模擬感測器

模擬感測器的套用非常廣泛，不論是在工業、農業、國防建設，還是在日常生活、教育事業以及科學研究等領域，處處可見模擬感測器的身影。

基本介紹

• 中文名：模擬感測器
• 作用：工業、農業、國防建設
• 方式：抗干擾方法
• 國家：中國

抗干擾方法

在模擬感測器的設計和使用中，都有一個如何使其測量精度達到最高的問題。而眾多的干擾一直影響著感測器的測量精度，如：現場大耗能設備多，特別是大功率感性負載的啟停往往會使電網產生幾百伏甚至幾千伏的尖脈衝干擾；工業電網欠壓或過壓（涉縣鋼鐵廠供電電壓在160V～310V波動），常常達到額定電壓的35%左右，這種惡劣的供電有時長達幾分鐘、幾小時，甚至幾天；各種信號線綁紮在一起或走同一根多芯電纜，信號會受到干擾，特別是信號線與交流動力線同走一個長的管道中干擾尤甚；多路開關或保持器性能不好，也會引起通道信號的竄擾；空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會干擾感測器的正常工作；此外，現場溫度、濕度的變化可能引起電路參數發生變化，腐蝕性氣體、酸鹼鹽的作用，野外的風沙、雨淋，甚至鼠咬蟲蛀等都會影響感測器的可靠性。模擬感測器輸出的一般都是小信號，都存在小信號放大、處理、整形以及抗干擾問題，也就是將感測器的微弱信號精確地放大到所需要的統一標準信號(如1VDC～5VDC或4 mADC～20mADC)，並達到所需要的技術指標。這就要求設計製作者必須注意到模擬感測器電路圖上未表示出來的某些問題，即抗干擾問題。只有搞清楚模擬感測器的干擾源以及干擾作用方式，設計出消除干擾的電路或預防干擾的措施，才能達到套用模擬感測器的最佳狀態。

主要干擾源

感測器及儀器儀表在現場運行所受到的干擾多種多樣，具體情況具體分析，對不同的干擾採取不同的措施是抗干擾的原則。這種靈活機動的策略與普適性無疑是矛盾的，解決的辦法是採用模組化的方法，除了基本構件外，針對不同的運行場合，儀器可裝配不同的選件以有效地抗干擾、提高可靠性。在進一步討論電路元件的選擇、電路和系統套用之前，有必要分析影響模擬感測器精度的干擾源及干擾種類。

靜電感應

靜電感應是由於兩條支電路或元件之間存在著寄生電容，使一條支路上的電荷通過寄生電容傳送到另一條支路上去，因此又稱電容性耦合。

電磁感應

當兩個電路之間有互感存在時，一個電路中電流的變化就會通過磁場耦合到另一個電路，這一現象稱為電磁感應。例如變壓器及線圈的漏磁、通電平行導線等。

漏電流感應

由於電子線路內部的元件支架、接線柱、印刷電路板、電容內部介質或外殼等絕緣不良，特別是感測器的套用環境濕度較大，絕緣體的絕緣電阻下降，導致漏電電流增加就會引起干擾。尤其當漏電流流入測量電路的輸入級時，其影響就特別嚴重。

射頻干擾

主要是大型動力設備的啟動、操作停止的干擾和高次諧波干擾。如可控矽整流系統的干擾等。

其他干擾

現場安全生產監控系統除了易受以上干擾外，由於系統工作環境較差，還容易受到機械干擾、熱干擾及化學干擾等。

干擾的種類

差模干擾

差模干擾是指干擾信號的侵入在往返2條線上是一致的。差模干擾來源一般是周圍較強的交變磁場，使儀器受周圍交變磁場影響而產生交流電動勢形成干擾，這種干擾較難除掉。

共模干擾

共模干擾是指干擾信號在2條線上各流過一部分，以地為公共迴路，而信號電流只在往返2個線路中流過。共模干擾的來源一般是設備對地漏電、地電位差、線路本身具有對地干擾等。由於線路的不平衡狀態，共模干擾會轉換成常模干擾，就較難除掉了。

