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传感器电路内部的七大噪声源 传感器维修保养

时间:2020-06-02    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

电路设计是传感器性能能否的关键要素,由于温湿度传感器输出端是微小的信号,假如由于噪声招致有用的信号被吞没,所以增强传感器电路的抗干扰性突出。我们需理解传感器电路噪声的来源,以便找出好的办法来降低噪声。传感器电路噪声一般有如下七种:

1、低频噪声,

低频噪声是由内部的导电微粒不连续运动形成的。是碳膜电阻,其碳质资料内部存在许多微小颗粒,颗粒之间是不连续的,在电流流过时,会使电阻的导电率发作变化惹起电流的变化,产生相似接触不良的闪爆电弧。晶体管也产生过类似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产活力理与电阻中微粒的不连续性相近,也与晶体管的掺杂水平有关。

2、半导体器件产生的散粒噪声

由于半导体PN结两端势垒区电压的变化,导致累积在此区域的电荷数量改动,从而出现电容效应。当外加正向电压升高时,N区的电子和P区会向耗尽区运动,相当于对电容充电。当正向电压小时,它使电子和空穴远离耗尽区,相当于电容放电。外加反向电压时,耗尽区变化相反。当电流流经势垒区,这种变化会惹起流过势垒区的电流产生微小动摇,而产生电流噪声。产生的噪声大小与温度、频带宽度△f成正比。

3、高频热噪声

高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高,电子运动就越剧烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部构成很多微小的电流动摇,因其是无序运动,故它的均匀总电流为零,但当它作为一个元件(或作为电路的一局部)被接入放大电路后,其内部的电流就会被放大成为噪声源,对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。

通常在工频内,电路的热噪声与通频带成正比,通频带越宽,电路热噪声的影响就越大。以一个1kΩ的电阻为例,假如电路的通频带为1MHz,则呈如今电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。看起来噪声的电动势并不大,但假定将其接入一个增益为106倍的放大电路时,其输出噪声可达4V,这时对电路的干扰就很大了。

4、晶体管的噪声

晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。

热噪声是由于载流子不规则的热运动经过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中温湿度变送器所产生的噪声是主要的。

通常所说的BJT中的电流,只是一个均匀值。实践上经过发射结注入到基区的载流子数目,在各个瞬时不相同,因此发射电流或集电流都有无规则的动摇,会产生散粒噪声。

由于半导体资料及制造工艺程度使得晶体管外表清洁处置不好而惹起的噪宣称为闪烁噪声。它与半导体外表少数载流子的复合有关,表现为发射电流的起伏,其电流噪声谱密度与频率近似成反比,又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。

5、电阻器的噪声

电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻自身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻,可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。寄生电容为0.1~0.5pF,寄生电感为5~8nH。在频率高于1MHz时,这些寄生电感电容就不可无视了。

电阻都产生热噪声,一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时,在频带B内所产生的热噪声电压式中:k为玻尔兹曼常数;T是温度(单位:K)。热噪声电压自身是一个非周期变化的时间函数,它的频率范围是很宽广。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。

电阻产生接触噪声,接触噪声电压式中:I为流过电阻的电流均方值;f为频率;k是与资料几何外形有关的常数。因为Vc在低频段起着重要的作用,所以它是低频传感器的主要噪声源。

    在了解压阻式力传感器时,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。

    电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。

 

    电阻应变片应用较多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

    通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。

    这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。

    金属电阻应变片的内部结构

    电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。

    根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:

    阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。

    而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

    电阻应变片的工作原理

    金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:

    式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm2/m)

    S——导体的截面积(cm2)

    L——导体的长度(m)

    我们以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时;

    其长度和截面积都会发生变化,从上式中可很容易看出,其电阻值即会发生改变;

    假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减少,电阻值便会增大。

    当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增加,电阻值则会减小。

    只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得应变金属丝的应变情况。

    陶瓷压力传感器原理及应用

    抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥(闭桥);

    由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。

    通过激光标定,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带温度补偿0~70℃,并可以和绝大多数介质直接接触。

    陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

    陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。

    电气绝缘程度>2kV,输出信号强,长期稳定性好。

    高特性,低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势,在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

如何正确选择红外温度传感器

    选择红外温度传感器主要从性能指标和环境和工作条件两方面来加以考虑。其中性能指标又包括温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等;环境和工作条件则包括环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等。其它你也可以将使用方便、维修和校准性能以及价格等方面因素进行综合比较。随着红外技术和不断发展,用户对红外传感器有很多种选择。

    一、工作条件和使用环境

    1、红外温度传感器的工作条件。环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等都是选购时需要考虑的问题。这些和仪器的保养、维修等密切相关。

    2、传感器使用的环境也决定了你可以选择何种红外温度传感器。比如双色温度传感器更适用于烟雾、灰尘等环境下,而光纤双色温度传感器则更适用于噪声、电磁场、震动或难以接近环境中。

    二、光学分辨率由D与S之比确定,是传感器到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比。如果传感器由于环境条件限制必须安装在远离目标之处,而又要测量小的目标,就应选择高光学分辨率的传感器。光学分辨率越高,即增大D:S比值,测温仪的成本也越高。

    三、响应时间表示红外温度传感器对被测温度变化的反应速度,定义为到达最后读数的95%能量所需要时间,它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。新型红外温度传感器响应时间可达1ms。这要比接触式测温方法,快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时,要选用快速响应红外温度传感器,否则达不到足够的信号响应,会降低测量精度。然而,并不是所有应用都要求快速响应的红外温度传感器。对于静止的或目标热过程存在热惯性时,测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此,红外温度传感器响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。

    四、信号处理功能:

    测量离散过程(如零件生产)和连续过程不同,要求红外温度传感器有信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。如测温传送带上的玻璃时,就要用峰值保持,其温度的输出信号传送至控制器内。

    五、环境条件考虑

    温度传感器所处的环境条件对测量结果有很大影响,应加以考虑、并适当解决,否则会影响测温精度甚至引起测温仪的损坏。当环境温度过高、存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下,可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪,实现准确测温。在确定附件时,应尽可能要求标准化服务,以降低安装成本。调查烟雾、灰尘或其他颗粒降低测量能量信号,双色温度传感器是较佳选择。在噪声、电磁场、震动或难以接近环境条件下,或其他恶劣条件下,光纤双色温度传感器是较佳选择。

    六、确定测温范围

    测温范围是传感器重要的一个性能指标,每种型号的传感器都有自己特定的测温范围。因此,用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全,既不要过窄,也不要过宽。根据黑体辐射定律,在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化,因此,测温时应尽量选用短波较好。

    七、确定目标尺寸

    红外温度传感器根据原理可分为单色温度传感器和双色温度传感器。对于单色温度传感器,在进行测温时,被测目标面积应充满传感器视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场,背景辐射能量就会进入传感器的视声符支干扰测温读数,造成误差。相反,如果目标大于测温仪的视场,测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。

    八、确定波长范围

    目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长。对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。在高温区,测量金属材料的较佳波长是近红外,可选用0.18-1.0μm波长。其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。由于有些材料在一定波长是透明的,红外能量会穿透这些材料,对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用10μm、2.2μm和3.9μm(被测玻璃要很厚,否则会透过)波长;测量玻璃内部温度选用5.0μm波长;测低区区选用8-14μm波长为宜;再如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm波长,聚醋类选用4.3μm或7.9μm波长。厚度超过0.4mm选用8-14μm波长;又如测火焰中的C02用窄带4.24-4.3μm波长,测火焰中的C0用窄带4.64μm波长,测量火焰中的N02用4.47μm波长。

标签: 红外温度传感器
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