傳感器原理與應(yīng)用-基礎(chǔ)

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)BasicKnowledgeofSensorTechnology

2023/2/31傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

緒論

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)2023/2/32傳感器的組成及分類傳感器的基本特性常用信號調(diào)理電路傳感器技術(shù)基礎(chǔ)2023/2/33傳感器調(diào)理與處理顯示或控制裝置被測信號電信號信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調(diào)理電路的功能：電壓、電流調(diào)幅。構(gòu)成測量電路，實現(xiàn)補償、調(diào)零等功能。調(diào)制與解調(diào)、濾波及線性化處理。信號調(diào)理電路2023/2/34常用信號調(diào)理電路測量電橋信號放大電路信號轉(zhuǎn)換電路濾波電路調(diào)制與解調(diào)2023/2/35測量電橋電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路，也是最常見的信號調(diào)理電路之一。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo電橋的結(jié)構(gòu)：四個橋臂中有一個或多個橋臂是傳感器的敏感元件，其它為使電橋平衡而選擇的固定阻抗元件。2023/2/36電橋的分類按電橋的激勵電源分類：直流電橋：只能用來測量電阻變化。又分為恒壓源電橋和恒流源電橋。交流電橋：可用來測量電阻、電感、電容變化。交流電橋功能上相當于調(diào)幅器，輸出為調(diào)幅波。測量電橋2023/2/37平衡式電橋：也叫零位法測量電橋，通過自動調(diào)整橋臂的阻抗值，使電橋始終處于平衡狀態(tài)。調(diào)整的阻抗值反映了被測量的變化情況。按電橋的工作狀態(tài)分類：所謂電橋的平衡，是指電橋的輸出電壓為零的狀態(tài)。電橋平衡條件：相對臂阻抗乘積相等。特點：測量精度取決于調(diào)整阻抗，因此精度不高；對電源的穩(wěn)定性要求不高。電橋的分類HR1R2R3R4EG直流平衡電橋R5測量電橋2023/2/38abcdZ1Z2Z3Z4UIUo按電橋的工作狀態(tài)分類：不平衡式電橋：也叫偏差法測量電橋，指電橋的初始狀態(tài)是平衡狀態(tài)，當電橋的工作臂阻抗變化時，電橋失衡，輸出電壓不為零，輸出電壓反映了被測量的變化。特點：輸出信號能量小，易受干擾，需進行相應(yīng)的補償，如溫度補償；對電源的穩(wěn)定性要求很高。電橋的分類測量電橋2023/2/39電橋的分類按工作狀態(tài)（工作橋臂的個數(shù)）分類：單臂電橋：其中一個橋臂阻抗感受被測量。半橋：有兩個橋臂阻抗感受被測量。接橋原則：變化方向相反接相鄰臂；變化方向相同接相對臂。全橋：四個橋臂阻抗都感受被測量。接橋原則同上。測量電橋2023/2/310電橋的特點電橋輸出特性：電橋放大器、解調(diào)電路ΔR/ΔL/ΔCU(u)/I(i)指示儀表能測量出微弱的阻抗變化量?？梢酝ㄟ^采用對稱差動式傳感器結(jié)構(gòu)組成差動半橋或全橋，來實現(xiàn)非線性誤差的補償，并提高電橋輸出的靈敏度。能把電阻、電容、電感等電抗參數(shù)的變化，變換成電壓或電流的變化。測量電橋2023/2/311直流電橋直流電橋的激勵電源為直流電源，四個橋臂均為電阻，用于測量電阻、電阻率的變化。直流不平衡電橋的工作原理

電橋平衡條件：相對臂電阻乘積相等。輸出特性：abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流電橋測量電橋2023/2/312直流電橋直流不平衡電橋的工作原理

abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流電橋與電橋的供電電源電壓E成正比，故對電源穩(wěn)定性要求很高。與橋臂電阻的阻值比有關(guān)。設(shè)R2/R1=n，則：與電橋的工作臂的個數(shù)有關(guān)。工作橋臂數(shù)目越多，輸出靈敏度越大。輸出電壓靈敏度：測量電橋2023/2/313直流電橋電橋連接方式