長時干擾

長時干擾是指長期存在的干擾，此類干擾的特點是干擾電壓長期存在且變化不大，用檢測儀表很容易測出，如電源線或鄰近動力線的電磁干擾都是連續的交流50 Hz工頻干擾。

瞬時干擾

意外瞬時干擾主要在電氣設備操作時發生，如合閘或分閘等，有時也在伴隨雷電發生或無線電設備工作瞬間產生。

干擾可粗略地分為3個方面：

（a）局部產生（即不需要的熱電偶）；

（b）子系統內部的耦合(即地線的路徑問題)；

（c）外部產生（Bp電源頻率的干擾）。

干擾現象

在套用中，常會遇到以下幾種主要干擾現象：

（1）發指令時，電機無規則地轉動；

（2）信號等於零時，數字顯示錶數值亂跳；

（3）感測器工作時，其輸出值與實際參數所對應的信號值不吻合，且誤差值是隨機的、無規律的；

（4）當被測參數穩定的情況下，感測器輸出的數值與被測參數所對應的信號數值的差值為一穩定或呈周期性變化的值；

（5）與交流伺服系統共用同一電源的設備(如顯示器等)工作不正常。

干擾進入定位控制系統的渠道主要有兩類：信號傳輸通道干擾，干擾通過與系統相聯的信號輸入通道、輸出通道進入；供電系統干擾。

信號傳輸通道是控制系統或驅動器接收反饋信號和發出控制信號的途徑，因為脈衝波在傳輸線上會出現延時、畸變、衰減與通道干擾，所以在傳輸過程中，長線的干擾是主要因素。任何電源及輸電線路都存在內阻，正是這些內阻才引起了電源的噪聲干擾，如果沒有內阻，無論何種噪聲都會被電源短路吸收，線路中也不會建立起任何干擾電壓；此外，交流伺服系統驅動器本身也是較強的干擾源，它可以通過電源對其它設備進行干擾。

抗干擾措施

供電系統

對感測器、儀器儀表正常工作危害最嚴重的是電網尖峰脈衝干擾，產生尖峰干擾的用電設備有：電焊機、大電機、可控機、繼電接觸器、帶鎮流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等。尖峰干擾可用硬體、軟體結合的辦法來抑制。

（1）用硬體線路抑制尖峰干擾的影響

常用辦法主要有三種：

①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設計的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性；

②在儀器交流電源輸入端加超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈衝；

③在儀器交流電源的輸入端並聯壓敏電阻，利用尖峰脈衝到來時電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。

（2）利用軟體方法抑制尖峰干擾 　

對於周期性干擾，可以採用編程進行時間濾波，也就是用程式控制可控矽導通瞬間不採樣，從而有效地消除干擾。

（3）採用硬、軟體結合的看門狗（watchdog）技術抑制尖峰脈衝的影響

軟體：在定時器定時到之前，CPU訪問一次定時器，讓定時器重新開始計時，正常程式運行，該定時器不會產生溢出脈衝，watchdog也就不會起作用。一旦尖峰干擾出現了“飛程式”，則CPU就不會在定時到之前訪問定時器，因而定時信號就會出現，從而引起系統復位中斷，保證智慧型儀器回到正常程式上來。

（4）實行電源分組供電

例如：將執行電機的驅動電源與控制電源分開，以防止設備間的干擾。

（5）採用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅動器對其它設備的干擾。

該措施對以上幾種干擾現象都可以有效地抑制。

（6）採用隔離變壓器

考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是靠初、次級寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初、次級之間均用禁止層隔離，減少其分布電容，以提高抵抗共模干擾能力。

