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傳感器電路內(nèi)部的七大噪聲源 傳感器維修保養(yǎng)

時(shí)間：2020-06-02    來(lái)源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     

電路設(shè)計(jì)是傳感器性能能否的關(guān)鍵要素，由于溫濕度傳感器輸出端是微小的信號(hào)，假如由于噪聲招致有用的信號(hào)被吞沒(méi)，所以增強(qiáng)傳感器電路的抗干擾性突出。我們需理解傳感器電路噪聲的來(lái)源，以便找出好的辦法來(lái)降低噪聲。傳感器電路噪聲一般有如下七種：

1、低頻噪聲，

低頻噪聲是由內(nèi)部的導(dǎo)電微粒不連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成的。是碳膜電阻，其碳質(zhì)資料內(nèi)部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續(xù)的，在電流流過(guò)時(shí)，會(huì)使電阻的導(dǎo)電率發(fā)作變化惹起電流的變化，產(chǎn)生相似接觸不良的閃爆電弧。晶體管也產(chǎn)生過(guò)類(lèi)似的爆裂噪聲和閃爍噪聲，其產(chǎn)活力理與電阻中微粒的不連續(xù)性相近，也與晶體管的摻雜水平有關(guān)。

2、半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲

由于半導(dǎo)體PN結(jié)兩端勢(shì)壘區(qū)電壓的變化，導(dǎo)致累積在此區(qū)域的電荷數(shù)量改動(dòng)，從而出現(xiàn)電容效應(yīng)。當(dāng)外加正向電壓升高時(shí)，N區(qū)的電子和P區(qū)會(huì)向耗盡區(qū)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)電容充電。當(dāng)正向電壓小時(shí)，它使電子和空穴遠(yuǎn)離耗盡區(qū)，相當(dāng)于電容放電。外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)變化相反。當(dāng)電流流經(jīng)勢(shì)壘區(qū)，這種變化會(huì)惹起流過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電流產(chǎn)生微小動(dòng)搖，而產(chǎn)生電流噪聲。產(chǎn)生的噪聲大小與溫度、頻帶寬度△f成正比。

3、高頻熱噪聲

高頻熱噪聲是由于導(dǎo)電體內(nèi)部電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。溫度越高，電子運(yùn)動(dòng)就越劇烈。導(dǎo)體內(nèi)部電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)在其內(nèi)部構(gòu)成很多微小的電流動(dòng)搖，因其是無(wú)序運(yùn)動(dòng)，故它的均勻總電流為零，但當(dāng)它作為一個(gè)元件(或作為電路的一局部)被接入放大電路后，其內(nèi)部的電流就會(huì)被放大成為噪聲源，對(duì)工作在高頻頻段內(nèi)的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

通常在工頻內(nèi)，電路的熱噪聲與通頻帶成正比，通頻帶越寬，電路熱噪聲的影響就越大。以一個(gè)1kΩ的電阻為例，假如電路的通頻帶為1MHz，則呈如今電阻兩端的開(kāi)路電壓噪聲有效值為4μV(設(shè)溫度為室溫T=290K)?？雌饋?lái)噪聲的電動(dòng)勢(shì)并不大，但假定將其接入一個(gè)增益為106倍的放大電路時(shí)，其輸出噪聲可達(dá)4V，這時(shí)對(duì)電路的干擾就很大了。

4、晶體管的噪聲

晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲。

熱噪聲是由于載流子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)BJT內(nèi)3個(gè)區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線(xiàn)電阻時(shí)而產(chǎn)生。其中溫濕度變送器所產(chǎn)生的噪聲是主要的。

通常所說(shuō)的BJT中的電流，只是一個(gè)均勻值。實(shí)踐上經(jīng)過(guò)發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個(gè)瞬時(shí)不相同，因此發(fā)射電流或集電流都有無(wú)規(guī)則的動(dòng)搖，會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲。

由于半導(dǎo)體資料及制造工藝程度使得晶體管外表清潔處置不好而惹起的噪宣稱(chēng)為閃爍噪聲。它與半導(dǎo)體外表少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱(chēng)1/f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)范圍起主要作用。

5、電阻器的噪聲

電阻的干擾來(lái)自于電阻中的電感、電容效應(yīng)和電阻自身的熱噪聲。例如一個(gè)阻值為R的實(shí)芯電阻，可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯(lián)。寄生電容為0.1～0.5pF，寄生電感為5～8nH。在頻率高于1MHz時(shí)，這些寄生電感電容就不可無(wú)視了。

電阻都產(chǎn)生熱噪聲，一個(gè)阻值為R的電阻(或BJT的體電阻、FET的溝道電阻)未接入電路時(shí)，在頻帶B內(nèi)所產(chǎn)生的熱噪聲電壓式中：k為玻爾茲曼常數(shù);T是溫度(單位：K)。熱噪聲電壓自身是一個(gè)非周期變化的時(shí)間函數(shù)，它的頻率范圍是很寬廣。所以寬頻帶放大電路受噪聲的影響比窄頻帶大。