直流電橋的連接方式有單臂半橋、雙臂半橋和全橋式。通常為全等臂電橋，即n=1。abcdR1+ΔRR2R3R4I1I2EUo單臂電橋相對靈敏度S1為：單臂半橋輸出電壓：測量電橋2023/2/314直流電橋電橋連接方式

雙臂半橋輸出電壓：相對靈敏度S2為：全橋輸出電壓：相對靈敏度S2為：abcdR1+ΔRR3R4I1I2EUo雙臂半橋R2-ΔRabcdR1+ΔRI1I2EUo全橋R2-ΔRR3+ΔRR4-ΔR測量電橋2023/2/315交流電橋直流電橋的激勵電源為交流電源，四個橋臂均為阻抗，可用于測量電阻、電容和電感的變化。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo~交流電橋的平衡條件：相對臂阻抗乘積相等交流電橋功能上相當于調(diào)幅器，輸出為調(diào)幅波。其后續(xù)測量電路應(yīng)進行解調(diào)。測量電橋2023/2/316交流電橋交流電橋使用時的注意事項交流電橋的平衡由兩個條件決定，供橋電源的穩(wěn)定性將影響平衡調(diào)節(jié)，因此對交流電橋的供橋電源要求較高。電橋的供橋電源一般采用頻率范圍5～10kHz的音頻交流電源。測量電橋2023/2/317放大電路應(yīng)具有的功能：足夠的放大倍數(shù)高輸入阻抗，低輸出阻抗高共模抑制能力低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流信號放大電路主要介紹：典型放大電路電荷放大電路儀表放大電路程控增益放大電路2023/2/318典型放大電路分為直流放大電路和交流放大電路，包括反相放大電路、同相放大電路和差動放大電路，均由集成運算放大器構(gòu)成。直流放大電路反相放大電路典型放大電路放大倍數(shù)為：同相放大電路放大倍數(shù)為：2023/2/319直流放大電路差動放大電路典型放大電路放大倍數(shù)為：R1+-RFR2R3UcUi1Ui2在差動放大電路中一般取R1=R2，R3=RF，則：假設(shè)放大器只有共模信號作用時，有ui1=ui2=uic，則uc=0，可見輸出信號中無共模成分。差動放大電路的特點是能有效的抑制共模干擾信號，電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸入阻抗較低（約2R1），增益調(diào)節(jié)困難。差動放大電路是儀表放大器等放大電路的基礎(chǔ)。2023/2/320交流放大電路交流反相放大電路典型放大電路放大倍數(shù)為：UiC1C3交流同相放大電路放大倍數(shù)為：C3C1Ui2023/2/321電橋放大電路由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。常應(yīng)用于電參量式傳感器。電橋放大電路有單端輸入和差動輸入兩類。典型放大電路單端輸入電橋放大電路差動輸入電橋放大電路線性電橋放大電路(a)

反相輸入電橋放大電路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2R3uoab(b)

同相輸入電橋放大電路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoabc圖2.32差動輸入電橋放大電路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoab圖2.33

