傳感器與檢測系統(tǒng)信號處理技術(shù)

第8章傳感器與檢測系統(tǒng)信號處理技術(shù)測量電路的基本組成控制電路的基本組成電橋電路信號的放大與隔離在檢測系統(tǒng)中，被測的非電信號經(jīng)傳感器后變換為電信號，如電壓、電流和電阻等。

傳感器

測量控

制電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)測控系統(tǒng)的組成測控電路在整個測控系統(tǒng)中起著什么樣的作用？為什么說測控電路是測控系統(tǒng)中最靈活的環(huán)節(jié)，它體現(xiàn)在哪些方面？1、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換2、信號形式的轉(zhuǎn)換3、量程的變換4、信號的選取5、信號處理與運算一、測量電路的基本組成(一)模擬式測量電路的基本組成

(二)數(shù)字式測量電路的基本組成模擬式信號(一)非調(diào)制信號測控電路的輸入信號與輸出信號圖1-2非調(diào)制模擬信號120xt(二)經(jīng)調(diào)制信號幾個重要概念：1、載波頻率（carryingfrequency)2、載波信號（carryingsignal)3、調(diào)制信號（modulatingsignal)4、已調(diào)信號（modulatedsignal)5、調(diào)幅信號（amplitudemodulatedsignal)1、什么是信號調(diào)制？調(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個做為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。2、什么是解調(diào)？在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)。信號調(diào)制解調(diào)3、在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？

在測控系統(tǒng)中，進(jìn)入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測控電路的一項重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。4、

為什么在測控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號調(diào)制？為了提高測量信號抗干擾能力，常要求從信號一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。

5、在測控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號。一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號作載波信號?？梢詫γ}沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬。6、什么是調(diào)制信號、載波信號、已調(diào)信號？調(diào)制是給測量信號賦予一定特征，這個特征由作為載體的信號提供。常以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號。在測控系統(tǒng)中，通常就用測量信號作調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。1、什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出其波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號的幅值按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)幅信號的一般表達(dá)式可寫為：us=(Um+mx)coswct

調(diào)幅式測量電路txOtOucusa)調(diào)制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調(diào)幅信號調(diào)幅式測量電路調(diào)幅式測量電路2、通過交流供電實現(xiàn)調(diào)制如，電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器。R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4應(yīng)變式傳感器輸出信號的調(diào)制usucx214圖1-3用電感傳感器測量工件輪廓形狀3圖1-4調(diào)幅信號c)ustuctb)a)OxtxOxO例：用電感傳感器測量工件輪廓形狀調(diào)頻式測量電路（一）什么是調(diào)頻？寫出調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出其波形。調(diào)頻就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號的頻率按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號us的一般表達(dá)式可寫為：us=Umcos(wc+mx)t

調(diào)頻式測量電路

xtOOtusa)調(diào)制信號b)調(diào)頻信號調(diào)頻信號的波形421TNS3測力或壓力的振弦式傳感器（二）傳感器調(diào)制調(diào)相式測量電路（一）什么是調(diào)相？寫出調(diào)相信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出其波形。調(diào)相就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的相位。常用的是線性調(diào)相，即讓調(diào)相信號的相位按調(diào)制信號x的線性函數(shù)變化。調(diào)相信號us的一般表達(dá)式可寫為：

us=Umcos(wct

+mx)調(diào)相式測量電路

a)b)c)txOttucusOO調(diào)相式測量電路（二）傳感器調(diào)制13245M扭矩測量調(diào)相式測量電路

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫爾條紋信號的調(diào)制脈沖調(diào)制式測量電路（一）什么是脈沖調(diào)寬？寫出脈沖調(diào)寬信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出其波形。脈沖調(diào)制是指用脈沖作為載波信號的調(diào)制方法。在脈沖調(diào)制中具有廣泛應(yīng)用的一種方式是脈沖調(diào)寬。脈沖調(diào)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：B=b+mx脈沖調(diào)制式測量電路

Ua)調(diào)制信號b)脈沖調(diào)寬信號txOxTBtO第五節(jié)脈沖調(diào)制式測量電路（二）傳感器調(diào)制1243567910118Mθ用激光掃描的方法測量工件直徑模擬式測量電路的基本組成電路傳

感

器量程切換電路放

大

器

解

調(diào)

