
8.1.2
温度误差及补偿
1. 温度补偿原理 设被测物理量为x，环境温度为T，则传感器的输出y为 （8-3） 式（8-3）表明，传感器的输出不仅与被测量有关，还与环境温度有关。 如果传感器的输出y与被测量x为非线性关系，其函数式为 y=A0(T)+A1(T)x+A2(T)x2+….+ An(T)xn （8-4） 则传感器的温度灵敏度ST为 dA (T ) dA1 (T ) dA (T ) n ST 0 x ... n x dT dT dT （8-5） 若忽略x的高次项，则ST可简化为 dA (T ) dA1 (T ) ST 0 x （8-6） dT dT 若要消除温度对传感器的影响，必须满足 dA (T ) 0 0 （8-7） dT
温度误差及补偿
人为地附加一个温度补偿环节，如图8-5所示。该补偿环节与被补偿环 节并行相连，使补偿后的合成输出特性基本不随环境温度而变。 图中被补偿部分输出特性为 补偿部分输出特性为 y=A0(T)+A1(T)x y′=A0′(T)+A1′(T)x
T x y′ y=A0(T)+A1(T)x y y1
8.1 传感器的补偿技术
8.1.2 温度误差及补偿 一般传感器都是在标准条件的温度下(20℃±5℃)标定 的，但其实际工作环境温度可能由零下几十度变到零 上几十度，传感器是由多个环节所组成，这些基本环 节的静特性与环境温度有关，尤其是由金属材料和半 导体材料制成的敏感元件的静特性，更是与温度有密 切关系，信号调整电路的电阻、电容、二极管和三极 管的特性、集成运放的零点及工作特性等都随温度而 变化。
8.1 传感器的补偿技术
8.1.1 非线性误差及补偿
大多数传感器在把物理量转换成电量时，其输出电量与被测物 理量之间的关系不是线性的。产生非线性的原因，一方面是由 于传感器变换原理的非线性；另一方面是由于转换电路的非线 性。同时，传感器具有离散性，还可能产生温漂、滞后等。 为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，除了对传 感器本身在设计和制造工艺上采取一定措施外，还可以利用后 部电路对其输入参量进行非线性补偿。
8.1.1 非线性误差及补偿
1.硬件非线性补偿 （1）模拟式线性化器 模拟式线性化电路常用的方法就是利用非线性函数放大器，它 的实质就是一种增益不是常数，而与输入成某种函数关系的特 殊放大器。
Rf2 R2 E2
R1 A
Rf1
D2
e0 e03 e02 e01
D3 R1 Rf3 (a)
E3 R3
o
R1
第二折线段（e01～e02），此时e02﹥e01，所以运算放大器的输出电压高 于E2，但低于E3，故D2导通，D3不导通，所以反馈电阻为Rf1//Rf2，此时 放大倍数为 R // R
K2
f1
f2
R1

第三折线段（e02～e03），此时e03﹥e02，所以运算放大器的输出电压 高于E2、E3，D2、D3均导通，此时除负反馈电阻Rf1//Rf2接入外，正反馈 电阻Rf3也接接入，故此时放大倍数为 ( R // R )( R R )
yi ( xi xk 1 )( xi xk 2 ) ( xi xk )( xi xi 2 ) ( xi xk )( xi xk 1 ) yk yk 1 yk 2 ( xk xk 1 )( xk xk 2 ) ( xk 1 xk )( xk 1 xk 2 ) ( xk 2 xk )( xk 2 xk 1 )
x 传感器 y A/D 转换器 Y CPU Z=f(Y) Z 显示器
图8-3 校正函数法原理示意图
8.1.1 非线性误差及补偿
2.软件非线性补偿 （2）查表法 查表法就是把事先计算好的校正值按一定顺序制成表格，存入 内存单元，然后CPU利用查表程序根据被测量的大小查出被校正后 的结果。 查表程序与制表的方法有关。当表格的排列是任意的，无一定 规律或表格较小时，可采用顺序查表法；当表格的排列有一定规 律时，可采用计算查表法或对分搜索查表法。 在实际测量时，输入参量往往并不正好与表格数据相等，一般 介于某两个表格数据之间，若不作插值计算，仍然按其最相近的 两个数据所对应的输出数值作为结果，必然有较大的误差。
R R R R
1 3 2
U
4
可见，为了达到电桥的温度补偿，电桥四个桥臂电阻在 满足桥路平衡条件R1R3=R2R4之外，还应该满足式（89）。 应变片采用的线路补偿法修正温度误差就是电桥温度补 偿法的典型应用。
8.1.2
2. 温度补偿方法 （3）并联式温度补偿法

