第11章 傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù) 2

第11章傳感器輸出信號(hào)的處理技術(shù)2/3/20231學(xué)習(xí)目的掌握傳感器輸出信號(hào)的形式掌握常用典型傳感器接口電路了解干擾的來(lái)源與抗干擾技術(shù)2/3/2023211.1傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)11.2傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)電路11.3輸出信號(hào)的干擾及控制技術(shù)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄2/3/20233傳感器使用時(shí)需與專(zhuān)用的測(cè)量電路有效結(jié)合才能發(fā)揮其功能，理想的傳感器電路不僅能使其正常工作，還能在一定程度上克服傳感器本身的不足，擴(kuò)展其功能，使傳感器的功能得到充分的發(fā)揮。同時(shí)，為使傳感器的輸出信號(hào)能用于儀器、儀表的顯示或控制，往往要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行必要的加工處理。2/3/2023411．1傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)11.1.1傳感器輸出信號(hào)的形式由于傳感器種類(lèi)繁多，傳感器的輸出形式也是各式各樣的。例如，盡管同是溫度傳感器，熱電偶隨溫度變化輸出的是不同的電壓，熱敏電阻隨溫度變化輸出的是不同的電阻，而雙金屬溫度傳感器則隨溫度變化輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。表11-1列出了傳感器輸出信號(hào)的一般形式。2/3/20235表11-1傳感器的輸出信號(hào)形式2/3/2023611.1.2傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)①傳感器輸出的信號(hào)類(lèi)型有電壓、電流、電阻、電容、電感、頻率等，通常是動(dòng)態(tài)的。②輸出的電信號(hào)一般都比較弱，如電壓信號(hào)通常為μV—mV級(jí)，電流信號(hào)為nA—mA級(jí)。③傳感器內(nèi)部存在噪聲，輸出信號(hào)會(huì)與噪聲信號(hào)混合在一起，當(dāng)噪聲比較大而輸出信號(hào)又比較弱時(shí)，常會(huì)使有用信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中。④傳感器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬。輸出信號(hào)隨著物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系，例如，熱敏電阻值隨溫度變化按指數(shù)函數(shù)變化。輸出信號(hào)大小會(huì)受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。⑤傳感器的輸出信號(hào)受外界環(huán)境（如溫度、電場(chǎng)）的干擾。⑥傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣會(huì)使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)，產(chǎn)生較大信號(hào)衰減。2/3/2023711.1.3輸出信號(hào)的處理方法根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取不同的信號(hào)處理方法來(lái)提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和線性度，這正是傳感器信號(hào)處理的目的。另外，傳感器在測(cè)量過(guò)程中常摻雜有許多噪聲信號(hào)，它會(huì)直接影響測(cè)量系統(tǒng)的精度，因此抑制噪聲也是傳感器信號(hào)處理的重要內(nèi)容。傳感器輸出信號(hào)的處理主要由傳感器的接口電路完成。因此傳感器接口電路應(yīng)具有一定信號(hào)預(yù)處理的功能。經(jīng)預(yù)處理后的信號(hào)，應(yīng)成為可供測(cè)量、控制使用及便于向微型計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)形式。接口電路對(duì)不同的傳感器是完全不一樣的，其典型應(yīng)用電路見(jiàn)表11-2。2/3/20238表11-2典型的傳感器接口電路2/3/2023911．2傳感器信號(hào)的檢測(cè)電路完成傳感器輸出信號(hào)處理的各種接口電路統(tǒng)稱(chēng)為傳感器檢測(cè)電路。傳感器信號(hào)檢測(cè)電路是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，也是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁。不同傳感器信號(hào)檢測(cè)電路的組成和內(nèi)容差別較大。11.2.1檢測(cè)電路形式開(kāi)關(guān)型傳感器:有許多非電量的檢測(cè)技術(shù)要求對(duì)被測(cè)量進(jìn)行某一定值的判斷，當(dāng)達(dá)到確定值時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)輸出控制信號(hào)。在這種情況下，大多使用開(kāi)關(guān)型傳感器，利用其開(kāi)關(guān)功能，作為直接控制元件使用。使用開(kāi)關(guān)型號(hào)傳感器的檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，可以直接用傳感器輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電路和報(bào)警電路工作。2/3/202310模擬信號(hào)輸出的傳感器:定值判斷的檢測(cè)系統(tǒng)中，由于檢測(cè)對(duì)象的原因，也常使用具有模擬信號(hào)輸出的傳感器。在這種情況下，往往要先由檢測(cè)電路進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，再放大，然后用比較器將傳感輸出信號(hào)與設(shè)置的比較電平相比較。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)達(dá)到設(shè)置的比較電平時(shí)，比較器輸出狀態(tài)發(fā)生變化，由原來(lái)的低電平轉(zhuǎn)為高電平輸出，驅(qū)動(dòng)控制電路及報(bào)警電路工作。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)要獲得某一范圍的連續(xù)信息時(shí)，必須使用數(shù)字電壓表將檢測(cè)結(jié)果直接顯示出來(lái)。數(shù)字式電壓表一般由A/D轉(zhuǎn)換器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器組成。這種檢測(cè)電路以數(shù)字讀數(shù)的形式顯示出被測(cè)物理量，例如溫度、水分、轉(zhuǎn)速及位移量等等。接口電路則根據(jù)傳感器的輸出特點(diǎn)進(jìn)行選擇。2/3/20231111.2.2常用電路1、阻抗匹配器傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號(hào)的衰減，常常采用高輸入阻抗低輸出阻抗的阻抗匹配器作為傳感器輸入到測(cè)量系統(tǒng)的前置電路。常見(jiàn)的阻抗匹配器有半導(dǎo)體管阻抗匹配器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗匹配器及運(yùn)算放大器阻抗匹配器。2/3/2023122．電橋電路電橋電路是傳感器檢測(cè)電路中經(jīng)常使用的電路，主要用來(lái)把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流，根據(jù)電橋供電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋。直流電橋主要用于電阻式傳感器，例如，熱敏電阻、電位器等。交流電橋主要用于測(cè)量電容式傳感器和電感式傳感器的電容和電感的變化。電阻應(yīng)變片傳感器大都采用交流交流電橋，這是因?yàn)閼?yīng)變片電橋輸出信號(hào)微弱需經(jīng)放大器進(jìn)行放大，而使用直流放大器容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。此外，應(yīng)變片與橋路之間采用電纜連接，其引線分布電容的影響不可忽略，使用交流電橋還會(huì)消除這些影響。電橋電路詳見(jiàn)第2章。2/3/2023133．放大電路傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，因而在大多數(shù)情況下都需要放大電路。放大電路主要用來(lái)將傳感器輸出的直流信號(hào)或交流信號(hào)進(jìn)行放大處理，為檢測(cè)系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號(hào)，它對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用。目前檢測(cè)系統(tǒng)中的放大電路，除特殊情況外，一般都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。圖11-1為放大器電路。2/3/202314差動(dòng)放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制共模信號(hào)。共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端所加的大小相等、極性相同的信號(hào)。