機(jī)電一體化技術(shù)與應(yīng)用課件：機(jī)電一體化檢測技術(shù)（三）

機(jī)電一體化檢測技術(shù)（三）機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測技術(shù)

4.7傳感器的信號調(diào)理4.8數(shù)字濾波技術(shù)4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理2024/12/10-2-4.7傳感器的信號調(diào)理4.7.1信號放大電路（1）基本放大器電路

反相與同相放大器電路是集成運(yùn)算放大器兩種最基本的應(yīng)用電路。2024/12/10-3-反相放大器電路：同相放大器電路：4.7傳感器的信號調(diào)理2024/12/10-4-

4.7傳感器的信號調(diào)理2024/12/10-5-（3）程控測量放大器電路

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類測量儀表越來越趨于采用數(shù)字化和智能化方向。采用增益可以通過確定的程序調(diào)節(jié)控制的放大器（PGA），可以提高測量精度。通過軟件程序的控制來改變反饋電阻Rf或者輸人電阻R1，即可實(shí)現(xiàn)放大器增益可變。4.7傳感器的信號調(diào)理2024/12/10-6-（4）隔離放大器電路

隔離放大器應(yīng)用于高共模電壓環(huán)境下的小信號測量，是一種特殊的測量放大電路。在隔離放大器中采用的隔離方式主要是采用變壓器耦合和光電耦合信號方式。隔離放大器采用浮置式(浮置電源、浮置放大器輸入端)設(shè)計(jì)。4.7傳感器的信號調(diào)理4.7.2信號轉(zhuǎn)換電路（1）電壓-電流轉(zhuǎn)換

輸出負(fù)載中的電流正比于輸入電壓的電路，稱為電壓-電流轉(zhuǎn)換。由于電路的傳輸系數(shù)是電導(dǎo)，所以又稱其為轉(zhuǎn)移電導(dǎo)放大器。當(dāng)輸入電壓為恒定值時(shí)，負(fù)載中的電流為恒定值，與負(fù)載無關(guān)，則構(gòu)成恒流源電路。2024/12/10-7-

4.7傳感器的信號調(diào)理（2）電流-電壓轉(zhuǎn)換

將輸入電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓的轉(zhuǎn)換稱為電流-電壓變換。由于轉(zhuǎn)換電路的傳遞系數(shù)為電阻，所以又稱為轉(zhuǎn)移電阻放大器。光電檢測是電流-電能轉(zhuǎn)換最典型的應(yīng)用。2024/12/10-8-

4.7傳感器的信號調(diào)理（3）電壓-頻率轉(zhuǎn)換

電壓-頻率轉(zhuǎn)換就是把電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號的電路，它有良好的線性度、精度和積分輸入特性。此外，它的應(yīng)用電路簡單、外圍元件性能要求不高、對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速度不低于一般的雙積分型A/D器件，且價(jià)格較低。一般來說，電壓-頻率轉(zhuǎn)換器適用于一些非快速而需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)腁/D轉(zhuǎn)換過程2024/12/10-9-4.7傳感器的信號調(diào)理（4）模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換和數(shù)字-模擬(D/A)轉(zhuǎn)換

傳感器的輸出一般為模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能被計(jì)算機(jī)所接受。如果需要進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，則計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后才能驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器(或ADC)，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為D/A轉(zhuǎn)換器(或DAC)。 A/D轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度,通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少來表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。2024/12/10-10-4.7傳感器的信號調(diào)理4.7.3信號濾波電路（1）信號濾波器的基本原理

設(shè)傳感器敏感元件輸出的信號為周期性信號,可以將其展開成傅里葉級數(shù)的形式,表示為：式中A0為信號的直流分量；ω0為Ui(t)的基波頻率(或者稱一次諧波頻率)；n為倍頻數(shù),n=1,2,3，???,Ansin(nω0t+Φn)為n次諧波分量,其中Φn為n次諧波分量的初始相位；An為n次諧波分量的幅值。2024/12/10-11-4.7傳感器的信號調(diào)理

當(dāng)含有不同諧波分量的信號經(jīng)過濾波器濾波后，理想情況下，濾波器允許范圍內(nèi)的諧波分量可以不失真地通過，而允許范圍之外的諧波分量將衰減為零。也就是說，可以將理想濾波器看成是一個(gè)放大倍數(shù)為K的放大器，且：式中ω1和ω2為濾波器通頻范圍的上、下截止頻率，即當(dāng)傳感器敏感元件輸出的信號U0(t)經(jīng)過濾波器后，只保留其中ω1到ω2頻率范圍內(nèi)的諧波分量。2024/12/10-12-4.7傳感器的信號調(diào)理（2）信號濾波器的基本性能參數(shù) 1）截止頻率