（7）採用高抗干擾性能的電源

如利用頻譜均衡法設計的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機干擾非常有效，它能把高尖峰的擾動電壓脈衝轉換成低電壓峰值（電壓峰值小於TTL電平）的電壓，但干擾脈衝的能量不變，從而可以提高感測器、儀器儀表的抗干擾能力。

信號傳輸通道

（1）光電耦合隔離措施

在長距離傳輸過程中，採用光電耦合器，可以將控制系統與輸入通道、輸出通道以及伺服驅動器的輸入、輸出通道切斷電路之間的聯繫。如果在電路中不採用光電隔離，外部的尖峰干擾信號會進入系統或直接進入伺服驅動裝置，產生第一種干擾現象。

光電耦合的主要優點是能有效地抑制尖峰脈衝及各種噪聲干擾，使信號傳輸過程的信噪比大大提高。干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度，但是能量很小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發光二極體是在電流狀態下工作的，一般導通電流為10mA～15mA，所以即使有很大幅度的干擾，這種干擾也會由於不能提供足夠的電流而被抑制掉。

（2）雙絞禁止線長線傳輸

信號在傳輸過程中會受到電場、磁場和地阻抗等干擾因素的影響，採用接地禁止線可以減小電場的干擾。雙絞線與同軸電纜相比，雖然頻帶較差，但波阻抗高，抗共模噪聲能力強，能使各個小環節的電磁感應干擾相互抵消。另外，在長距離傳輸過程中，一般採用差分信號傳輸，可提高抗干擾性能。採用雙絞禁止線長線傳輸可以有效地抑制前文提到的干擾現象中的（2）、（3）、（4）種干擾的產生。

局部誤差消除

在低電平測量中，對於在信號路徑中所用的(或構成的)材料必須給予嚴格的注意，在簡單的電路中遇到的焊錫、導線以及接線柱等都可能產生實際的熱電勢。由於它們經常是成對出現，因此儘量使這些成對的熱電偶保持在相同的溫度下是很有效的措施，為此一般用熱禁止、散熱器沿等溫線排列或者將大功率電路和小功率電路分開等辦法，其目的是使熱梯度減到最小兩個不同廠家生產的標準導線(如鎳鉻一康銅線)的接點可能產生0.2mV/℃的溫漂，這相當於高精度低漂移的運放管(OP·27CP)的溫漂，是斬波放大器(7650CPA)溫漂的兩倍。雖然採用插座開關、接外掛程式、繼電器等形式能使更換電器元件或組件方便一些，但缺點是可能產生接觸電阻、熱電勢或兩者兼而有之，其代價是增加低電平分辨力的不穩定性，也就是說它比直接連線系統的分辨力要差、精度要低、噪聲增加、可靠性降低。因此，在低電平放大中儘可能地不使用開關、接外掛程式是減少故障、提高精度的重要措施。

地磅感測器

地磅模擬感測器的優點就是價格便宜點，其它方面自從有了數字感測器在沒有什麼優點可言。 可了解一下數字感測器的優點：

1、先進的A/D轉換技術和智慧型濾波算法，在滿量程的情況下仍可保證輸出碼的穩定。

2、可行的數據存儲技術，保證模組參數不會丟失。

3、良好的電磁兼容性能。

4、感測器的性能參數採用數位化誤差補償技術和高度集成化電子元件，用軟體實現感測器的線性、零點、額定輸出溫漂、蠕變等性能參數的綜合補償，消除了人為因素對補償的影響，大大提高了感測器綜合精度和可靠性。

5、感測器的輸出一致性誤差可以達到0.02%以內甚至更高，感測器的特性參數可完全相同，因而具有良好的互換性。

6、採用A/D轉換電路、數位化信號傳輸和數字濾波技術，感測器的抗干擾能力增加，信號傳輸距離遠，提高了感測器的穩定性。

7、數字感測器能自動採集數據並可預處理、存儲和記憶，具有唯一標記，便於故障診斷。

8、感測器採用標準的數字通訊接口，可直接連入計算機，也可與標準工業控制匯流排連線，方便靈活。