第4章檢測技術與傳感器

第4章檢測技術與傳感器

4.1概述

4.2位移檢測

4.3速度、加速度檢測

4.4力、扭矩和流體壓強檢測

4.5其他傳感器

4.6傳感器的正確選擇和使用

4.7傳感器前級信號處理

4.8傳感器接口技術

4.1概述4.1.1檢測系統(tǒng)的組成機電一體化產(chǎn)品中需要檢測的物理量分成電量和非電量兩種形式，非電量的檢測系統(tǒng)有兩個重要環(huán)節(jié)。

(1)把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號。這就是傳感器的功能，傳感器又稱為一次儀表。

(2)對轉(zhuǎn)換后的電信號進行測量，并進行放大、運算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理，這叫電信號處理系統(tǒng)，通常被稱為二次儀表。機電一體化系統(tǒng)一般采用計算機控制方式，因此，電信號處理系統(tǒng)通常是以計算機為中心的電信號處理系統(tǒng)。綜上所述，非電量檢測系統(tǒng)的結構形式如圖4-1所示。對于電量檢測系統(tǒng)，只保留了電信號的處理過程，省略了一次儀表的處理過程。下一頁返回4.1概述4.1.2傳感器的概念及基本特性傳感器是一種以一定的精確度將被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量(如電量)的測量部件或裝置。通常傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量來輸出。傳感器的特性(靜態(tài)特性和動態(tài)特性)是其內(nèi)部參數(shù)所表現(xiàn)的外部特征，決定了傳感器的性能和精度。

1.傳感器的構成傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖4-2所示。下一頁上一頁返回4.1概述2.傳感器的靜態(tài)特性

(1)線性度。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標準條件下，利用一定等級的標準設備，對傳感器進行往復循環(huán)測試，得到輸入/輸出特性(列表或畫曲線)。通常希望這個特性(曲線)為線性，這給標定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實際的輸出與輸入特性只能接近線性，對比理論直線有偏差，如圖4-3所示。實際曲線與其兩個端尖連線(稱理論直線)之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價線性度(或非線性誤差)的指標。下一頁上一頁返回4.1概述

(2)靈敏度。傳感器在靜態(tài)標準條件下，輸出變化對輸入變化的比值稱靈敏度，用S0表示，即

(3)遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分數(shù)表示下一頁上一頁返回4.1概述

(4)重復性。傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復測量時，所得輸出/輸入曲線的不一致程度，稱重復性，如圖4-5表示。重復性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表示，即

(5)分辨力。傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為闌值。分辨力與滿度輸入比的百分數(shù)表示稱為分辨率。

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(6)漂移。由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當輸入狀態(tài)為零時的漂移稱為零點漂移。在其他因素不變情況下，輸出隨著時間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時間漂移;隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移。

(7)精度。表示測量結果和被測的“真值”的靠近程度。下一頁上一頁返回4.1概述

3.傳感器的動態(tài)特性傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄過程不受時間限制。而實際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的規(guī)律，即被測量的波形。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)有最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應范圍、臨界頻率等。動態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時間的變化規(guī)律，即它們具有同一時間函數(shù)。但是，除了理想情況以外，實際傳感器的輸出信號與輸入信號不會具有相同的時間函數(shù)，由此引起動態(tài)誤差。下一頁上一頁返回4.1概述4.1.3信號傳輸與處理電路傳感器信號處理電路內(nèi)容的選擇所要考慮的問題主要包括:(1)傳感器輸出信號形式，是模擬信號還是數(shù)字信號，電壓還是電流。(2)傳感器輸出電路形式，是單端輸出還是差動輸出。(3)傳感器電路輸出能力，是電壓還是功率，輸出阻抗大小。(4)傳感器的特性，如線性度、信噪比、分辨率。上一頁返回4.2位移檢測位移測量是線位移測量和角位移測量的總稱，位移測量在機電一體化制造系統(tǒng)中應用十分廣泛，這不僅因為在各種機械加工中位置確定和加工尺寸的需要，而且還因為速度、加速度等參數(shù)的檢測都可以借助測量位移的方法。有些參數(shù)的測量屬于微位移測量，如力、扭矩、變形等。微位移檢測傳感器包括:應變式傳感器、電容式傳感器、電感傳感器。4.2.1模擬式位移傳感器

