《传感器及应用》干扰的来源与途径（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》干扰的来源与途径-讲义 知识点一 干扰的来源 1.机械的干扰： 由于机械振动或冲击，使传感器装置中的元件发生振动、变形，使连接导线发生位移，使指针发生抖动，影响其正常工作。声波的干扰类似于机械振动，对于机械的干扰主要是采用隔振措施来解决。 2.热的干扰： 在工作时传感器系统产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化等都会引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等，从而影响传感器系统的正常工作。对于热的干扰，工程上通常采用热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构、温度补偿元件等方法进行抑制。 3.光的干扰： 在传感器装置中人们广泛使用着各种半导体器件，但半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响检测系统的正常工作。因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内。 4.湿度变化的影响： 湿度增加会使元器件的绝缘电阻下降，漏电流增加，高值电阻的阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架膨胀等，会影响传感器系统的正常工作。 5.化学的干扰： 化学物品，如酸碱盐及腐蚀性气体等，会通过化学腐蚀作用腐蚀电气元件、损坏传感器装置，产生电化学噪声。 6.电和磁的干扰： 电和磁可以通过电路和磁路对传感器系统产生干扰作用，电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电压，从而影响传感器系统的正常工作。 7.射线辐射的干扰： 射线会使气体电离，半导体内会激发电子空穴对，金属逸出电子等，因而用于原子能、核装置等领域内的传感器系统，尤其要注意射线辐射对传感器系统的干扰。 传感器受到的电磁干扰主要来源于（ ） A. 周围的电力设备 B. 传感器自身的电路设计 C. 环境温度的变化 D. 测量对象的运动 【答案】A 【解析】周围的电力设备在运行时会产生电磁场，是传感器电磁干扰的主要来源之一。传感器自身电路设计可能会影响抗干扰能力，但不是电磁干扰的来源。环境温度变化主要影响传感器的温度特性，而不是产生电磁干扰。测量对象的运动一般不会直接产生电磁干扰。 1.以下哪种情况可能导致传感器受到静电干扰（ ） A. 传感器处于高湿度环境 B. 操作人员未佩戴防静电手环 C. 传感器安装在金属支架上 D. 附近有超声波设备 【答案】B 【解析】操作人员未佩戴防静电手环时，人体可能积累静电，在接触传感器等设备时会产生静电放电，从而对传感器造成干扰。高湿度环境一般会降低静电产生的可能性。传感器安装在金属支架上不一定会导致静电干扰，金属支架主要可能影响电磁屏蔽等。附近有超声波设备主要产生超声干扰，而不是静电干扰。 2.传感器受到的射频干扰通常来自于（ ） A. 广播电台 B. 电动机 C. 荧光灯 D. 热电偶 【答案】A 【解析】广播电台会发射射频信号，可能会对传感器造成射频干扰。电动机主要产生电磁干扰，其频率不一定在射频范围内。荧光灯主要产生电磁干扰和频闪等，一般不是射频干扰的主要来源。热电偶是一种温度测量元件，本身不会产生射频干扰。 3.以下哪种干扰来源与传感器的安装位置有关（ ） A. 宇宙射线 B. 地磁场干扰 C. 软件算法错误 D. 传感器老化 【答案】B 【解析】地磁场干扰的影响程度与传感器的安装位置有关，如果传感器安装在受地磁场影响较大的位置，如靠近大型金属物体或地磁异常区域等，可能会受到较明显的地磁场干扰。宇宙射线是一种自然辐射，与安装位置关系不大。软件算法错误与传感器安装位置无关，主要与程序设计等有关。传感器老化是随着使用时间等因素产生的，与安装位置没有直接关系。 1.传感器在工业环境中可能受到的主要干扰是（ ） A. 手机信号干扰 B. 化学物质腐蚀 C. 电磁噪声 D. 雨滴冲击 【答案】C 【解析】工业环境中有大量的电气设备、电机等，会产生大量的电磁噪声，这是传感器在工业环境中面临的主要干扰之一。手机信号干扰相对来说在工业环境中不是最主要的。化学物质腐蚀主要影响传感器的使用寿命和性能，但不是干扰的主要形式。雨滴冲击一般在户外露天环境等可能出现，不是工业环境中的主要干扰。 2.以下哪种因素可能导致传感器受到热噪声干扰（ ） A. 传感器内部的电子元件发热 B. 环境中的红外线辐射 C. 附近的微波炉工作 D. 传感器表面的灰尘 【答案】A 【解析】传感器内部的电子元件在工作时会发热，这会导致热噪声的产生，影响传感器的性能。环境中的红外线辐射主要可能影响温度测量等，但不是热噪声的主要来源。附近的微波炉工作主要产生微波辐射等干扰，不是热噪声。传感器表面的灰尘主要可能影响光学等传感器的透光等性能，与热噪声无关。 3.传感器受到的机械振动干扰可能来自于（ ） A. 附近的压缩机运行 B. 无线电发射塔 C. 阳光照射 D. 传感器的供电电源不稳定 【答案】A 【解析】附近的压缩机运行时会产生机械振动，通过地面、空气等传播，可能对附近的传感器造成机械振动干扰。无线电发射塔主要产生电磁辐射等，不会产生机械振动干扰。阳光照射主要影响温度等，与机械振动无关。传感器的供电电源不稳定主要产生电源纹波等干扰，不是机械振动干扰。 · 机械振动、冲击及声波导致传感器元件振动、变形，影响正常工作，需采取隔振措施。 · 温度波动导致传感器系统元器件参数变化，需采用热屏蔽、恒温、对称结构及温度补偿等方法抑制。 · 光线激发半导体电子空穴对，湿度增加导致绝缘电阻下降，需封装半导体器件、控制湿度。 · 化学腐蚀、电磁场变化及射线辐射均干扰传感器系统，需防腐、电磁屏蔽及防辐射处理。 知识点二 信噪比与电磁兼容性 1.信噪比 噪声：各种干扰在传感器系统的输出端反映为一些与检测量无关的电信号。当噪声电压使检测电路无法正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压。 在测量过程中，不希望有噪声，但是也无法完全排除噪声，只能要求噪声尽可能小些。允许多大的噪声存在，则必须与有用信号联系在一起考虑。 有用信号很强时，则可以允许有较大的噪声；有用信号很弱时，则允许的噪声必须很小。 信噪比S/N：在信号通道中有用信号成分与噪声成分之比。它表示噪声对有用信号影响的大小。 设有用信号功率为PS，有用信号电压为US，噪声功率为PN，噪声电压为UN，则用分贝（dB）表示的信噪比为 由上式可知，信噪比越大，表示噪声对测量结果的影响越小，在测量过程中应尽量提高信噪比。 2.电磁兼容性 随着科学技术、生产力的发展，高频、宽带、大功率的电气设备几乎遍布地球的所有角落，随之而来的电磁干扰也越来越严重地影响检测系统的正常工作。 对于检测系统来说，主要考虑在恶劣的电磁干扰环境中系统必须能正常工作，并能取得精度等级范围内的正确测量结果，即提高信噪比 电磁兼容：电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰信号。通俗地说电磁兼容是指电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常工作的能力，而且还不允许产生超过规定的电磁干扰信号。 电磁干扰源可分为自然界干扰源和人为干扰源。 自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的雷电噪声等。人为干扰源又分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。前者如广播、电视、通信雷达和导航等无线电设备，后者是各种工业、交通、 医疗、家电、办公设备在完成自身任务的同时，附带产生的电磁能量辐射。 检测系统的电磁干扰可以来自系统外部，也可以来自系统内部的元器件、电路、装置等。 信噪比（SNR）的定义是（ ） A. 信号功率与噪声功率的比值 B. 信号幅度与噪声幅度的比值 C. 信号频率与噪声频率的比值 D. 信号带宽与噪声带宽的比值 【答案】A 【解析】信噪比是信号功率与噪声功率的比值，通常用分贝（dB）表示，用于衡量信号质量。 1.提高传感器信噪比的方法不包括（ ） A. 增加信号放大倍数 B. 降低传感器工作温度 C. 使用屏蔽线减少电磁干扰 D. 增加传感器的采样频率 【答案】D 【解析】增加采样频率可以提高数据采集的精度，但不会直接提高信噪比。降低噪声或增强信号才是提高信噪比的有效方法。 2.传感器的噪声来源主要包括（ ） A. 热噪声、散粒噪声、1/f 噪声 B. 电磁噪声、机械噪声、环境噪声 C. 信号噪声、电源噪声、传输噪声 D. 以上都是 【答案】D 【解析】传感器的噪声来源多样，包括内部噪声（如热噪声、散粒噪声）和外部噪声（如电磁干扰、环境噪声）。 3.传感器的信噪比与以下哪个参数无关（ ） A. 传感器灵敏度 B. 传感器带宽 C. 传感器尺寸 D. 传感器工作温度 【答案】C 【解析】传感器尺寸通常与物理特性相关，而信噪比主要受灵敏度、带宽和工作温度的影响。 1.电磁兼容性（EMC）的主要目标是（ ） A. 提高传感器的灵敏度 B. 确保设备在电磁环境中正常工作且不对其他设备产生干扰 C. 降低传感器的功耗 D. 提高传感器的信噪比 【答案】B 【解析】 电磁兼容性是指设备在电磁环境中既能抵抗干扰，又不会对其他设备产生干扰。 2.电磁干扰（EMI）的主要来源不包括（ ） A. 电源线 B. 无线通信设备 C. 传感器内部电路 D. 光学信号 【答案】D 【解析】光学信号不属于电磁干扰的来源，电磁干扰主要来自电源线、无线设备和电路噪声。 3.以下哪种现象属于电磁兼容性问题（ ） A. 传感器信号失真 B. 传感器功耗增加 C. 传感器温度升高 D. 传感器与其他设备互相干扰 【答案】D 【解析】电磁兼容性问题通常表现为设备之间的互相干扰。 · 信噪比反映有用信号与噪声之比，噪声越小，信噪比越大，测量结果受影响越小。 · 电磁兼容性指电子设备在电磁干扰环境中按设计要求正常工作的能力，且不释放超标干扰信号。 · 噪声在传感器系统中表现为无关电信号，影响测量精度。 · 电磁干扰源包括自然如雷电、太阳耀斑等，及人为如无线电设备、工业设备等。 知识点三 电磁干扰的途径 电磁干扰通过一定的途径进入传感器装置才会对测量结果造成影响，因此有必要讨论电磁干扰的途径及作用方式，以便有效地切断这些途径，消除干扰。 电磁干扰的途径有“路”和 “场”两种形式。凡噪声源通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属于“路”的干扰，如通过漏电流、共阻抗耦合等引入的干扰；凡噪声源通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的， 都属于“场”的干扰，如通过分布电容、分布互感等引入的干扰。 