傳感器信號的預(yù)處理課件

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號的預(yù)處理方法、信號放大電路、數(shù)字采集系統(tǒng)掌握線性化方法、標(biāo)度變換河第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號的預(yù)1第一講傳感器信號的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口二、傳感器信號的預(yù)處理第一講傳感器信號的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口2一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分。其作用是將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字量，并按一定程序輸入計(jì)算機(jī)。傳感器與計(jì)算機(jī)的接口電路組成：信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口電路組成。如圖7-1-1所示為傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖。圖7-1-1傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分3預(yù)處理電路：將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；計(jì)算機(jī)接口電路：把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)，并將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號送至輸入接口的各功能部件。預(yù)處理電路：將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量4二、傳感器信號的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如圖7-1-2所示為按輸出形式分類。圖7-1-2傳感器按輸出方式分類二、傳感器信號的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如52、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之前需要進(jìn)行某些預(yù)處理。該預(yù)處理和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的工作內(nèi)容，由傳感器輸出方式不同而各不相同。1）開關(guān)量信號預(yù)處理的方法被測對象輸入給傳感器的物理量高于“某一定值”時(shí)，輸出ON(接通)狀態(tài)，而低于該值時(shí)，就輸出OFF(斷開)狀態(tài)。這里的“某一定值”稱為值或門限電平。2、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸6如圖7-1-3所示為這類開關(guān)傳感器的理想特性。但這種特性并不實(shí)用，因?yàn)樵趥鞲衅鞯妮斎胄盘栔锌傄B加一些噪聲成分，這些噪聲成分就會改變輸出的狀態(tài)。圖7-1-4為開/關(guān)式傳感器的實(shí)用特性。圖7-1-3開/關(guān)傳感器的理想特性圖7-1-4實(shí)用特性如圖7-1-3所示為這類開關(guān)傳感器的理想特性。但這種7為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器，或稱為脈沖整形電路，多使用施密特觸發(fā)器。為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的82）模擬脈沖式傳感器信號預(yù)處理

①脈沖峰值式傳感器是在每次被測物理量入射到傳感器上時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的都一樣)就產(chǎn)生脈沖形式的輸出信號，該信號的峰值與入射到傳感器的物理量的值成比例。有代表性的用途是測量射線(帶電粒子)能量的傳感器。

出于該峰值信息是模擬量，所以必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到計(jì)算機(jī)中。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要使用A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換需要一定的操作時(shí)間。在操作時(shí)間內(nèi)如果A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入發(fā)生了變化，就會使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間必須具有在操作時(shí)間內(nèi)使峰值保持一定的功能。脈沖峰值保持電路就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能而設(shè)置的。2）模擬脈沖式傳感器信號預(yù)處理①脈沖峰值9脈沖寬度式傳感器中，每當(dāng)被測物理量入射到傳感器時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖狀的輸出信號，該脈沖信號的寬度與入射到傳感器上的物理量的大小成比例。

脈沖間隔式傳感器中．每當(dāng)被測物理量入射到傳感器上時(shí)，就產(chǎn)生兩種脈沖信號，每種產(chǎn)生一個(gè)脈腫，二者產(chǎn)牛的時(shí)刻差(時(shí)間間隔)與入射到傳感器的物理量大小成比例。

②脈沖寬度式和脈沖間隔式傳感器脈沖寬度式傳感器中，每當(dāng)被測物理量入射到傳感器時(shí)(不10其處理方法分為兩種。一種方法是直接對時(shí)鐘信號進(jìn)行數(shù)字計(jì)數(shù)，使它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；另一種方法是將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成峰值信息，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。時(shí)間峰值轉(zhuǎn)換器(TimetoAmplitudeConverter，簡稱TAC)在巾場上也以單片形式銷售。其處理方法分為兩種。一種方法是直接對時(shí)鐘信號進(jìn)113）模擬連續(xù)式傳感器信號預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)處理的一般體系3）模擬連續(xù)式傳感器信號預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)12

模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測物則量x的變化，傳感器輸出的電量s是連續(xù)變化的。這里的電量可以是電阻、電壓、電流、電感或電容。電阻式傳感器常用交、直流電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為電壓變化；通過A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電感式和電容式傳感器常用交流電橋或諧振電路進(jìn)行預(yù)處理。交流電橋的輸出為調(diào)幅信號，諧振電路的輸出有調(diào)幅和調(diào)頻兩種，差動變壓器的輸出也是一個(gè)調(diào)幅信號，它們要經(jīng)過檢波或鑒頻才能變成直流電壓信號，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。調(diào)頻信號可以直接用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù)。模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測物則量134）頻率變化式傳感器信號的預(yù)處理