1.可變磁阻式電感傳感器典型的可變磁阻式電感傳感器的結構如圖4-6所示，主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵所組成。下一頁返回4.2位移檢測當線圈通以激磁電流時，其自感L與磁路的總磁阻Rm有關，即如果空氣隙δ較小，而且不考慮磁路的損失，則總磁阻為下一頁返回4.2位移檢測由于鐵芯的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的，計算時鐵芯的磁阻可以忽略不計，故將式(4一7)代入式(4-5)，得下一頁上一頁返回4.2位移檢測式(4-8)表明，自感L與空氣隙δ的大小成反比，與空氣隙導磁截面積A0成正比。當A0固定不變，改變δ時，L與占呈非線性關系，此時傳感器的靈敏度下一頁上一頁返回4.2位移檢測

2.渦流式傳感器渦流式傳感器的變換原理，是利用金屬導體在交流磁場中的渦電流效應。如圖4-9所示。渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。

3.互感型差動變壓器式電感傳感器互感型電感傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化。這種傳感器實質(zhì)是一個輸出電壓的變壓器。當變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級線圈便產(chǎn)生感應電壓輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。差動變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結構形式有多種，以螺管形應用較為普遍，其結構及工作原理如圖4-11所示。下一頁上一頁返回4.2位移檢測

圖4-12是用于小位移的差動相敏檢波電路的工作原理圖。當沒有信號輸入時，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點殘余電壓減小;當有信號輸入時，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。下一頁上一頁返回4.2位移檢測4.2.2數(shù)字式位移傳感器

1.光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測元件，是一種將機械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。它的特點是測量精確度高(可達士1μm)、響應速度快、量程范圍大、可進行非接觸測量等。其易于實現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制，廣泛用于數(shù)控機床和精密測量中。光柵位移傳感器的結構如圖4-14所示。它主要由標尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。通常，標尺光柵和被測物體相連，隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移。一般標尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，而刻線之間的距離W稱為柵距。光柵條紋密度一般為每毫米25條、50條、100條、250條等。下一頁上一頁返回4.2位移檢測如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖4-15所示。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖中的d-d線區(qū)所示。f-f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。下一頁上一頁返回4.2位移檢測莫爾條紋具有如下特點。(1)莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。(2)莫爾條紋具有位移放大作用。(3)莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

2.感應同步器感應同步器是一種應用電磁感應原理制造的高精度檢測元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺較長(200mm)以上，可根據(jù)測量行程的長度選擇不同規(guī)格長度)，上面刻有均勻節(jié)距的繞組;滑尺表面刻有兩個繞組，即正弦繞組和余弦繞組，見圖4-18。當余弦繞組與定子繞組相位相同時，正弦繞組與定子繞組錯開1/4節(jié)距?；咴谕ㄓ须娏鞯亩ǔ弑砻嫦鄬\動，產(chǎn)生感應電勢。下一頁上一頁返回4.2位移檢測圓盤式感應同步器，如圖4-19所示，其轉(zhuǎn)子相當于直線感應同步器的滑尺，定子相當于定尺，而且定子繞組中的兩個繞組也錯開1/4節(jié)距。

3.旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號的傳感器。由于它結構簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，輸出信號大，抗干擾好，因此被廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中。旋轉(zhuǎn)變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當從一定頻率(頻率通常為400Hz,500Hz,1000H:及5000Hz等幾種)的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角呈正比關系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量;后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。下一頁上一頁返回4.2位移檢測如圖4-21所示，旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機的形式。

4.光電編碼器光電編碼器是一種碼盤式角度數(shù)字檢測元件。它有兩種基本類型:一種是增量式編碼器，一種是絕對式編碼器。增量式編碼器具有結構簡單、價格低、精度易于保證等優(yōu)點，所以目前采用最多。絕對式編碼器能直接給出對應于每個轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計算機處理，但當進給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結構復雜、成本高。絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。上一頁返回4.3速度、加速度檢測4.3.1直流測速機速度檢測直流測速機是一種測速元件，實際上它就是一臺微型的直流發(fā)電機。根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流測速機可分為電磁式和永磁式兩種。如以電樞的結構不同來分，有無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。近年來，又出現(xiàn)了永磁式直線測速機。常用的為永磁式測速機。測速機的結構有多種，但原理基本相同。圖4-24所示為永磁式測速機原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢。直流測速機的輸出特性曲線，如圖4-25所示。下一頁返回4.3速度、加速度檢測4.3.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，如圖4-26所示。4.3.3加速度傳感器應變式傳感器加速度測試原理如圖4-27所示，它由重塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應變片之變形可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的砧性液體作為阻尼之用，這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。