器信號分離電路運

算

電

路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計

算

機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)振

蕩

器

電

源數(shù)字式信號（一）增量碼信號（二）絕對碼信號（三）開關(guān)信號1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001數(shù)字式測量電路的基本組成：指令傳感器電路傳

感

器顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)計

算

機(jī)鎖

存

器計

數(shù)

器轉(zhuǎn)換電路脈沖當(dāng)量放

大

器整形電路細(xì)分電路手動采樣鎖存指令辨向電路增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成數(shù)字式測量電路的基本組成：二、控制電路的基本組成(一)開環(huán)控制(二)閉環(huán)控制圖1-8開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成測量電路

控制電路

擾動量傳感器放大電路輸出轉(zhuǎn)換電路設(shè)定電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定機(jī)構(gòu)被控對象（一）開環(huán)控制

設(shè)定電路比較電路校正電路轉(zhuǎn)換電路給定機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象輸出傳感器擾動放大電路控制電路圖1-9閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成

（二）閉環(huán)控制測量電路的輸入信號類型對其電路組成有何影響？試述模擬式測量電路與增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成及各組成部分的作用。為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？試述閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成及各組成部分的作用。問題:三、電橋電路

電橋電路又叫惠斯登電橋，它是將電阻、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。

電橋電路按其所采用的激勵電源類型

直流電橋交流電橋工作方式有兩種：平衡電橋（零檢測器）和不平衡電橋。在傳感器的應(yīng)用中主要是不平衡電橋。

（一）直流電橋

電橋平衡的條件：R1*R4=R2*R3電壓輸出：U0=0電橋輸出根據(jù)電橋平衡的條件可分三種情況：

（1）四臂電阻相等輸出電壓Uo=0（其中一個橋臂上的電阻值改變，Uo就不為零，這是最常用的電阻應(yīng)變片測量電路。）

（2）輸出對稱電橋（3）電源對稱電橋

假設(shè)電橋各臂電阻值都發(fā)生變化，其阻值的增量分別為、、、，則電橋的輸出為：

結(jié)論：等臂全橋測量電路，對于相同的電阻變化量，輸出的電壓信號最大?！`敏度最高（二）交流電橋

如果電橋的供電電源為交流電壓時，這種電橋稱為交流電橋。為適應(yīng)電感、電容式傳感器的需要

交流電橋通常采用正弦交流電壓供電，在頻率較高的情況下需要考慮分布電感和分布電容的影響。

交流電橋的平衡條件交流電橋的四臂可以為：電阻、電容、電感或變壓器的兩個次級線圈交流電橋的四個橋臂分別用阻抗、、、表示

交流電橋的平衡條件為：

電阻交流電橋

電感電橋電容電橋變壓器電橋電路

電阻交流電橋1、單臂電阻；2、等臂差動電橋；3、全橋交流電橋。電感電橋

兩相鄰橋臂為電感L1和L2，另兩臂為純電阻R1和R2，其中和為電感線圈的有功電阻。

若設(shè)Z1、Z2為傳感器阻抗

且則有另有

由于電橋是雙臂工作，所以接入的是差動電感式傳感器的兩差動電感，工作時：

電橋的輸出電壓為：

當(dāng)ωL＞＞R'時，上式可近似為：

交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈的電感相對變化量成正比。

電容電橋

兩相鄰橋臂為電容C1和C2，另兩臂為純電阻R1和R2，其中

和為電容介質(zhì)損耗電阻。

設(shè)Z1、Z2為傳感器阻抗，

且有由于電橋是雙臂工作，所以接入的是差動電容式傳感器的兩差動電容，

電橋的輸出電壓為：

當(dāng)ωC＞＞R'時，上式可近似為：

交流電橋的輸出電壓與傳感器的電容相對變化量成正比。變壓器電橋電路

電感式傳感器和電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路還常采用變壓器電橋

它的平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組，差動傳感器的兩差動電容或差動電感分別接在另兩個臂設(shè)其阻抗分別為Z1和Z2，

(由于被測量使傳感器的阻抗發(fā)生變化)