模擬頻率變化式傳感器多用于多普勒效應(yīng)測速計(jì)(如棒球的測速槍及交通速度管制的多普勒雷達(dá)等)中，由于輸入到傳感器的被測物理量值的大小不同，傳感器產(chǎn)生的連續(xù)周期信號的頻率將會模擬地變化。脈沖重復(fù)頻率式傳感器產(chǎn)生脈沖信號，在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)隨著輸入到傳感器的被測物理量值的大小不同而變化。這種傳感器多用于利用光的非接觸式轉(zhuǎn)速表等方面。這兩種傳感器所產(chǎn)生的信息基本上都是單位時(shí)間內(nèi)波的數(shù)量(頻率)或脈沖的個(gè)數(shù)。由于二者的內(nèi)容是等價(jià)的，所以可以把它們當(dāng)作頻率來處理。4）頻率變化式傳感器信號的預(yù)處理模擬頻率變14因此，如果將這些傳感器都看作頻率變化式傳感器，則用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù)，即轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；或者利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把頻率轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換即成，如圖7-1-8所示。圖7-1-8頻率變化式傳感器信號的預(yù)處理因此，如果將這些傳感器都看作頻率變化式傳感器，則用數(shù)155）數(shù)字電量式傳感器信號的預(yù)處理數(shù)字脈沖式傳感器是將傳感器產(chǎn)生的脈沖信號直接作為輸出信息。圖7-1-9數(shù)字脈沖式傳感器的預(yù)處理5）數(shù)字電量式傳感器信號的預(yù)處理數(shù)字脈沖式傳16數(shù)字編碼式傳感器的特點(diǎn)是傳感器的輸出本身就是數(shù)字代碼形式，這種傳感器簡稱為代碼式化感器。代碼式傳感器多用于位置測量。圖7-1-10數(shù)字編碼式傳感器的預(yù)處理數(shù)字編碼式傳感器的特點(diǎn)是傳感器的輸出本身就是17河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號的預(yù)處理方法、信號放大電路、數(shù)字采集系統(tǒng)掌握線性化方法、標(biāo)度變換河第7章傳感器與微機(jī)的接口技術(shù)掌握傳感器信號的預(yù)18第一講傳感器信號的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口二、傳感器信號的預(yù)處理第一講傳感器信號的預(yù)處理方法一、傳感器與微機(jī)的接口19一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分。其作用是將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字量，并按一定程序輸入計(jì)算機(jī)。傳感器與計(jì)算機(jī)的接口電路組成：信號預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口電路組成。如圖7-1-1所示為傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖。圖7-1-1傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖一、傳感器與微機(jī)的接口輸入接口:介于傳感器與計(jì)算機(jī)之間的部分20預(yù)處理電路：將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；計(jì)算機(jī)接口電路：把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)，并將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號送至輸入接口的各功能部件。預(yù)處理電路：將傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量21二、傳感器信號的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如圖7-1-2所示為按輸出形式分類。圖7-1-2傳感器按輸出方式分類二、傳感器信號的預(yù)處理方法1、傳感器按輸出的變化形式成分類如222、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之前需要進(jìn)行某些預(yù)處理。該預(yù)處理和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的工作內(nèi)容，由傳感器輸出方式不同而各不相同。1）開關(guān)量信號預(yù)處理的方法被測對象輸入給傳感器的物理量高于“某一定值”時(shí)，輸出ON(接通)狀態(tài)，而低于該值時(shí)，就輸出OFF(斷開)狀態(tài)。這里的“某一定值”稱為值或門限電平。2、傳感器按輸出的變化形式成分類在將傳感器輸23如圖7-1-3所示為這類開關(guān)傳感器的理想特性。但這種特性并不實(shí)用，因?yàn)樵趥鞲衅鞯妮斎胄盘栔锌傄B加一些噪聲成分，這些噪聲成分就會改變輸出的狀態(tài)。圖7-1-4為開/關(guān)式傳感器的實(shí)用特性。圖7-1-3開/關(guān)傳感器的理想特性圖7-1-4實(shí)用特性如圖7-1-3所示為這類開關(guān)傳感器的理想特性。但這種24為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器，或稱為脈沖整形電路，多使用施密特觸發(fā)器。為了消除噪聲及改善特性，常接入具有遲滯特性的252）模擬脈沖式傳感器信號預(yù)處理