線性電橋放大電路

Z1Z2Z3Z4eA+_uoab2023/2/322電荷放大電路的輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系，也稱為電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路。同時也起著阻抗變換的作用，常用于壓電傳感器的測量電路。電荷放大電路Q傳感器電纜運算放大器電荷傳感器電容連接電纜的寄生電容電荷放大器的特點：優(yōu)點：在一定條件下，uy與Q成正比，與Cc無關(guān)，采用電荷放大器時，即使連接電纜長達百米以上，其靈敏度也無明顯變化。缺點：電路復雜，調(diào)整困難，價格昂貴。2023/2/323儀表放大電路儀表放大電路是專門精密差分電壓的放大器。其特點是：高輸入阻抗、低偏置電流、低失調(diào)和低漂移、高共模抑制比、平衡的差動輸入和單端輸出。2023/2/324電路的組成和原理儀表放大電路組成：三個低漂移、低失調(diào)運算放大器構(gòu)成。兩極結(jié)構(gòu)： 第一級為兩個對稱的同相放大器——輸入級。第二級是一個差動放大器。電路為上、下對稱結(jié)構(gòu)。AB2023/2/325電路的組成和原理儀表放大電路原理：對稱同相放大器部分——輸入級：當RG為無窮大時，運放A1、A2相當于兩個電壓跟隨器?！岣叻糯笃鞯妮斎胱杩共罘挪糠郑寒擱3=R4=Ra，R5=R6=Rb時，

uo=-(Rb/Ra)uAB

=(Rb/Ra)(uB-uA)

放大器增益：Av=-(Rb/Ra)。注意：不通過Rb、Ra調(diào)增益。AB2023/2/326電路的組成和原理儀表放大電路原理：增益的調(diào)整：當R3=R4=R5=R6，R1=R2=R時， 令ui=u1-u2，則：

uo=-uAB

=-(1+2R/RG)ui放大器增益：

Av=uo/ui=uo/(u1-u2)=-(1+2R/RG)——通過改變RG可改變儀用放大器的閉環(huán)增益儀表放大電路的設(shè)計及應(yīng)用儀表放大器電路的實現(xiàn)方法主要分為兩大類：第一類由分立元件組合而成；另一類由單片集成芯片直接實現(xiàn)。

AB2023/2/327程控增益放大電路放大電路的增益調(diào)整有手動、自動和程控三種方法。程控增益放大電路是通過數(shù)字邏輯電路或計算機編程來改變增益的方法，也稱為可編程增益放大電路，簡稱PGA。可編程增益放大器一般由放大器、可變反饋電阻網(wǎng)絡(luò)可控制接口組成。程控放大器與普通放大器的區(qū)別在于反饋電路網(wǎng)絡(luò)可變，且受控于控制接口的輸出信號。不同控制信號將產(chǎn)生不同反饋系數(shù)，從而改變放大器閉環(huán)增益。2023/2/328單運放程控增益放大電路由多路模擬開關(guān)AD7501和單運放組成的程控增益放大電路如圖。R1A+_R21R3uiuo圖2.37

單運放程控增益放大電路A2A1A0COMI0I1I2I77501R21R22R23R28……(2)

儀表放大器程控增益放大電路集成儀表放大器AD620和多路模擬開關(guān)AD7502組成的程控增益放大電路如圖。圖2.38

AD620組成的程控增益放大電路AD620+_uoVEEVCC+_uiA1A0I0I1I2I37502Rg1Rg2Rg3Rg46184532(3)

集成程控增益放大器

集成程控增益放大器是將運算放大電路、電阻網(wǎng)路、模擬開關(guān)和譯碼電路等集成在一起，制成的單片集成電路。如美國國家半導體公司生產(chǎn)的LH0084。程控增益放大電路2023/2/329傳感器能將非電量轉(zhuǎn)換成電參量或電量，電參量有電阻、電感、電容、頻率和相位等多種形式。電量有電壓、電流、電荷等形式。信號轉(zhuǎn)換電路是將各類信號進行相互轉(zhuǎn)換的電路。信號轉(zhuǎn)換電路主要介紹：阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換2023/2/330阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換阻抗/電壓變換電路包括將電阻、電感和電容參數(shù)轉(zhuǎn)換到電壓的信號轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路

電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路，實際上是一種電阻計，由輸出電壓值指示電阻值。電阻的測量方法是：讓恒定的電流流過未知阻值的電阻Rx，然后測量其兩端的電壓，求出Rx的阻值。電容/電壓轉(zhuǎn)換電路電容檢測的方法有兩種：一是把電容作為一個阻抗元件，按照電阻與電壓轉(zhuǎn)換的方式進行變換；二是利用電容的充放電特性進行變換。運算放大電路法+_圖2.40