電橋的輸出電壓為：

四、信號的放大與隔離(一)何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？1、在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路，亦稱儀用放大電路。2、對其基本要求：①輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；②一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；③低噪聲；④低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；⑤足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率；⑥高共模輸入范圍和高共模抑制比；⑦可調(diào)的閉環(huán)增益；⑧線性好、精度高；⑨成本低。3、測量放大電路的類型按照測量放大電路的結(jié)構(gòu)原理差動直接耦合式調(diào)制式自動穩(wěn)定式差動直接耦合式包括單端輸入（同相或反相）運算放大電路電橋放大電路電荷放大電路等按照元件的制造方式分立元件結(jié)構(gòu)形式通用集成運算放大器組成形式（性價比好）單片集成測量放大器（專門芯片，價格高）4、幾個重要術(shù)語開環(huán)增益K閉環(huán)增益Kf差模增益Kd共模增益Kc輸入失調(diào)電壓u0s輸入失調(diào)電流I0s零點漂移共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc

(二)運算放大器（反相放大器、同相放大器)（一）反相放大器Kf=uo/ui=–R2/R1R3=R1//R2

uoR3uiR1R2∞-++N1（二）同相放大器Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1//R2Zi=Kzin/(1+R2/R1)+R3→∞uoR3uiR1R2∞-++N1（三）交流放大器1、交流反相放大電路Kf=–R2/R1R3=R2

C1：隔直電容C3：旁路電容，防止振蕩C3R3>C1R1uoR3uiR1R2∞-++N1C1C32、同相交流放大電路C1：隔直電容R3：C1的放電回路

R3

必須有zi=R3

使同相放大器失去高輸入阻抗的特點uoR3uiR1R2∞-++N1C13、交流電壓跟隨電路同相放大電路的特例為減小失調(diào)電流，R3=R2

uoR3uiR2∞-++N1C1（三）測量放大器測量放大器的特點測量放大器的組成實用測量放大器測量放大器的特點測量放大器對低電平信號進(jìn)行線性放大，阻抗匹配、抗共模干擾、具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點。1、自舉式高輸入阻抗放大電路a)同相交流放大電路uoR1R2C2C1R3∞-++uib)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3∞-++c)自舉組合電路輸入電阻為Ri=(R1R2)/(R2-R1)當(dāng)R2=R1時，Ri→∞

i2=i1

uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自舉電路■何謂自舉電路?

自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路?！鍪遣皇撬星闆r下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？

高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中。如電容式、壓電式傳感器的測量放大電路。什么是差動放大器？

差動放大器是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。2、差動放大器差動放大器基本電路共模與差模輸入R3uoR4ui2R1∞-++N1R2ui1R3uoR4ud/2R1∞-++N1R2ud/2uic差動放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效電路ud=ui1﹣ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效電路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2﹣(R3/R1)ui1

若R1=R2，R3=R4，則uo=﹣(R3/R1)ud即只對差模信號進(jìn)行放大假設(shè)放大器只有共模信號作用時uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic﹣(R3/R1)uic當(dāng)R1=R2，R3+R4時，uoc=0即輸出信號中無共模信號成分何謂電橋放大電路？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。應(yīng)用于何種場合？應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進(jìn)一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。

3、電橋放大電路電橋放大電路（一）單端輸入電橋放大電路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相輸入R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++Nb)同相輸入電橋放大電路（二）差動輸入電橋放大電路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR電橋放大電路（三）線性電橋放大電路

uoR3R2

=R（1+δ）R1uuaR1ub∞-++N

什么是高共模抑制比放大電路？用來抑制傳感器輸出共模電壓（包括干擾電壓）的放大電路稱為高共模抑制比放大電路。應(yīng)用于何種場合？應(yīng)用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。4、高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路（一）雙運放高共模抑制比放大電路1、反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2當(dāng)R2/R1=R4/R5，ui1=ui2時，uo=0通常取R1=R5，R2=R4ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2高共模抑制比放大電路2、同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型uo1=(1+R2/R1)ui1(uo1–ui2)/R3=(ui2–uo)/R4uo=(1+R4/R3)ui2-(1+R2/R1)(R4/R3)ui1為了獲得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1高共模抑制比放大電路3、三運放高共模抑制比放大電路IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1=(ui2–ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rpuo=(uo2–uo1)R5/R3

ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3（四）單片集成測量放大器美國AnalogDevices公司提供的AD521、AD522、AD612、AD614等。國內(nèi)749廠生產(chǎn)的有ZF605、ZF603、ZF604等。在信號處理中采用單片測量放大器芯片。其具有性能優(yōu)異、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點。