下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測壓電加速度測試傳感器結構原理如圖4-28所示。圖中1是質(zhì)量塊，當加速運動時質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力加載在2(壓電材料切片)上，3是電荷(或電勢)的輸出端。該壓電傳感器是兩片壓電材料切片組成，下面一片的輸出引線是通過殼體與電極平面相連。上一頁返回4.4力、扭矩和流體壓強檢測4.4.1力檢測測力傳感器按其量程大小和測量精度不同而有很多規(guī)格品種，它們的主要差別是彈性元件的結構形式不同，以及應變片在彈性元件上粘貼的位置不同。常見的彈性元件有柱形、簡形、環(huán)形、梁式和輪輻式等。

1.柱形或筒形彈性元件如圖4-29所示，這種彈性元件結構簡單，可承受較大的載荷，常用于測量較大力的拉(壓)力傳感器中，但其抗偏心載荷和測向力的能力差，制成的傳感器高度大，應變片在柱形和簡形彈性元件上的粘貼位置及接橋方法如圖4-29所示。這種接橋方法能減少偏心載荷引起的誤差，且能增加傳感器的輸出靈敏度。下一頁返回4.3速度、加速度檢測若在彈性元件上施加一壓力P，則簡形彈性元件的軸向應變εL為用電阻應變儀測出的指示應變?yōu)橄乱豁撋弦豁摲祷?.3速度、加速度檢測2.梁式彈性元件(1)懸臂梁式彈性元件它的特點是結構簡單、容易加工、粘貼應變片方便、靈敏度較高，適用于測量小載荷的傳感器中。圖4-30所示為一截面懸臂梁彈性元件，在其同一截面正反兩面粘貼應變片，組成差動工作形式的電橋輸出。若梁的自由端有一被測力P，則應變片感受的應變?yōu)殡姌蜉敵鰹橄乱豁撋弦豁摲祷?.3速度、加速度檢測

2)兩端固定梁這種彈性元件的結構形狀、參數(shù)以及應變片粘貼組成橋形式如圖4-31所示。它的懸臂梁剛度大，抗側(cè)向能力強。粘貼應變片感受應變與被測力P之間的關系為

下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測3)梁式剪切彈性元件這種彈性元件的結構與普通梁式彈性元件基本相同，只是應變片粘貼位置不同。應變片受的應變只與梁所承受的剪切力有關，而與彎曲應力無關。因此，無論是拉仲還是壓縮載荷，靈敏度相同，適用于同時測量拉力和壓力的傳感器。此外，它與梁式彈性元件相比線性好、抗偏心載荷和側(cè)向力的能力大，其結構和粘貼應變片的位置如圖4-32所示。下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測4.4.2力矩測量

圖4一33所示為機器人手腕用力矩傳感器原理，它是檢測機器人終端環(huán)節(jié)(如小臂)與手爪之間力矩的傳感器。目前，國內(nèi)外研究制腕力傳感器種類較多。但使用的敏感元件幾乎全部是應變片，不同的只是彈性結構有差異。圖4-33中的驅(qū)動軸B通過裝有應變片A的腕部與手部C連接。當驅(qū)動軸回轉(zhuǎn)并帶動手部回轉(zhuǎn)而擰緊螺絲釘D時，手部所受力矩的大小可通過應變片電壓的輸出測得。下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測4.4.3流體壓強傳感器4.4.3.1膜式壓力傳感器它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板，又稱平膜板或膜片，其一表面承受被測分布壓力，另一側(cè)面砧有應變片或?qū)Ｓ玫牟綉兓?，并組成電橋。如圖4-35所示。膜片在被測壓力P作用下發(fā)生彈性變形，應變片在任意半徑r的徑向應變εr和切向應變εt分別為下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測4.4.3.2筒式壓力傳感器它的彈性元件為薄壁圓簡，簡的底部較厚。這種彈性元件的特點是，圓簡受到被測壓力后表面各處的應變是相同的。因此應變片的粘貼位置對所測應變不影響，如圖4-36所示。對于薄壁圓簡(壁厚與壁的中面曲率半徑之比<1/20）的切向應變ε1與被測壓力P的關系，可用下式求得簡壁上工作應變片對于厚壁圓簡(壁厚與壁的中面曲率半徑之比>1/20)則有下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測4.4.3.3壓阻式壓力傳感器壓阻式傳感器的結構如圖4-37所示。其核心部分是一圓形的硅膜片。在沿某晶向切割的N型硅膜片上擴散四個阻值相等的P型電阻，構成平衡電橋。硅膜片周邊用硅杯固定，其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，上部為低壓腔，通常與大氣相通。在被測壓力作用下，膜片產(chǎn)生應力和應變，P型電阻產(chǎn)生壓阻效應，其電阻發(fā)生相對變化。上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.1固態(tài)圖像傳感器(CCD)