電容/電壓轉(zhuǎn)換電路ARfCfCxCs1Cs2Ruoui2023/2/331阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換當諧振頻率等于電源的頻率時，輸出最大。諧振電路的輸出隨電容C變化的曲線如圖所示。

電容/電壓轉(zhuǎn)換電路諧振電路法圖2.41

諧振電路LCxC1(a)uiucLCxC1(b)ucR~e諧振電路法適用于電感系數(shù)到電壓的轉(zhuǎn)換電路，即自感/電壓轉(zhuǎn)換電路。ucCabcd諧振電路的特性曲線電容轉(zhuǎn)換為電壓的方法還有脈沖調(diào)寬電路法、直流極化電路法和調(diào)頻電路法等其他方法。

2023/2/332電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換為了抑制外界干擾，常把傳感器輸出的電壓信號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成具有恒流特性的電流信號輸出，然后在接收端再由電流/電壓轉(zhuǎn)換還原成電壓信號。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

電壓/電流轉(zhuǎn)換電路(也叫V/I轉(zhuǎn)換器)就是把電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足線性關(guān)系的電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流相當一個輸出可調(diào)的恒流源。其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會隨負載的變化而變化。負載浮地的V/I轉(zhuǎn)換電路簡單的V/I轉(zhuǎn)換電路2023/2/333電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

負載浮地的V/I轉(zhuǎn)換電路輸出端加入晶體管驅(qū)動的V/I轉(zhuǎn)換電路目的：降低功耗、增大輸出電流。負載接地的V/I轉(zhuǎn)換電路負載RL一端接地。當R1=R2，R3=R4+R7時，輸出電流：差動輸入的V/I轉(zhuǎn)換電路當R1=R3，R2=R4時，輸出電流：R為輸出采樣電阻。電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換2023/2/334電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在測試系統(tǒng)中，有一些環(huán)節(jié)(如記錄儀和繼電器等)需要用電壓信號驅(qū)動，而且電流不能直接由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后才能轉(zhuǎn)換。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路也叫I/V轉(zhuǎn)換器，用于將輸入電流信號轉(zhuǎn)換成滿足線性關(guān)系的電壓信號輸出?；巨D(zhuǎn)換電路高輸入阻抗電路反相輸入型uoR3R1R4A+_(b)

同相輸入型R2iR2A+_iuo(a)

反相輸入型i1R1Rs同相輸入型電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換2023/2/335濾波電路（也稱濾波器）就是一種選頻裝置，可使信號中特定的頻率成分通過，而極大的衰減其他頻率成分。濾波電路的作用：濾除測試系統(tǒng)中由于各種原因引入的噪聲和干擾；濾除信號調(diào)制過程中的載波等無用信號；用于分離各種不同的頻率信號，提取感興趣的頻率成分；對系統(tǒng)的頻率特性進行補償。濾波電路2023/2/336對于一個濾波器，能通過它的頻率范圍稱為該濾波器的頻率通帶；被它抑制或極大地衰減的頻率范圍稱為頻率阻帶；通帶與阻帶的交界點稱為截止頻率。濾波器的分類濾波電路按處理的信號的形式分類：模擬濾波器數(shù)字濾波器按采用的元件分類：有源濾波器無源濾波器按信號選通的頻率范圍分類：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按濾波器傳遞函數(shù)的階次分類：一階濾波器二階濾波器高階濾波器2023/2/337濾波器的基本參數(shù)濾波電路增益A0：