响传感器的正常工作；采用品闸管进行相位控制会增加电源电流的无功
分量，降低电源电压，使之在相位调节时出现电源电压波动；晶闸管作 为大功率开关器件在触发导通和关断时电流变化剧烈，使干扰通过电源 线和空间传播，影响周围的设备的正常工作。
8.2.1 干扰的分类
8.1.1 非线性误差及补偿
2.软件非线性补偿 采用软件实现数据线性化，常用有三种方法：校正函数法、查 表法和插值法。 （1）校正函数法 在图8-3中，被测物理量x经传感器转换成电信号y，由于传感器 的非线性，所以y与x是非线性关系。A/D转换器是一种线性转换， 可知Y与x仍是非线性关系。如果有一个非线性函数f,令Z=f(Y)， 能够满足Z=kx，即Z与x是线性关系，那么函数f就是该传感器的校 正函数。校正函数的运算不是由硬件实现，而是由CPU来完成。
y f ( x, T )
式（8-7）就是传感器的温度补偿条件。
dA1 (T ) 0 dT
8.1.2
2. 温度补偿方法
（1）自补偿法
温度误差及补偿
自补偿就是利用传感器本身的一些特殊结构来满足传感器的温度补偿条件，
已达到消除温度对传感器的影响。组合式温度自补偿应变片就是利用两种 不同的电阻丝栅串联制成一个应变片。当温度变化时，两段电阻丝各自产
生大小相等、方向相反的电阻增量，从而实现温度的补偿。
8.1.2
2. 温度补偿方法 （2）电桥温度补偿法
温度误差及补偿
R1
R2
根据不平衡电桥输出表达式，得到电桥的温度补偿条件 为 R1 R3 R2 R4
UO


