探頭傳感器330851-04-000-023-50-01-CN

     1、傳感器根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型

        　　要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小;被測位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號的引出方法，有線或是非接觸測量;傳感器的，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。

        　　在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。

        　　2、傳感器靈敏度的選擇

        　　通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。

        　　傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

        　　3、傳感器頻率響應特性

        　　傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。

        　　傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。

        　　在動態測量中，應根據信號的特點(穩態、瞬態、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差。

        　　4、傳感器線性范圍

        　　傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。

        　　但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。

        　5、傳感器穩定性

        　　傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。

        　在選擇傳感器之前，應對其使用環境進行調查，并根據具體的使用環境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環境的影響。

        　　傳感器的穩定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發生變化。

        　　在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗

        　　6、傳感器精度

        　　精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。

        　　如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的;如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。

        　　對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。

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電路設計是傳感器是否*的關鍵因素，由于傳感器輸出端都是很微小的信號，如果因為噪聲導致有用的信號被淹沒，那就得不償失了，所以加強傳感器電路的抗干擾設計尤為重要。在這之前，我們必須了解傳感器電路噪聲的來源，以便找出更好的方法來降低噪聲。總的來說，傳感器電路噪聲主要有一下七種：

低頻噪聲

低頻噪聲主要是由于內部的導電微粒不連續造成的。特別是碳膜電阻，其碳質材料內部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續的，在電流流過時，會使電阻的導電率發生變化引起電流的變化，產生類似接觸不良的閃爆電弧。另外，晶體管也可能產生相似的爆裂噪聲和閃爍噪聲，其產生機理與電阻中微粒的不連續性相近，也與晶體管的摻雜程度有關。

半導體器件產生的散粒噪聲

由于半導體 PN 結兩端勢壘區電壓的變化引起累積在此區域的電荷數量改變，從而顯現出電容效應。當外加正向電壓升高時，N 區的電子和 P 區的空穴向耗盡區運動，相當于對電容充電。當正向電壓減小時，它又使電子和空穴遠離耗盡區，相當于電容放電。當外加反向電壓時，耗盡區的變化相反。當電流流經勢壘區時，這種變化會引起流過勢壘區的電流產生微小波動，從而產生電流噪聲。其產生噪聲的大小與溫度、頻帶寬度△f 成正比。

高頻熱噪聲

高頻熱噪聲是由于導電體內部電子的無規則運動產生的。溫度越高，電子運動就越激烈。導體內部電子的無規則運動會在其內部形成很多微小的電流波動，因其是無序運動，故它的平均總電流為零，但當它作為一個元件(或作為電路的一部分)被接入放大電路后，其內部的電流就會被放大成為噪聲源，特別是對工作在高頻頻段內的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

通常在工頻內，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 1kΩ的電阻為例，如果電路的通頻帶為 1MHz，則呈現在電阻兩端的開路電壓噪聲有效值為 4μV(設溫度為室溫 T=290K)。看起來噪聲的電動勢并不大，但假設將其接入一個增益為 106 倍的放大電路時，其輸出噪聲可達 4V，這時對電路的干擾就很大了。

電路板上的電磁元件的干擾

許多電路板上都有繼電器、線圈等電磁元件，在電流通過時其線圈的電感和外殼的分布電容向周圍輻射能量，其能量會對周圍的電路產生干擾。像繼電器等元件其反復工作，通斷電時會產生瞬間的反向高壓，形成瞬時浪涌電流，這種瞬間的高壓對電路將產生沖擊，從而嚴重干擾電路的正常工作。

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則的熱運動通過 BJT 內 3 個區的體電阻及相應的引線電阻時而產生。其中 rbb 所產生的噪聲是主要的。

通常所說的 BJT 中的電流，只是一個平均值。實際上通過發射結注入到基區的載流子數目，在各個瞬時都不相同，因而發射極電流或集電極電流都有無規則的波動，會產生散粒噪聲。

由于半導體材料及制造工藝水平使得晶體管表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導體表面少數載流子的復合有關，表現為發射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱 1/f 噪聲。它主要在低頻(kHz 以下)范圍起主要作用。

電阻器的噪聲

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

電阻都產生熱噪聲，一個阻值為 R 的電阻(或 BJT 的體電阻、FET 的溝道電阻)未接入電路時，在頻帶 B 內所產生的熱噪聲電壓式中：k 為玻爾茲曼常數;T 是溫度(單位：K)。熱噪聲電壓自身是一個非周期變化的時間函數，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。

電阻產生接觸噪聲，接觸噪聲電壓式中：I 為流過電阻的電流均方值;f 為頻率;k 是與資料幾何外形有關的常數。因為 Vc 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。

集成電路的噪聲

集成電路的噪聲干擾一般有兩種：一種是輻射式，一種是傳導式。這些噪聲尖刺對于接在同一交流電網上的其他電子設備會產生較大影響。噪聲頻譜擴展至 100MHz 以上。在實驗室中，可以用高頻示波器(100MHz 以上)觀察一般單片機系統板上某個集成電路電源與地引腳之間的波形，會看到噪聲尖刺峰 - 峰值可達數百毫伏甚至伏級。