固態(tài)圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，常稱電荷藕合器件(簡稱CCD)。其工作過程是:首先由光學系統(tǒng)將被測物體成像在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多像素點，這些像素點將投射到它的光強轉(zhuǎn)換成電荷信號并存儲;然后在時鐘脈沖信號控制下，將反映光像的被存儲電荷信號讀取并順序輸出，從而完成了從光圖像到電信號的轉(zhuǎn)換過程。圖像傳感器體積小，析像度高，功耗小，廣泛用于非接觸的尺寸、形狀、損傷的測量，以及圖像處理和自動控制等領域。下一頁返回4.5其他傳感器

4.5.1.1CCD的基本結構和原理

CCD器件是在MOS電容器基礎理論上發(fā)展起來的。是在V型或P型硅襯底上生成一層厚度約120mm的二氧化硅層(SiO2),該二氧化硅層具有介質(zhì)作用，然后在二氧化硅層上依一定次序沉積金屬電極，形成金屬氧化物半導體電容陣列，即MOS電容器陣列，最后加上輸入和輸出端便構成了CCD器件。

CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即電荷的產(chǎn)生、存儲和轉(zhuǎn)移。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.1.2CCD的應用固態(tài)圖像傳感器依其光敏元排列方式分為線型、面型等種。已應用的有1024,1728,2048,4096像素的線型傳感器和32X32,100X100,320X244,490X400以及28萬~38萬、130萬像素的面型傳感器。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.2激光檢測激光檢測主要是利用激光的方向性、單色性、相干性以及隨時間、空間的可聚焦性的特點，所以無論在測量精確度和測量范圍上都具有明顯的優(yōu)越性。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.2.1激光多普勒效應當激光照射到相對運動的物體上時，被物體散射(或反射)光的頻率將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。相應地，將散射(或反射)光的頻率與光源光頻率的差值稱為多普勒頻移。對于如圖4-42所示的激光測速系統(tǒng)，激光光源S和受光點P(即反射表面)之間有相對運動，由于反射表面運動速度而引起光波頻率漂移，此時，多普勒頻移下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.2.2應用組成激光測速系統(tǒng)的主要光學部件有激光光源，入射光系統(tǒng)和收集光系統(tǒng)等。激光多普勒流速計原理如圖4-43所示。由激光器發(fā)射出的單色平行光，經(jīng)透鏡聚集到被測流體內(nèi)。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.3超聲波檢測超聲波檢測的基本原理是利用某些非聲量的物理量(如密度、流量等)與描述超聲波介質(zhì)聲學特性的超聲量(聲速、衰減、聲阻抗)之間存在著直接或間接的關系。探索到這些規(guī)律，通過超聲量的測定來測出某些被測物理量。超聲波檢測多采用超聲波源向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波，然后接收與被測介質(zhì)相作用之后的超聲波，從中得到所需信息，其檢測過程如圖4-44所示。上一頁返回4.6傳感器的正確選擇和使用

4.6.1傳感器的選擇

1.測試要求和條件測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。

2.傳感器特性精度、穩(wěn)定性、響應速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負載效應、校正周期、輸入端保護等。

3.使用條件安裝條件、工作場地的環(huán)境條件(溫度、濕度、振動等)、測量時間、所需功率容量、與其他設備的連接、備件與維修服務等。下一頁返回4.6傳感器的正確選擇和使用

4.6.2傳感器的正確使用

1.線性化處理與補償在機電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進行顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關系，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。但是大多數(shù)傳感器具有不同程度的非線性特性，這使較大范圍的動態(tài)檢測存在著很大的誤差。在使用模擬電路組成檢測回路時，為了進行非線性補償，通常采用與傳感器輸入/輸出特性相反特性的元件，通過硬件進行線性化處理。另外，在含有微型計算機的測量系統(tǒng)中，這種非線性補償可以用軟件來完成，其補償過程較簡單，精確度也很高，又減少了硬件電路的復雜性。下一頁上一頁返回4.6傳感器的正確選擇和使用

2.傳感器的標定傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準量對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應關系，同時也確定不同使用條件下的誤差關系。傳感器使用前要進行標定，使用一段時間后還要定期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設計指標。

3.抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。上一頁返回4.7傳感器前級信號處理

4.7.1測量放大器在許多檢測技術應用場合，傳感器輸出的信號往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁藕合等共模干擾，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習慣上將具有這種特點的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。