AD612和AD614測量放大器內(nèi)部電路

AD612的測量電橋接線圖

（五）測量放大器的使用

測量放大器在使用時應(yīng)注意以下幾點：（1）差動輸入端的連接（測量放大器輸入端的正確連接）。

（2）護(hù)衛(wèi)（Guard）端的連接。

如果電纜的屏蔽層不接護(hù)衛(wèi)端而接地，如圖所示，那么對交流共模干擾Vcm就不能有效地抑制。因為電纜的信號傳輸線與屏蔽之間存在分布電容，分布電容C1、C2和傳輸線電阻Ri1、Ri2分別構(gòu)成兩個RC分壓器。由于這兩個分壓器并不完全對稱相等，這就使共模干擾電壓Vcm在測量放大器兩輸入端以差模形式呈現(xiàn)出來，從而被差模放大并形成干擾。當(dāng)測量放大器通過電纜與信號源連接時，電纜的屏蔽層應(yīng)連接測量放大器的護(hù)衛(wèi)端。護(hù)衛(wèi)端15腳引自測量放大器前級兩運放輸出的中點，其電位為共模輸入電壓Vcm。屏蔽層接護(hù)衛(wèi)端就使RC分壓器兩端電位都是Vcm，電位差為零，分壓值也必為零，這樣就有效地消除了共模干擾。

（3）R端、S端的連接。

接有遠(yuǎn)距離負(fù)載輸出端接有跟隨器當(dāng)R端加接參考電壓時（四）程控測量放大器PGA

在含有微機(jī)的檢測系統(tǒng)中通常采用一種新型的可編程增益放大器PGA（ProgrammableGainAmplifier）。它是通用性很強(qiáng)的放大器，其特點是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過編程進(jìn)行控制，使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達(dá)到統(tǒng)一化。

測控系統(tǒng)中使用的可編程增益放大器主要有浮點放大器型、增益電阻切換型和D/A轉(zhuǎn)換型。

1．浮點放大器型2．增益電阻切換型

反相輸入的數(shù)控增益放大器同相輸入的數(shù)控增益放大器3、集成可編程增益放大器把運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)以及譯碼電路等集成。美國AD公司：LH0075、LH0076、LH0086、LH0084、AM542什么是隔離放大電路？隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。應(yīng)用于何種場合？隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學(xué)人體測量、自動化試驗設(shè)備、工業(yè)過程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。(五）

隔離放大電路隔離放大電路（一）基本原理1、組成及符號－＋輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸出放大器－＋uducuiso隔離放大電路2、原理框圖a)變壓器耦合浮置電源輸入調(diào)制放大器耦合變壓器輸出解調(diào)放大器輸出輸入－＋b)光電耦合浮置電源光耦合器輸入放大器－＋輸出放大器輸出輸入LEDV隔離放大電路（二）通用隔離放大電路AD277變壓器耦合隔離放大器隔離電源振蕩器調(diào)制器輸入屏蔽解調(diào)器輸出屏蔽268734195＋15V－15V13121016－U100kΩ100kΩ1MΩ141115＋U∞-++N1∞-++N2五、信號的轉(zhuǎn)換從信息形態(tài)變化的觀點將各種轉(zhuǎn)換分為三種：從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換電量之間的轉(zhuǎn)換從電量到物理量的轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)換電路從信息形態(tài)變化的觀點將各種轉(zhuǎn)換分為三種：從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換電量之間的轉(zhuǎn)換從電量到物理量的轉(zhuǎn)換常用的信號轉(zhuǎn)換電路電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換（A/D、D/A轉(zhuǎn)換）（一）電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換1、直流信號的優(yōu)點（與交流信號進(jìn)行比較）在信號的傳輸過程中，直流信號不受交流感應(yīng)的影響，干擾問題也易解決；直流信號在電纜線中傳輸時，不受電纜分布電容及電感的影響，接線問題易解決；可方便用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換。問題：在測控電路中，為什么采用直流信號作為傳輸信號和輸入、輸出信號？國際標(biāo)準(zhǔn)：電流信號4~20mA

電壓信號1~20v2、電壓與電流轉(zhuǎn)換（V/I轉(zhuǎn)換器）（1）轉(zhuǎn)換的條件（為保證一定的轉(zhuǎn)換精度和比較