設(shè)K0為中頻時(shí)的放大倍數(shù)，當(dāng)幅頻特性值等于0.707K0時(shí)所對應(yīng)的頻率際為濾波器的截止頻率。以K0為參考值，0.707K0對應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對于K0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。2024/12/10-13-4.7傳感器的信號調(diào)理

2024/12/10-14-4.7傳感器的信號調(diào)理 4）倍頻程選擇性

在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過渡帶，這個(gè)過渡帶的幅頻特性曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰減的能力。通常，用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性是指在上截止頻率ω2~2ω2之間或者在下截頻率ω1~ω1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。倍頻程衰減量也可以用分貝/十倍頻表示。顯然，衰減越快，濾波器的選擇性就越好。2024/12/10-15-4.7傳感器的信號調(diào)理（3）無源濾波器

無源濾波器通常由R，C和L組成的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。 1）低通濾波器

根據(jù)電路理論可知，濾波器的傳遞函數(shù)為:2024/12/10-16-

4.7傳感器的信號調(diào)理

用s=jω代入，可得：

另外，其幅頻特性和相頻特性為：

該網(wǎng)絡(luò)的頻率特性如圖(b)、(c)所示。2024/12/10-17-4.7傳感器的信號調(diào)理

2024/12/10-18-4.7傳感器的信號調(diào)理

2024/12/10-19-4.7傳感器的信號調(diào)理（4）有源濾波器

有源濾波器通常由運(yùn)算放大器和R，C和L元件組成，與無源器件相比有較高的增益，輸出阻抗低，易于實(shí)現(xiàn)各種類型的高階濾波器。2024/12/10-20-二階有源低通濾波器二階有源高通濾波器4.7傳感器的信號調(diào)理4.7.4調(diào)制與解調(diào)

當(dāng)漂移信號大小接近或超過被測信號時(shí)，經(jīng)過逐級放大后，被測信號會被零點(diǎn)漂移淹沒。為了解決這個(gè)問題，通常要將測量信號搭載于一個(gè)特定的交變信號上，也即進(jìn)行調(diào)制。在測量時(shí)，則需要將測量信號從載波中還原出來，也即進(jìn)行解調(diào)。

對應(yīng)于信號的三要素：幅值、頻率和相位，根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號變化的過程，調(diào)制可以分為幅值調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制，簡稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，其波形稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。2024/12/10-21-4.7傳感器的信號調(diào)理(1)幅值調(diào)制與解調(diào)

調(diào)幅是將一個(gè)高頻載波信號與被調(diào)制信號相乘，使載波信號隨被調(diào)制信號的變化而變化。

當(dāng)用一低通濾波器濾去頻率大于fm的成分時(shí),則可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來的1/2，這可以通過放大來補(bǔ)償。這一過程稱為同步解調(diào)，同步是指解調(diào)時(shí)所乘的信號與調(diào)制時(shí)的載波信號具有相同的頻率和相位。用等式表示為：2024/12/10-22-4.7傳感器的信號調(diào)理

載波頻率f0稱為調(diào)幅波的中心頻率，f0+fm稱為上旁頻帶，f0-fm稱為下旁頻帶。調(diào)幅以后，原信號x(t)所包含的全部信息均轉(zhuǎn)移到以為f0中心，寬度為2fm的頻帶范圍之內(nèi)，即將有用信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)。2024/12/10-23-4.7傳感器的信號調(diào)理(2)頻率調(diào)制與解調(diào)

頻率調(diào)制是利用信號電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。信號電壓為正值時(shí)調(diào)頻波的頻率升高，為負(fù)值時(shí)調(diào)頻波的頻率則降低，信號電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率。

2024/12/10-24-4.7傳感器的信號調(diào)理

調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率f為：

設(shè)幅值為X0、頻率為fm的余弦波，初始相位為0的調(diào)制信號x(t)為：

載波信號為：

調(diào)頻時(shí)載波的幅度Y0和初始相位角φ0不變，瞬時(shí)頻率f(t)圍繞著f0隨調(diào)制信號電壓作線性的變化，因此：頻率偏移與調(diào)制信號的幅值成正比，與調(diào)制信號的頻率無關(guān)2024/12/10-25-f0-載波頻率Δf-偏移頻率4.7傳感器的信號調(diào)理(3)相位調(diào)制與解調(diào)

