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怎样避开传感器电路噪声干扰 如何挑选购买传感器

时间:2020-07-21    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

电路设计是传感器是否优越的关键因素,由于传感器输出端都是很微小的信号,如果因为噪声导致有用的信号被淹没,那就得不偿失了,所以加强传感器电路的抗干扰设计尤为重要。在这之前,我们必须了解传感器电路噪声的来源,以便找出更好的方法来降低噪声。总的来说,传感器电路噪声主要有一下七种:

低频噪声
低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻,其碳质材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生变化引起电流的变化,产生类似接触不良的闪爆电弧。另外,晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声,其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近,也与晶体管的掺杂程度有关。

 

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引起累积在此区域的电荷数量改变,从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时,N 区的电子和 P 区的空穴向耗尽区运动,相当于对电容充电。当正向电压减小时,它又使电子和空穴远离耗尽区,相当于电容放电。当外加反向电压时,耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时,这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动,从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f 成正比。

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,电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动,因其是无序运动,故它的平均总电流为零,但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后,其内部的电流就会被放大成为噪声源,特别是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,如果电路的通频带为 1MHz,则呈现在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,但假设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。

电路板上的电磁元件的干扰
许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件,在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量,其能量会对周围的电路产生干扰。像继电器等元件其反复工作,通断电时会产生瞬间的反向高压,形成瞬时浪涌电流,这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击,从而严重干扰电路的正常工作。

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通过 BJT 内 3 个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中 rbb 所产生的噪声是主要的。
通常所说的 BJT 中的电流,只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目,在各个瞬时都不相同,因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动,会产生散粒噪声。
由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关,表现为发射极电流的起伏,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。

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。

集成电路的噪声
集成电路的噪声干扰一般有两种:一种是辐射式,一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至 100MHz 以上。在实验室中,可以用高频示波器(100MHz 以上)观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地引脚之间的波形,会看到噪声尖刺峰 - 峰值可达数百毫伏甚至伏级。


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。

称重仪表称重传感器使用维护注意事项

  称重仪表都属于精密仪器仪表一类,在安装、使用、维护上都必须按说明书中的要求去做,才能确保仪表的安全、正常、准确。否则可能导致仪表损坏,或缩短其使用寿命。

  称重仪表称重传感器使用维护注意事项以下几点;

  1.安装:一般应选择清洁、干燥、通风、温度适宜的环境放置仪表。仪表位置应固定,不要经常移动,否则可能导致信号电缆插头内部引线脱落而产生故障。

  2.电源:称重仪表大多使用220伏交流电源,电压允许变化范围一般为187伏---242伏。在变更电源线路后切记先要测量电压是否符合要求,才能给仪表通电。如果误把380伏电源通到仪表上可能会引起损坏。电源电压波动较大的场合应配备性能良好的稳压器(如CW型交流参数稳压器)来保证仪表的正常使用。不要与强干扰源(如电动机、电铃、日光灯)使用同一电源插座,以免仪表显示值不稳定。有的仪表(如HAWK表等)为交直流两用。在装入干电池使用时应注意,电池漏液会损坏仪表。长期不使用电池供电时,应取出电池。

  3.接地:称重仪表应连接独立且良好的接地线(接地电阻<4欧姆,接地引线应尽量地短)。接地线有双重作用:它既具有保护操作人员人身安全,同时也具有重要的抗干扰作用,能确保仪表稳定地工作,地线连接在仪表电源插座上,若把仪表地线接在公共的强电保护地线上,这样可能会对仪表产生电源干扰,使仪表显示值波动。应定期检查地线连接点是否接触良好。因为经过较长时间后,各连接点产生氧化,锈蚀等情况会使仪表实际上不起作用。

  4.防晒:应避免阳光直射在仪表黑色外壳上,否则有可能会使仪表工作环境超过额定温度范围而损坏。

  5.防水:一般情况下,仪表工作环境的湿度虽可达95%,但都规定不能产生结露。特殊的具有防水功能的不锈钢外壳仪表除外。

  6.防腐:腐蚀性物质不能渗进仪表内部,否则会对线路板上的器件和线路板本身产生腐蚀,时间一长,可能会使仪表报废。即使是具有防腐功能的仪表,如果封闭不严,也会有同样的结果。

  7.防雷击:电子衡器属于弱电系统,容易受到雷电的袭击而损坏部件。雷电主要从两个方面进入仪表:由电源线导入和由秤台经信号缆导入。在正常天气下,操作人员只要操纵电源开关即可,但在可能发生近距离雷击的情况下,必须拔下仪表电源插头及秤台信号电缆插头。可以采取防雷击措施,例如在仪表电源回路中增加防浪涌保护器等。

  8.防强电:220伏以上的电源火线意外地搭到秤台或利用秤台作地线,在秤台上进行电焊操作都有可能损坏仪表。

  9.清洁:在工业环境下,仪表外壳上会有积灰或受到污染,必须在断电情况下经常用湿抹布擦干净。但要注意不能用酒精等溶剂擦拭显示窗,这样会使透光性能变坏,显示模糊不清。

  10.防静电:一旦仪表损坏,就要送修。有的单位为了使来回传递的速度加快,喜欢把仪表的PCB板拆下来,用特快专递邮寄,这就产生一防静电的问题。取PCB板时要手持板的四角,切勿用手摸到有集成块引脚的地方。因为这样容易让静电击坏集成块。拆下的PCB板应立即装入屏蔽袋,在没有屏蔽袋的情况下可用普通报纸包好。如果随手把板放在高绝缘的桌面上就有可能损坏PCB板。在收到已修好的PCB板,需要重新装入仪表时,也同样要注意防静电。

  11.防震动:仪表运输时,可以放在原包装箱中,或采取合适的防震动措施。

  12.防爆:如果仪表使用在复合型或本安型防爆系统中,应遵循防爆的有关规定。

  13.职责:电子衡器是一种比较先进的称重系统,应由经过培训的人员专门负责操作和维护。目前大部分称重仪表都通过软件上的参数设定和校正来确定衡器的功能及性能。一旦这些参数被随意更改,就可能影响称量的准确性及功能(如不打印或不通讯等)。所以,确定操作人员和维护人员各自的职责也是十分重要的

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