单线传感器 单线输出传感器通过差分设计，提高抗干扰与AD稳定输入的能力

单线输出传感器通过差分设计，提高抗干扰与AD稳定输入的能力

很多0-5V、±10V输出的传感器只有一根信号线输出，这类传感器在干扰环境下很容易出现晃动。当然可以购买更高品质的产品以提升稳定度，但这也会给后期维护、库存备货带来一些问题。这里只肤浅的分析如何将普通传感器做的更可靠些。

单线传输的传感器引出线一般有三种颜色

1、 红、黄、黑（蓝）。国标色标，其中电源零线规定为蓝色。

2、 棕、黄、蓝。欧标色标，信号线有四线制、五线制（中心屏蔽线）。

其中黄色线就是信号线，红或棕是VCC，黑或蓝是GND。

传感器引出线，网络图片

使用这类传感器的设备容易出现

1、 数值晃动，不容易归零（软件设定零区）。

2、 抗高频干扰能力很弱，附近有对讲机时输出会激烈变化。需要铁壳接地屏蔽、传输线波纹套管屏蔽等措施。

3、 容易随温度等变化而漂移等等，需要经常清零（也能随时间自己归零）。

4、 易引入电磁干扰、电气噪声等损坏AD芯片。

5、动态使用示值异常（软件动态滤波）。

常规接入方式

R00与R01组成比例分压电路，具体值由AD输入范围计算得出。

如470k与4Ω7，比值为100000倍。满值近似50微伏，对应0-5V就是0-50μV。

实际计算值

5×(R01/R00+R01)≈0.00005V

因为AD芯片及其它电路带有损耗，R01的实际值会比计算值大很多。

差分输入加π型滤波

R11是假设传感器工作电流为10mA（倾角传感器典型值），180Ω电阻可将此电流还原成1.8V。之所以这么做，是因为正信号输入时不管AD芯片还是运放的输入端（AD芯片的输入初级也是运放，差模输入方式），反相端越接近芯片电压的一半稳定性越强（1/2U）。单端输入时反相端会受电源负的影响，从而影响到了信号的稳定，而传感器的稳定又受传感器的电源负影响。1.8V是我实际使用值，因为电源电压也必须满足最低要求原因，这是一个既能提高稳定又不需更换原机电源的值（实际的产品采用CS5550芯片，50倍）。

等效电路

最终的电路，317需要增加调压电阻。

人为增加1/2U电压给AD芯片是为了提高芯片本身的稳定性，此时芯片温度、抗共模干扰等能力会达到最大值。增加电压后，实际传感器电源负与信号就形成共模输入方式，从而提高了远线传送的抗干扰能力。

增加这个电压同时可以使AD芯片的反相输入端与传感负端电位同步，从而减少了数值波动。π型滤波是为了芯片本身可靠与抵消共模干扰。

针对的干扰源：高低频、高低温、有限的动力电源干扰。 （AD芯片本身需要有此方面的改进设计，早期芯片存在先天不足，本电路不一定都有效）

受篇幅影响，先介绍到这，发现错误欢迎指正，也希望能有案例可以共享。以上实际应用的产品可以做到15位内码零晃动（32767），无外壳无接地10厘米外3W对讲机无反应效果。请注意数值的稳定需要软件配合。

天工大李阳教授团队：无线传感器网络单线电能传输系统的电磁安全

目前，无线传感器网络最成熟的供电方式是电池供电，但由于该方法需要频繁更换电池，导致供电可靠性变差。单线电能传输可以兼顾传输距离与传输效率，同时具有分布灵活、无方向性的特点，因此可以用来解决无线传感器网络电池供电的问题。天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员李阳、李垚、王瑞、翟宇洁、石少博、胡涛成，在2022年第4期《电工技术学报》上撰文发表相关科研成果。研究表明，与有电容球系统相比，无电容球系统的各物理量数值均小于有电容球系统，其更符合限制时变电场和磁场的安全标准。

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无线传感器网络是由大量部署在监测区域内具有感知、计算、存储和无线通信能力的微型节点组成的大范围、长期性对监测区域进行全面感知和精确控制的特殊网络。无线传感器网络因具有低功耗、低成本、分布式、自组织等特点，在国家安全、环境监测、工业生产等领域有着广阔的应用前景。

目前，无线传感器网络最成熟的供电方式是电池供电，但是这种方式需要频繁更换电池，电池更换不及时会导致电能供给不足，进而导致节点故障甚至网络中断。针对无线传感器网络电池供电可靠性差的问题，科研人员提出多种解决方案，其中之一就是利用单线电能传输方法为无线传感器网络供电。

单线电能传输是一种新型的电能传输方法，它仅使用单根导线连接电源与用电设备。单线电能传输系统按结构可分为有电容球系统和无电容球系统两种，同时线圈结构可分为螺旋桶形线圈和平面螺旋线圈。由于螺旋桶形线圈体积大，不适用于无线传感器网络供电场景，因此采用平面螺旋线圈结构。无论何种结构，单线电能传输系统在工作时都会产生高频时变电磁场。因此，需要对这种高频时变电磁场的分布特性及其对人体产生的影响进行深入研究。

图1 两种单线电能传输系统结构

单线电能传输系统电磁安全性研究一方面可以帮助理解单线电能传输系统的工作过程及传输机理；另一方面为减小单线电能传输系统产生的电磁辐射提供了依据。研究单线电能传输系统的电磁安全性需要考虑电磁环境下的生物效应，少量的电磁辐射可造成皮肤发热、神经疼痛，大量电磁辐射可导致神经紊乱、心脏衰竭、灼伤甚至死亡。目前，国内采用的电磁辐射标准是GB 8702 2014《电磁环境控制限值》，国外电磁场辐射标准中具有代表性的是IEEE C95.1和ICNIRP导则。

天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员针对单线电能传输系统电磁安全性问题，首先建立有电容球、无电容球两种单线电能传输系统模型及人体模型；然后对两种系统模型的电磁安全性进行仿真分析，主要对比研究了二者的空间电磁场分布、空间电磁场强度、体内电场强度和体内电流密度；最后利用实验的方法对仿真结果进行验证。

图2 实验系统

研究人员对比分析后指出：

1）从空间电场角度分析，有球系统发射端和接收端的电场限值限制距离要高于无球系统发射端和接收端的电场限值限制距离，虽然单线中间部分无球系统电场限值限制距离略高于有球系统电场限值限制距离，但无球系统电场限值整体覆盖范围比有球系统电场限值整体覆盖范围小，表明无球系统更安全。

2）从空间磁场角度分析，有球系统磁场限值覆盖范围大于无球系统磁场限值限制覆盖范围，表明无球系统更安全。

3）从器官电场强度角度分析，有球系统各器官电场强度最大值约为无球系统各器官电场强度最大值的1.7～2.3倍，表明无球系统更安全。

4）从器官电流密度角度分析，有球系统各器官电流密度最大值约为无球系统各器官电流密度最大值的1.7～2.3倍，表明无球系统更安全。

研究人员最后认为，相比于有球单线电能传输系统，无球单线电能传输系统更安全，更适用于无线传感器网络。

本文编自2022年第4期《电工技术学报》，论文标题为“无线传感器网络单线电能传输系统的电磁安全性分析”，作者为李阳、李垚 等。

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