第11章 傳感器信號(hào)處理

傳感器信號(hào)處理技術(shù)

第11章傳感器信號(hào)處理

主要內(nèi)容分析電橋分析傳感器信號(hào)放大電路三分析信號(hào)濾波電路四分析信號(hào)轉(zhuǎn)換電路一.阻抗電橋的構(gòu)成及平衡條件

構(gòu)成：如圖所示，由四個(gè)阻抗構(gòu)成四個(gè)橋臂。A和C接入電源E，B和D端為輸出端。輸出電壓:橋臂阻抗可以是電阻、電感和電容式傳感器。當(dāng)被測(cè)量為某一初始值并未發(fā)生變化時(shí)希望電橋輸出為0。

分析電橋與電橋的電源2.電橋的平衡條件

z2z4-z1z3=0 ——稱之為電橋平衡條件z2z4=z1z3

——即對(duì)邊乘積相等若為復(fù)阻抗

平衡條件可改寫為：

z2z4=z1z3

——模平衡條件

——相位平衡條件電橋與電橋的電源3工作方式單臂工作：電橋中只有一個(gè)臂接入被測(cè)量，其它三個(gè)臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個(gè)臂接入被測(cè)量，另兩個(gè)為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，又稱為半橋形式；全橋方式：如果四個(gè)橋臂都接入被測(cè)量則稱為全橋形式。全橋形式靈敏度最高，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，要綜合考慮選擇。直流電橋電橋與電橋的電源4輸出方式電橋的輸出方式根據(jù)負(fù)載情況有電流型和電壓型兩種a.電流輸出型：當(dāng)電橋的輸出信號(hào)較大，輸出端又接入電阻值較小的負(fù)載時(shí)，如下圖所示，可得：直流電橋電橋與電橋的電源b.電壓輸出型：當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為直流電橋電橋與電橋的電源二分析傳感器信號(hào)放大電路測(cè)量放大器在許多檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)比較弱，而且其中還包括了工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習(xí)慣上將具有這樣特點(diǎn)的放大器稱為測(cè)量放大器或儀用放大器。傳感器信號(hào)放大電路測(cè)量放大器＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo

圖中三個(gè)運(yùn)放組成的測(cè)量放大器,差動(dòng)輸入，輸入阻抗很高。采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu),較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器,其增益近似為1。測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由左式確定：

AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。由于AD522具有低電壓漂移(2μV/℃)、低非線性(0.005％，增益為100時(shí))、高共模抑制比(>110dB,增益為1000時(shí))、低噪聲傳感器信號(hào)放大電路測(cè)量放大器U＋＋Ui－-UiRG8114236139111874510kWAD522輸出基準(zhǔn)μ?地U－AD522的外圍電路 利用改變反饋電阻的辦法來實(shí)現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開關(guān)S1閉合,S2和S3斷開時(shí),放大倍數(shù)為

選擇不同的開關(guān)閉合,即可實(shí)現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對(duì)開關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇,即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。

傳感器信號(hào)放大電路 程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR??隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖傳感器信號(hào)放大電路 隔離放大器傳感器信號(hào)放大電路 隔離放大器由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì),消除了輸入、輸出端之間的耦合,因此還具有以下特點(diǎn)：（1）能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害,防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。（2）泄漏電流低,對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。（3）共模抑制比高,能對(duì)直流和低頻信號(hào)(電壓或電流)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。三分析信號(hào)濾波電路1.什么是濾波

通過傳感器獲得的信號(hào)中，混淆有許多其他頻率的干擾。由于干擾的存在，有時(shí)得到不正確的測(cè)量值，有時(shí)有用的信號(hào)被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號(hào)，抑制噪聲干擾，我們就要對(duì)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波。

按功能分：信號(hào)濾波電路2．濾波器的類型低通濾波器;高通濾波器;帶通濾波器;帶阻濾波器.低通濾波器

低頻通過，高頻衰減

從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。信號(hào)濾波電路低通濾波器信號(hào)濾波電路高通濾波器2)高通濾波器

低頻衰減，高頻通過與低通濾波相反，從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。3)帶通濾波器

通帶內(nèi)通過，通帶外衰減它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。信號(hào)濾波電路帶通濾波器4)帶阻濾波器

通帶內(nèi)衰減，通帶外通過與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過。信號(hào)濾波電路帶阻濾波器實(shí)際濾波器

實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。希望過渡帶越窄越好，也就是希望對(duì)通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。信號(hào)濾波電路在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域中，信號(hào)頻率相對(duì)來說不高。而RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件，所以在工程測(cè)試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。

1)一階RC低通濾波器

RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如圖。

無源濾波器信號(hào)濾波電路2)一階RC高通濾波器

RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖。

當(dāng)f很小時(shí)，A(f)=0，信號(hào)完全被阻擋，不能通過；當(dāng)f很大時(shí)，A(f)=1，信號(hào)不受衰減的通過。

無源濾波器信號(hào)濾波電路3)RC帶通濾波器

帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如圖。無源濾波器信號(hào)濾波電路極低和極高的頻率成分都完全被阻擋，不能通過；只有位于頻率通帶內(nèi)的信號(hào)頻率成分能通過。

當(dāng)高、低通兩級(jí)串聯(lián)時(shí)，應(yīng)消除兩級(jí)耦合時(shí)的相互影響，因?yàn)楹笠患?jí)成為前一級(jí)的“負(fù)載”，而前一級(jí)又是后一級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻。實(shí)際上兩級(jí)間常用射極輸出器或者用運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離。所以實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。運(yùn)算放大器既可起級(jí)間隔離作用，又可起信號(hào)幅值的放大作用。

有源濾波器信號(hào)濾波電路如果在低通濾波器后面接一個(gè)放大器,構(gòu)成有源低通濾波器其增益由確定，與時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)。有源濾波器信號(hào)濾波電路A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換

四信號(hào)轉(zhuǎn)換電路A/D和D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)組成部分及其作用：采樣保持A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路量化編碼(1)采樣保持采樣開關(guān)S的控制信號(hào)CPs的頻率fs≥2fimax這樣就能將采樣保持后的不失真地恢復(fù)成輸入電壓uI(t)。該公式稱為采樣定理。

A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(2)量化編碼

量化:編碼:將量化后的有限個(gè)整量值用n位一組的某種數(shù)字代碼(如二進(jìn)制碼、BCD碼或Gray碼等)對(duì)應(yīng)描述以形成數(shù)字量，