圖4-46為三個運放組成的測量放大器，差動輸入端V1和V2分別是兩個運算放大器(Al,A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。采用對稱電路結構，而且被測信號直接加入到輸入端上，從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)由下式確定:下一頁返回4.7傳感器前級信號處理

這種電路，只要運放Al和A2性能對稱(主要輸入阻抗和電壓增益對稱)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于測量遠距離傳輸過來的信號，因而十分適宜于與微小信號輸出的傳感器配合使用。下一頁上一頁返回4.7傳感器前級信號處理

4.7.2程控增益放大器經(jīng)過處理的模擬信號，在送入計算機進行處理前，必須進行量化，即進行模擬數(shù)字變換，變換后的數(shù)字信號才能為計算機接收和處理。當模擬信號送到模數(shù)變換器時，為減少轉(zhuǎn)換誤差，一般希望送來的模擬信號盡可能大，如采用A/D變換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，在A/D輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號盡可能達到最大值;然而，當被測參量變化范圍較大時，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號變化也較大，在這種情況下，如果單純只使用一個放大倍數(shù)的放大器，就無法滿足上述要求;在進行小信號轉(zhuǎn)換時，可能會引入較大的誤差。為解決這個問題，工程上常采用通過改變放大器增益的方法，來實現(xiàn)不同幅度信號的放大，如萬用表、示波器等許多測量儀器的量程變換等。下一頁上一頁返回4.7傳感器前級信號處理

圖4-49即為一利用改變反饋電阻的力、法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當開關K1閉合，K2和K1斷開時，放大倍數(shù)為而當K2閉合，而其余兩個開關斷開時，其放大倍數(shù)為下一頁上一頁返回4.7傳感器前級信號處理

選擇不同的開關閉合，即可實現(xiàn)增益的變換，如果利用軟件對開關閉合情況進行選擇，即可實現(xiàn)程控增益變換。利用程控增益放大器與A/D轉(zhuǎn)換器組合，配合一定的軟件，很容易實現(xiàn)輸出信號的增益控制或量程變換，間接地提高輸入信號的分辨率。

圖4-50為利用AD521測量放大器與模擬開關結合組成的程控增益放大器，通過改變其外接電阻R的力、法來實現(xiàn)增益控制。下一頁上一頁返回4.7傳感器前級信號處理

4.7.3隔離放大器一般來講，隔離放大器是指對輸入、輸出和電源在電流和電阻彼此隔離使之沒有直接藕合的測量放大器。由于隔離放大器采用了浮離式設計，消除了輸入、輸出端之間的藕合，因此還具有以下特點:(1)能保護系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。

(2)泄漏電流低，對于測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，能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量。上一頁返回4.8傳感器接口技術4.8.1傳感器信號的采樣/保持

1.采樣/保持器原理采樣/保持由存儲電容C，模擬開關S等組成，如圖4-53所示。當S接通時，輸出信號跟蹤輸入信號，稱采樣階段。當S斷開時，電容C兩端一直保持斷開的電壓，稱保持階段。由此構成一個簡單采樣/保持器。實際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級和輸出級均采用緩沖器，以減少信號源的輸出阻抗，增加負載的輸入阻抗。在電容選擇時，使其大小適宜，以保證其時間常數(shù)適中，并選用漏泄小的電容。下一頁返回4.8傳感器接口技術2.集成采樣/保持器集成采樣/保持器的特點如下。(1)采樣速度快、精度高(2)下降速率慢下一頁上一頁返回4.8傳感器接口技術4.8.2多通道模擬信號輸入

1.常用模擬多路開關集成電路

(1)單端8通道

AD7501是單片集成的CMOS8選1多路模擬開關，每次只選中8個輸入端的一路與公共端接通，選通通道是根據(jù)輸入地址編碼而得。所有數(shù)字量輸入均可用TTI或CMOS電路。圖4-57為AD7501的外引腳圖和原理圖。下一頁上一頁返回4.8傳感器接口技術

2.多路模擬開關應用舉例在許多機電一體化產(chǎn)品中，都需要用到多路模擬量輸入情況，此時可采用多路模擬開關來實現(xiàn)，圖4一60為利用AD7501組成的八路模擬量輸入通道。對于16路輸入情況，可使用兩片AD7501組合而成，見圖4一61,當然也可采用單片AD7506等。但對于更多輸入情況，如64路128路輸入，則只能使用多個多路模擬開關組合的方式。下一頁上一頁返回4.8傳感器接口技術

3.多路開關選用注意事