理想的差動(dòng)放大器對(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為零，所以差動(dòng)放大器零點(diǎn)漂移最小。來(lái)自外部空間的電磁波干擾也屬于共模信號(hào)，它們也會(huì)被差動(dòng)放大所抑制，所以說(shuō)差動(dòng)放大器的抗干擾能力極強(qiáng)。圖11-1放大器基本電路2/3/2023154．電荷放大器利用壓電式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，壓電元件輸出的信號(hào)是電荷量的變化，配上適當(dāng)?shù)碾娙莺?，它的輸出電壓可高達(dá)幾十伏到數(shù)百伏，但信號(hào)功率卻很小，信號(hào)源的內(nèi)阻也很大。為此，要在壓電元件和檢測(cè)電路之間配接一個(gè)放大器，放大器應(yīng)具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。目前用的較多的是電荷放大器。電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器，其優(yōu)點(diǎn)在于可以避免傳輸分布電容的影響。電荷放大器在第二章壓電傳感器測(cè)量電路中已經(jīng)詳細(xì)講解，這里不再贅述。2/3/202316（a）（b）電荷放大器等效電路圖從上式可以看出,電荷放大器輸出電壓只與電荷Q和反饋電容有關(guān),而與傳輸電纜的分布電容無(wú)關(guān),說(shuō)明電荷放大器的輸出電壓不受傳輸電纜長(zhǎng)度的影響,為遠(yuǎn)距離測(cè)量提供了方便條件.但是,測(cè)量精度卻與配接電纜的分布電容有關(guān),例如,當(dāng)

電纜分布電容如果為100pF時(shí),要求測(cè)量精度為1%時(shí),允許電纜的長(zhǎng)度約為1000m，當(dāng)要求的精度為0.1%時(shí),則電纜的長(zhǎng)度僅有100m.2/3/20231711.3輸出信號(hào)的干擾及控制技術(shù)噪聲——在傳感器電路的信號(hào)傳遞中，所出現(xiàn)的與被測(cè)量無(wú)關(guān)的隨機(jī)信號(hào)被稱(chēng)為噪聲。干擾——在信號(hào)提取與傳遞中，噪聲信號(hào)常疊加在有用信號(hào)上，使有用信號(hào)發(fā)生畸變而造成測(cè)量誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒂杏眯盘?hào)淹沒(méi)其中，使測(cè)量工作無(wú)法正常進(jìn)行，這種由噪聲所造成的不良效應(yīng)被稱(chēng)為干擾。而傳感器或檢測(cè)裝置需要在各種不同的環(huán)境中工作，于是噪聲與干擾不可避免地要作為一種輸入信號(hào)進(jìn)入傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)中。因此系統(tǒng)就不可避免地會(huì)受到各種外界因素和內(nèi)在因素的干擾。為了減小測(cè)量誤差，在傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中，應(yīng)盡量減少或消除有關(guān)影響因素的作用。2/3/20231811.3.1干擾的類(lèi)型與要素類(lèi)型：常見(jiàn)的干擾有機(jī)械干擾（振動(dòng)與沖擊）、熱干擾（溫度與濕度變化）、光干擾（其他無(wú)關(guān)波長(zhǎng)的光）、化學(xué)干擾（酸/堿/鹽及腐蝕性氣體）、電磁干擾（電/磁場(chǎng)感應(yīng)）、輻射干擾（氣體電離、半導(dǎo)體被激發(fā)、金屬逸出電子）等。對(duì)由傳感器形成的測(cè)量裝置而言，形成噪聲干擾通常有3個(gè)要素：噪聲源、通道（噪聲源到接收電路之間的耦合通道）、接收電路。按照噪聲產(chǎn)生的來(lái)源，噪聲來(lái)源可分為兩種：（１）內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是由傳感器或檢測(cè)電路元件內(nèi)部帶電微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，例如熱噪聲、散粒噪聲以及接觸不良引起的噪聲等。（２）外部噪聲外部噪聲則由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)外部人為或自然干擾造成的。外部噪聲的來(lái)源主要為電磁輻射，當(dāng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)及其它電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，雷電、大氣電離及其它自然現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。在檢測(cè)系統(tǒng)中，由于元件之間或電路之間存在著分布電容或電磁場(chǎng)，因而容易產(chǎn)生寄生耦合現(xiàn)象，在寄生耦合的作用下，電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁波就會(huì)引入檢測(cè)系統(tǒng)，干擾電路的正常工作。