①脈沖峰值式傳感器是在每次被測物理量入射到傳感器上時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的都一樣)就產(chǎn)生脈沖形式的輸出信號，該信號的峰值與入射到傳感器的物理量的值成比例。有代表性的用途是測量射線(帶電粒子)能量的傳感器。

出于該峰值信息是模擬量，所以必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到計(jì)算機(jī)中。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要使用A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換需要一定的操作時(shí)間。在操作時(shí)間內(nèi)如果A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入發(fā)生了變化，就會使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間必須具有在操作時(shí)間內(nèi)使峰值保持一定的功能。脈沖峰值保持電路就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能而設(shè)置的。2）模擬脈沖式傳感器信號預(yù)處理①脈沖峰值26脈沖寬度式傳感器中，每當(dāng)被測物理量入射到傳感器時(shí)(不論是隨機(jī)的還是周期性的)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖狀的輸出信號，該脈沖信號的寬度與入射到傳感器上的物理量的大小成比例。

脈沖間隔式傳感器中．每當(dāng)被測物理量入射到傳感器上時(shí)，就產(chǎn)生兩種脈沖信號，每種產(chǎn)生一個(gè)脈腫，二者產(chǎn)牛的時(shí)刻差(時(shí)間間隔)與入射到傳感器的物理量大小成比例。

②脈沖寬度式和脈沖間隔式傳感器脈沖寬度式傳感器中，每當(dāng)被測物理量入射到傳感器時(shí)(不27其處理方法分為兩種。一種方法是直接對時(shí)鐘信號進(jìn)行數(shù)字計(jì)數(shù)，使它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；另一種方法是將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成峰值信息，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。時(shí)間峰值轉(zhuǎn)換器(TimetoAmplitudeConverter，簡稱TAC)在巾場上也以單片形式銷售。其處理方法分為兩種。一種方法是直接對時(shí)鐘信號進(jìn)283）模擬連續(xù)式傳感器信號預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)處理的一般體系3）模擬連續(xù)式傳感器信號預(yù)處理圖7-1-7模擬連續(xù)輸出預(yù)29

模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測物則量x的變化，傳感器輸出的電量s是連續(xù)變化的。這里的電量可以是電阻、電壓、電流、電感或電容。電阻式傳感器常用交、直流電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為電壓變化；通過A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電感式和電容式傳感器常用交流電橋或諧振電路進(jìn)行預(yù)處理。交流電橋的輸出為調(diào)幅信號，諧振電路的輸出有調(diào)幅和調(diào)頻兩種，差動變壓器的輸出也是一個(gè)調(diào)幅信號，它們要經(jīng)過檢波或鑒頻才能變成直流電壓信號，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。調(diào)頻信號可以直接用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù)。模擬連續(xù)式傳感器隨輸入給傳感器的被測物則量304）頻率變化式傳感器信號的預(yù)處理

模擬頻率變化式傳感器多用于多普勒效應(yīng)測速計(jì)(如棒球的測速槍及交通速度管制的多普勒雷達(dá)等)中，由于輸入到傳感器的被測物理量值的大小不同，傳感器產(chǎn)生的連續(xù)周期信號的頻率將會模擬地變化。脈沖重復(fù)頻率式傳感器產(chǎn)生脈沖信號，在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)隨著輸入到傳感器的被測物理量值的大小不同而變化。這種傳感器多用于利用光的非接觸式轉(zhuǎn)速表等方面。這兩種傳感器所產(chǎn)生的信息基本上都是單位時(shí)間內(nèi)波的數(shù)量(頻率)或脈沖的個(gè)數(shù)。由于二者的內(nèi)容是等價(jià)的，所以可以把它們當(dāng)作頻率來處理。4）頻率變化式傳感器信號的預(yù)處理模擬頻率變31因此，如果將這些傳感器都看作頻率變化式傳感器，則用數(shù)字頻率計(jì)計(jì)數(shù)，即轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；或者利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把頻率轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換即成，如圖7-1-8所示。圖7-