電阻產(chǎn)生接觸噪聲，接觸噪聲電壓式中：I為流過(guò)電阻的電流均方值;f為頻率;k是與資料幾何外形有關(guān)的常數(shù)。因?yàn)閂c在低頻段起著重要的作用，所以它是低頻傳感器的主要噪聲源。

    在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。

    電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。

 

    電阻應(yīng)變片應(yīng)用較多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。

    通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。

    這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線(xiàn)等部分組成。

    根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：

    阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過(guò)高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。

    而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

    電阻應(yīng)變片的工作原理

    金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

    式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）

    S——導(dǎo)體的截面積（cm2）

    L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）

    我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)；

    其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變；

    假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。

    當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。

    只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。

    陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用

    抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋（閉橋）；

    由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線(xiàn)性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。

    通過(guò)激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

    陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。

    陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。

    電氣絕緣程度>2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

    高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國(guó)家有全面替代其它類(lèi)型傳感器的趨勢(shì)，在中國(guó)也越來(lái)越多的用戶(hù)使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

如何正確選擇紅外溫度傳感器

    選擇紅外溫度傳感器主要從性能指標(biāo)和環(huán)境和工作條件兩方面來(lái)加以考慮。其中性能指標(biāo)又包括溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間等；環(huán)境和工作條件則包括環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等。其它你也可以將使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等方面因素進(jìn)行綜合比較。隨著紅外技術(shù)和不斷發(fā)展,用戶(hù)對(duì)紅外傳感器有很多種選擇。

    一、工作條件和使用環(huán)境

    1、紅外溫度傳感器的工作條件。環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等都是選購(gòu)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。這些和儀器的保養(yǎng)、維修等密切相關(guān)。

    2、傳感器使用的環(huán)境也決定了你可以選擇何種紅外溫度傳感器。比如雙色溫度傳感器更適用于煙霧、灰塵等環(huán)境下，而光纖雙色溫度傳感器則更適用于噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境中。

    二、光學(xué)分辨率由D與S之比確定,是傳感器到目標(biāo)之間的距離D與測(cè)量光斑直徑S之比。如果傳感器由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處,而又要測(cè)量小的目標(biāo),就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的傳感器。光學(xué)分辨率越高,即增大D:S比值,測(cè)溫儀的成本也越高。

    三、響應(yīng)時(shí)間表示紅外溫度傳感器對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。新型紅外溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms。這要比接觸式測(cè)溫方法,快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外溫度傳感器，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng),會(huì)降低測(cè)量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外溫度傳感器。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此,紅外溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

    四、信號(hào)處理功能：

    測(cè)量離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，要求紅外溫度傳感器有信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。如測(cè)溫傳送帶上的玻璃時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。

    五、環(huán)境條件考慮

    溫度傳感器所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響,應(yīng)加以考慮、并適當(dāng)解決,否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起測(cè)溫儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。調(diào)查煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信號(hào)，雙色溫度傳感器是較佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，光纖雙色溫度傳感器是較佳選擇。

    六、確定測(cè)溫范圍

    測(cè)溫范圍是傳感器重要的一個(gè)性能指標(biāo)，每種型號(hào)的傳感器都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此,用戶(hù)的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全,既不要過(guò)窄,也不要過(guò)寬。根據(jù)黑體輻射定律,在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。

    七、確定目標(biāo)尺寸

    紅外溫度傳感器根據(jù)原理可分為單色溫度傳感器和雙色溫度傳感器。對(duì)于單色溫度傳感器,在進(jìn)行測(cè)溫時(shí),被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿(mǎn)傳感器視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng),背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入傳感器的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù),造成誤差。相反,如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng),測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。

    八、確定波長(zhǎng)范圍

    目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜響應(yīng)或波長(zhǎng)。對(duì)于高反射率合金材料,有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū),測(cè)量金屬材料的較佳波長(zhǎng)是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長(zhǎng)。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長(zhǎng)。由于有些材料在一定波長(zhǎng)是透明的,紅外能量會(huì)穿透這些材料,對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。如測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm（被測(cè)玻璃要很厚,否則會(huì)透過(guò)）波長(zhǎng);測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長(zhǎng);測(cè)低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長(zhǎng)為宜;再如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長(zhǎng),聚醋類(lèi)選用4.3μm或7.9μm波長(zhǎng)。厚度超過(guò)0.4mm選用8-14μm波長(zhǎng);又如測(cè)火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長(zhǎng),測(cè)火焰中的C0用窄帶4.64μm波長(zhǎng),測(cè)量火焰中的N02用4.47μm波長(zhǎng)。

標(biāo)簽: 紅外溫度傳感器
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