一、通过“路”的干扰 1.漏电流耦合形成的干扰：它是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所起的噪声干扰。漏电流耦合干扰经常发生在下列情况： （1）用传感器测量较高的直流电压时； （2）在传感器附近有较高的直流电压源时； （3）在高输入阻抗的直流放大电路中。 2.传导耦合形成的干扰：噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。 当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而造成干扰。传导耦合的主要现象是噪声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在生产现场的分布，实际上构成了一个吸收各种噪声的网络，噪声可十分方便地以电路传导的形式传到各处，并经过电源引线进入各种电子装置造成干扰。 3.共阻抗耦合形成的干扰：共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，当一个电路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。例如：几个电路由同一个电源供电 时，会通过电源内阻互相干扰；在放大器中，各放大级通过接地线电阻互相干扰。 二、通过“场”的干扰 1.静电耦合形成的干扰：电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，从而使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。当几个噪声源同时经静电耦合干扰 同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以使用叠加原理分别对各噪声源干扰进行分析。 2.电磁耦合形成的干扰：电磁耦合又称互感耦合，它是由于在两个电路之间存在互感， 一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。 3.辐射电磁场耦合形成的干扰：辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。如果在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度E的感应电动势。输配电线路，特别是架空输配电线路都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势， 并通过供电线路进入传感器，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。 漏电流耦合干扰通常发生在以下哪种情况（ ） A. 传感器测量较低的直流电压 B. 传感器附近有较高的直流电压源 C. 传感器工作在低输入阻抗的电路中 D. 传感器工作在无绝缘的环境中 【答案】B 【解析】漏电流耦合干扰通常发生在传感器附近有较高的直流电压源时，因为绝缘不良会导致漏电流通过绝缘电阻引入噪声。 1.共阻抗耦合干扰是由于（ ） A. 两个电路之间存在寄生电容 B. 两个电路之间存在互感 C. 两个电路共有阻抗 D. 两个电路之间存在辐射电磁场 【答案】C 【解析】共阻抗耦合干扰是由于两个电路共有阻抗（如电源内阻或接地线电阻），导致一个电路的电流变化在另一个电路上产生干扰电压。 2.以下哪种情况容易导致共阻抗耦合干扰（ ） A. 几个电路由同一个电源供电 B. 传感器靠近高频设备 C. 传感器信号线过长 D. 传感器工作温度过高 【答案】A 【解析】几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰，导致共阻抗耦合干扰。 3.漏电流耦合干扰在高输入阻抗的直流放大电路中更容易发生的原因是（ ） A. 输入阻抗高，漏电流影响更显著 B. 输入阻抗低，漏电流影响更显著 C. 输入阻抗与漏电流无关 D. 输入阻抗高，噪声抑制能力强 【答案】A 【解析】高输入阻抗的电路对漏电流更敏感，因为较小的漏电流会在高阻抗上产生较大的电压干扰。 1.静电耦合干扰的实质是（ ） A. 电感性耦合 B. 电容性耦合 C. 电阻性耦合 D. 辐射性耦合 【答案】B 【解析】静电耦合干扰是由于两个电路之间存在寄生电容，导致一个电路的电荷变化影响另一个电路。 2.电磁耦合干扰的实质是 ( ) A. 电容性耦合 B. 电阻性耦合 C. 电感性耦合 D. 辐射性耦合 【答案】C 【解析】电磁耦合干扰是由于两个电路之间存在互感，导致一个电路的电流变化通过磁交链影响另一个电路。 3.辐射电磁场耦合干扰通常来源于（ ） A. 低频电气设备 B. 大功率高频电气设备 C. 低功率直流电源 D. 机械振动设备 【答案】B 【解析】辐射电磁场耦合干扰通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。 · 电磁干扰途径分“路”和“场”两种。 · 漏电流耦合由绝缘不良引起，传导耦合经导线传送噪声，共阻抗耦合因共有阻抗产生干扰电压。 · 静电耦合基于寄生电容，电磁耦合由互感影响，辐射电磁场耦合由大功率设备产生。 · 切断干扰途径需考虑电路绝缘、导线布局、阻抗匹配及电磁屏蔽等措施。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$