2/3/20231911.3.2干擾控制的方法干擾噪聲的控制就是如何阻斷干擾的傳輸途徑和耦合通道。檢測(cè)裝置的干擾噪聲控制方法常采用的有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、隔離技術(shù)、濾波器等硬件抗干擾措施，以及冗余技術(shù)、陷阱技術(shù)等微機(jī)軟件抗干擾措施。對(duì)其它種類(lèi)干擾可采用隔熱、密封、隔振及蔽光等措施，或在轉(zhuǎn)換為電量后對(duì)干擾進(jìn)行分離或抑制。削弱接收電路對(duì)干擾的靈敏度—通過(guò)電子線路板的合理布局，如輸入電路采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)的數(shù)字傳輸、信號(hào)傳輸線采用雙絞線等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)阻斷或減弱干擾的耦合通道或傳輸途徑消除或抑制干擾源—消除干擾源是最有效、最徹底的方法，但在實(shí)際中是很難完全消除的檢測(cè)裝置的干擾控制方式主要是根據(jù)噪聲干擾必須具備的3個(gè)要素（噪聲源、通道、接收電路）2/3/2023201.屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來(lái)，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。屏蔽電場(chǎng)屏蔽—電場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)防止元件或電路間因分布電容耦合形成的干擾。磁場(chǎng)屏蔽—主要用來(lái)消除元件或電路間因磁場(chǎng)寄生耦合產(chǎn)生的干擾，磁場(chǎng)屏蔽的材料一般都選用高磁導(dǎo)系數(shù)的磁性材料電磁屏蔽—電磁屏蔽主要用來(lái)防止高頻磁場(chǎng)的干擾。電磁屏蔽的材料應(yīng)選用導(dǎo)電率較高的材料，如銅、銀等，利用電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽的屏蔽體可以不接地，但一般為防止分布電容的影響，可以使電磁的屏蔽體接地，起到兼有電場(chǎng)屏蔽的作用。電場(chǎng)屏蔽體必須可靠接地。2/3/2023212.接地電路或傳感器中的地指的是一個(gè)等電位點(diǎn)，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連就是接地。傳感器或電路接地，是為了清除電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓，也可以避免受磁場(chǎng)或地電位差的影響。把接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，就可抑制大部分的噪聲。2/3/202322圖11-2單級(jí)電路的一點(diǎn)接地圖11-3多級(jí)電路的一點(diǎn)接地2/3/2023233.隔離前后兩個(gè)電路信號(hào)端直接連接,容易形成環(huán)路電流,引起噪聲干擾。這時(shí),常采用隔離的方法,把兩個(gè)電路的信號(hào)端從電路上隔開(kāi)。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。在兩個(gè)電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環(huán)路,實(shí)現(xiàn)前后電路的隔離,變壓器隔離只選用于交流電路。在直流或超低頻測(cè)量系統(tǒng)中,常采用光電耦合的方法實(shí)現(xiàn)電路的隔離。2/3/202324圖11-4變壓器隔離和光電耦合器隔離2/3/2023254.濾波濾波電路或?yàn)V波器是一種能使某一種頻率順利通過(guò)而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。因傳感器的輸出信號(hào)大多是緩慢變化的，因而對(duì)傳感器輸出信號(hào)的濾波常采用有源低通濾波器，它只允許低頻信號(hào)通過(guò)而不能通過(guò)高頻信號(hào)。常采用的方法是在運(yùn)算放大器的同相端接入一階或二階RC有源低通濾波器，使干擾的高頻信號(hào)濾除，而有用的低頻信號(hào)順利通過(guò)；反之，在輸入端接高通濾波器，將低頻干擾濾除，使高頻有用信號(hào)順利通過(guò)。2/3/202326除了上述的濾波器外，有時(shí)還要使用帶通濾波器和帶阻隔濾波器。帶通濾波器的作用是只允許某一頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)都被阻斷，它常用于從許多信號(hào)中獲取所需要的信號(hào)，而使干擾信號(hào)被濾除。帶阻濾波器和帶通濾波器相反，在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(guò)，而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過(guò)?？傊?/p>