R1

R3

R2

R4
（8-8）
（8-9）
R4
R3
将式（8-8）两边除以ΔT后，得到

y′=A0′(T)+A1′(T)x
可见，为了达到温度补偿的目的，应按照下列条件选择温度补偿环节 dA0 (T ) dA0 ' (T ) 的参数
dT dT dA1 (T ) dA1' (T ) dT dT
图8-5 并联式温度补偿
（8-11）
从式（8-10）可以看出，如果令A1(T)= A1′(T)，则测量灵敏度可以提 高一倍。
K3
f1
f2
1
f3
R f 3 ( R f 1 // R f 2 ) R1
8.1.1 非线性误差及补偿
1.硬件非线性补偿 （2）查表法线性化 查表法线性化方法属于数字线性化。它是将被测信号通过A/D转换后得到的 数字量作为EPROM的地址，去选取事先编在EPROM中的数据，而存放在EPROM 中的数据才是对应于被测信号的真实数字量。
8.1.1 非线性误差及补偿
传感器非线性补偿的方法大体上可划分为硬件非线性 补偿和软件非线性补偿两类。
1.硬件非线性补偿 （1）模拟式线性化器 模拟式线性化器的基本思想是将传感器的非线性的特性曲线划分成 若干段，每小段的曲线都用直线来近似代替，然后用折线去逼近 原来的曲线，再根据各转折点的斜率设计电路。这种方法就是分 段直线逼近法，采用这种方法，分段越多，精度越高，但是电路 也越复杂。
8.2 传感器的抗干扰技术
8.2.1 干扰的分类
1. 外部干扰 （1）电磁干扰
（2）射线辐射干扰
（3）光干扰 （4）热干扰
（5）湿度干扰
（6）机械干扰 （7）化学干扰
8.2.1 干扰的分类
2. 内部干扰
（1）元器件干扰
• 电阻器 ：电阻工作在额定功率的一半以上时，会产生热噪声；电阻材质较差， 则会产生电流噪声；电位器因触点移动产生的滑动噪声；工作在交流信号下的
实用传感器技术教程
1
2014-5-24
第8章传感器的补偿和抗干扰技术
1.2 8.1
8.1.1
传感器的补偿技术 非线性误差及补偿
8.1.2
8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3
温度误差及补偿
传感器的抗干扰技术 干扰的分类 干扰的耦合方式 抑制干扰的措施
在实际测量中，有两个影响传感器系统测量精度的重要因素， 一是传感器的非线性特性；二是检测元件和电路受温度变化的 影响。因此，为了保证传感器在实际应用中准确、可靠地工作， 有必要对影响传感器测量精度的非线性和温度误差进行相应的 补偿。 由于传感器的工作环境都是非常复杂的，各种干扰信息也会通 过不同的耦合方式进入传感器，使测量结果偏离准确值，严重 时会使传感器不能正常工作，甚至导致传感器的损坏。因此， 为保证传感器不受外界干扰，必须要周密地考虑和解决抗干扰 问题，认真研究抗干扰技术，把干扰对测量的影响降到最低的 程度。
EI Us
Ri
Z2
ZI
Us
Z1
Ri
Rs
UN
图8-6 差模干扰等效电路
图8-7 共模干扰等效电路
8.2.1 干扰的分类
2. 内部干扰 （4）负载干扰 • 继电器与电磁阀均是开关型动作的执行器件。它们在断开时，电感线圈 会产生放电和电弧干扰；闭合时，由于触点的机械抖动，形成脉冲序列
干扰。
• 应用晶闸管时所产生的干扰影响有：晶闸管整流装臵是电源的非线性负 载，它使电源电流中含有许多高次谐波，使电源电压波形产生畸变，影
电阻器会呈现电感或电容特性。
• 电容器 ：没有根据电路要求合理选择型号；忽视电容器的精度；忽视电容器的 等效电感；忽略电容器的使用环境温度和湿度等。 • 电感器 ：忽视了电感线圈的分布电容（线匝之间、线圈与地之间、线圈与屏蔽 完之间以及线圈中每层之间）。 • 信号连接器 ：接触不良，增加了接触阻抗；绝缘电阻不足，产生“爬电”现象； 缺乏屏蔽手段，引入电磁干扰；接插件相邻两脚的分布电容过大；接插件的插 头与插座之间缺乏固定连接措施；接插件的材质等。
8.1.1 非线性误差及补偿
2.软件非线性补偿 （3）插值法
y
1）线性插值法
yk yk 1 yi yk 1 ( xi xk 1 ) xk xk 1
yn yi yi-1 y2 y1 y0
o
x0 x1 x2
xi-1 xi
xn
x
图8-4线性插值法进行非线性补偿示意图
2）二次插值法(又称抛物线法)
e1
e2
(b)
e3
e
图8-1 K型热电偶非线性补偿电路原理
8.1.1 非线性误差及补偿
1.硬件非线性补偿 （1）模拟式线性化器 补偿电路工作过程如下： 第一折线段（o～e01），因输入电压较低，所以输出电压低于E2、E3，所 以D2、D3不导通，反馈电阻为Rf1，此时放大倍数为 R
K1
f1

由图可以得到总输出y1与输入x、温度T的增量表达式△y1 ' y1 y y （8-10） ' ' dA (T ) dA0 (T ) dA1 (T ) dA1 (T ) 0 A1 (T ) A1' (T ) T x T x dT dT dT dT
Ux
A/D 转换器 锁存器 EPROM 译码 驱动 显示器
图8-2 查表法线性化硬件框图
图8-2为查表法线性化硬件原理框图。输入信号Ux经A/D转换后输出的数字 量由锁存器锁存，被锁存的数据作为存储器的地址访问EPROM，EPROM相应 地址单元中存放的表格数据被取出，经译码后驱动显示器显Βιβλιοθήκη Baidu出测量结果。