指通帶內(nèi)的幅頻特性的幅值。0fA(ω)A0d0.707A0fc1fc2B通帶截止頻率fp：通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。阻帶截止頻率fr:阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率fc:信號增益下降到(即下降了3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為截止頻率。帶寬B:B=fc2-fc1，兩截止頻率之間的頻率范圍。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。中心頻率f0:品質(zhì)因數(shù)Q:Q=f0/B波紋幅度d:繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動值2023/2/338濾波器的基本參數(shù)濾波電路0fA(ω)A00.707A0fc1fc2B倍頻程選擇性W:表征過渡帶幅頻特性衰減的快慢程度。指在上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與(1/2)fc1之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。它反映了濾波器對通頻帶以外的頻率成分的衰減能力。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）λ：濾波器-60dB與-30dB帶寬之比。2023/2/339常見濾波器濾波電路模擬濾波器一般用傳遞函數(shù)H(s)表示輸入與輸出間的傳遞關(guān)系。而頻率特性函數(shù)H(jω)表示濾波器對在輸入正弦信號幅值不變的條件下，輸出信號隨頻率變化的關(guān)系。

無源濾波器無源RC低通濾波器

2023/2/340常見濾波器濾波電路無源濾波器無源RC高通濾波器

無源RC帶通濾波器

圖2.48無源RC帶通濾波器及幅頻特性(a)ui(t)uo(t)R1C1R2C2(b)A(f)f10

當R2>>R1時，后面的低通濾波器對前面的高通濾波器影響較小，可以忽略兩級耦合時的負載效應(yīng)，無源RC帶通濾波器可以看作是低通和高通濾波器的串聯(lián)，濾波器的傳遞函數(shù)H(s)為：2023/2/341常見濾波器濾波電路有源濾波器有源濾波器一般由集成運算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成，RC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)濾波作用，集成運算放大器將負載端和濾波網(wǎng)絡(luò)隔離，可以提高增益和帶負載能力。

有源低通濾波器

有源高通濾波器有源帶通濾波器2023/2/342調(diào)制與解調(diào)為什么要進行調(diào)制與解調(diào)？傳感器輸出一般是一些緩變且較弱的電信號，無論在放大器選擇，還是傳輸方面都有諸多不便。調(diào)制與解調(diào)的目的是解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題，提高電路的抗干擾能力、傳輸能力及有效地提高信噪比。2023/2/343調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：就是使一個信號（高頻載波）的某些參數(shù)（幅值、頻率或相位）在另一低頻信號（調(diào)制信號）的控制下發(fā)生變化的過程，輸出已調(diào)制波。解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復出調(diào)制信號的過程。分類：按被調(diào)制信號（載波）形式：連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制。按調(diào)制信號的形式：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)制信號的參數(shù)不同，連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制又可分為：2023/2/344調(diào)制與解調(diào)分類：按被調(diào)制信號的參數(shù)不同，連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制又可分為：以簡諧信號為載波：調(diào)幅（幅值調(diào)制AM）載波信號的幅值受調(diào)制信號控制調(diào)頻（頻率調(diào)制FM）載波信號的頻率受調(diào)制信號控制調(diào)相（相位調(diào)制PM）載波信號的相位受調(diào)制信號控制2023/2/345調(diào)制與解調(diào)分類：按被調(diào)制信號的參數(shù)不同，連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制又可分為：以脈沖信號為載波：脈幅調(diào)制（PAM）：調(diào)制脈沖的幅度。當脈沖幅度用一組二進制碼表示時稱為脈沖編碼調(diào)制。（PCM）脈寬調(diào)制（PDM）：調(diào)制脈沖的寬度。脈位調(diào)制（PPM）：調(diào)制脈沖的重復頻率。2023/2/346調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制（調(diào)幅）：使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化，輸出已調(diào)制波的過程。線性調(diào)幅時域分析：就是用被測低頻緩變信號與高頻信號相乘，使載波的幅值隨著調(diào)制信號而變。2023/2/347調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)線性調(diào)幅頻域分析：實現(xiàn)信號的頻譜搬移。方法一：方法二：幅度調(diào)制2023/2/348調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)