載波的相位對其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號的瞬時(shí)值成比例變化的調(diào)制方式，稱為相位調(diào)制，調(diào)相波可表示為：

因?yàn)檎{(diào)相制主要是用來作為得到調(diào)頻的一種方法，在實(shí)際使用時(shí)很少采用。2024/12/10-26-機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測技術(shù)4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調(diào)理4.8數(shù)字濾波技術(shù)4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理2024/12/10-27-4.8數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波在數(shù)字信號處理中有兩類作用：一是濾除噪聲及虛假信號，二是對傳感元件所監(jiān)測到的信號進(jìn)行補(bǔ)償。

（1）濾除噪聲及虛假信號

常用的信號濾波方法主要分為高通濾波、低通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。高通濾波可以保留信號的高頻部分，而濾去低頻噪聲。低通濾波則相反，它保留信號的低頻部分而濾去高頻噪聲。帶通濾波器則保留信號某一個(gè)頻段總的信號，而去除其低頻和高頻部分。帶阻又恰恰相反，僅去除信號某個(gè)頻段上的干擾信號。2024/12/10-28-4.8數(shù)字濾波技術(shù)

濾波器在使用時(shí)，應(yīng)考慮傳感器的工作頻段而加以選擇，例如對于壓電敏感元件，其監(jiān)測信號一般為具有一定頻率的動態(tài)信號，因此一般后接帶通濾波器；應(yīng)變電阻元件一般監(jiān)測低頻信號，一般后接低通濾波器。

（2）信號補(bǔ)償

數(shù)字濾波器也可用來對傳感器所監(jiān)測到的信號進(jìn)行優(yōu)化。例如，對于智能壓電傳感器，可采用數(shù)字濾波器對壓電傳感器的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償。2024/12/10-29-機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測技術(shù)4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調(diào)理4.8數(shù)字濾波技術(shù)4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理2024/12/10-30-4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理

造成非線性的因素主要有兩個(gè)：一是許多傳感器的轉(zhuǎn)換原理并非線性；二是采用的測量電路的非線性。

一般情況下，如果在整個(gè)測量范圍內(nèi)非線性程度不是很嚴(yán)重，或者說非線性誤差可以忽略，那么就可以簡單地采用線性逼近的方法將傳感器的輸出近似地用線性關(guān)系代替，常用的線性逼近的方法有端點(diǎn)法和最小二乘法等。但如果在整個(gè)測量范圍內(nèi)非線性程度比較嚴(yán)重，或者說在非線性誤差不可忽略的情況下，就需要采用另外的非線性補(bǔ)償手段，主要是開環(huán)補(bǔ)償法和閉環(huán)補(bǔ)償法。2024/12/10-31-4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理

（1）開環(huán)補(bǔ)償法

開環(huán)補(bǔ)償法就是在傳感器信號（或者經(jīng)過放大了的傳感器信號）之后串接一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償環(huán)節(jié)（線性化器），將來自傳感器的非線性特性的輸入信號變換為呈線性特性的輸出信號。

圖中傳感器是非線性的，因此傳感器的輸出u1與被測量x之間的關(guān)系是非線性函數(shù)：2024/12/10-32-4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理

u1經(jīng)放大器放大后可獲得一個(gè)電平較高的電壓u2。設(shè)放大器的放大倍數(shù)為K，并認(rèn)為放大器的線性度良好，則：

u2與x仍然是非線性關(guān)系。u2作為線性化器的輸入，從線性化器輸出的電壓u0與被測量x之間的關(guān)系則是線性的，即u0與x之間滿足：并消去中間變量u1、x，從而可得到線性化器的輸出-輸入關(guān)系式為：2024/12/10-33-4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理

設(shè)計(jì)線性化器，就可以將傳感器的非線性輸出特性轉(zhuǎn)換為電路輸出電壓u0隨被測量x呈線性關(guān)系的變化。例如鉑熱電阻的電阻相對變化與溫度之間的關(guān)系為非線性的，即：

經(jīng)過電橋放大器線性放大后的電壓為：

設(shè)經(jīng)線性化器后，電路的輸出u0與溫度t之間滿足：2024/12/10-34-u2為橋路供電電壓4.9傳感器非線性補(bǔ)償處理

聯(lián)立可得線性化器的輸入-輸出關(guān)系表達(dá)式：

式中的K、E、A、B、C、D、S均是已知的常數(shù)，因此函