传感器与检测技术ppt课件第八章传感检测系统的构成.ppt
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1、2022/12/11,1,第八章 传感检测系统的构成,通过本章的学习,了解传感检测系统的组成及检测系统的抗干扰问题;掌握电桥、调制与解调器、滤波器、A/D及D/A转换器的工作原理及用途;了解传感器与微机的连接通道。,2,第一节 传感检测系统的组成,传感检测系统通常由传感器、中间转换(信号调理)电路、微机接口电路、分析处理及控制显示电路等部分组成,分别完成信号的获取、转换(调理)、传输、分析处理、显示记录等功能。,微机、I/O接口、外设,2022/12/11,3,第二节 电桥,电桥是把电阻、电感和电容等原件参数转换成电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直接,而且精度和灵敏度都较高,在检测系
2、统中应用较多。电桥的分类:按采用的电源:直流、交流按工作方式:平衡、不平衡按被测电阻接入方式:单臂、差动,2022/12/11,4,一、电桥工作原理 1. 直流电桥,直流电桥,当RL时,电桥输出电压为,第二节 电桥,2022/12/11,5,当电桥平衡时,Uo=0,则有,R1R4=R2R3,或,电桥平衡条件:欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积应相等。,电桥平衡条件,2022/12/11,6,引入原因:由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。,交流电桥输出:,2.交流电桥,2022/12/11,7,电桥平衡
3、条件:Uo=0,即,Z1Z4=Z2Z3,有:,交流电桥的平衡条件必须同时满足阻抗的模和幅角两个条件。,2022/12/11,8,1.分类 按所用电源分:直流电桥、交流电桥 按电桥工作方式分:平衡电桥、不平衡电桥 按被测电阻的接入方式分:单臂电桥、差动电桥,二、电桥的分类与应用,2022/12/11,9,单、双差动电桥,减小和消除非线性误差的方法,2022/12/11,10,2.电桥的应用 (1)平衡状态的应用基于零测法适于测量静态值 (2)不平衡状态的应用基于偏差测量法 可测量动态值与静态值 常态时电桥平衡,输出电压为零; 测量时,被测物理量引起桥路电阻变化,电桥失去平衡,输出电压随被测物理量
4、的变化而变化,2022/12/11,11,2022/12/11,12,解(1)根据电桥平衡原理有:RBR0=2R0Rt RB=2Rt=4R0(1+0.01t) (2)当t=20时, RB=4R0(1+0.01t)=48k 当t=40时, RB=4R0(1+0.01t)=56k RB的变化范围为48k 56k,2022/12/11,13,三、电桥的工作特性指标,1.电桥的灵敏度 当某一桥臂电阻变化R,其它桥臂固定不变时,则电桥输出电压Uo有一变化量U,电桥的灵敏度规定为电压的相对变化量与电阻的相对变化量之比,即:,2022/12/11,14,2.电桥的非线性误差 电桥的非线性误差定义为: 式中,
5、U0为电桥的实际输出电压;U0S为电桥的线性化输出电压(理想输出电压)。,2022/12/11,15,(1)单臂电桥分析 当桥臂电阻R1有一变化量R1,其它桥臂固定不变时,则电桥失去平衡,输出电压Uo为:,2022/12/11,16,令=R1/R1,当桥臂电阻R1=R2,R3= R4时,上式为: 忽略分母上的/2,可得线性输出电压为:,2022/12/11,17,则电桥的非线性误差为: 显然,输入变化量越大,非线性误差越大。 单臂电桥的输出电压灵敏度为:,2022/12/11,18,(2)差动半桥:在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂。 该电桥输出电压为,
6、若R1=R2,R1=R2,R3=R4,则得,显然:Uo与R1/R1成线性关系,无非线性误差,电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍。,2022/12/11,19,单、双差动电桥,减小和消除非线性误差的方法,2022/12/11,20,(3)全桥差动:电桥四臂接入四片应变片,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则,结论:全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。,2022/12/11,21,四、电桥的调零 1.串联调零电路调零电位器阻值R5较小 2.并联调零电路R5较大,串联调零示意图,2022/1
7、2/11,22,设桥臂比n=R2/R1,由于R1R1,分母中R1/R1可忽略, 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3, 则上式可写为,电桥电压灵敏度定义为,2022/12/11,23,分析: 电桥电压灵敏度正比于电桥电源电压,供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到桥路电阻(应变片)允许功耗的限制,所以要作适当选择; 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。 ,?当E值确定后,n取何值时才能使KU最高?,2022/12/11,24,第三节 调制与解调,通过传感器输出的电信号一般多为微弱、变化缓慢的非周期信号,需要进行放大和某些
8、处理后才能送到显示仪及计算机等。对于微弱的、变换缓慢的、类似于直流的信号,若采用一般直流放大器进行放大,零点漂移会影响测量精度。 常用调制器将直流信号先变成某种频率的交流信号,经过变流放大后,在通过解调器,使交流信号重新恢复到原来的被测信号。,2022/12/11,25,滤波器:只允许某一频带的信号通过或只阻止某一频带信号通过的装置。 滤波方式:无源滤波、有源滤波、数字滤波 一、无源波滤器 无源滤波器电路简单,带负载能力差,用于对滤波要求不高的场合。,第四节 滤波器,2022/12/11,26,输出电压为:,1.一阶RC低通滤波器,2022/12/11,27,幅频特性为: =0时,A()=1;
9、 =1/RC时,A()=0.707;截止频率 =时,A()=0,2022/12/11,28,相频特性为: =0时,()= 0; =1/RC时, ()= -/4 ; =时, ()= -/2,2022/12/11,29,滤波器仍为RC串联电路,但从电阻两端输出电压:,2.一阶RC高通滤波器,2022/12/11,30,2022/12/11,31,3.带通滤波器用于通过某一频段的信号,而将此频段以外的信号加以抑制。 对一RLC串联电路,当从电阻两端输出电压时:,2022/12/11,32,当L=1/C时,幅值最大,对应的频率称为 称为固有角频率(中心角频率),2022/12/11,33,当输出电压下
10、降到输入电压的0.707倍时的截止角频率分别为下限角频率1和上限角频率2,在12之间称为通频带宽度B。 衡量带通滤波器工作特性好坏的重要指标是品质因数,即Q=f0/B。 显然,中心频率f0一定时,Q越大通频带越窄,选择性越好。,2022/12/11,34,有源滤波器由运算放大器与RC网络组成,运算放大器是有源器件,既可作为级间隔离又可起信号幅值放大作用。 有源滤波器不用电感元件,便于集成;可以使低频截止频率达到很低范围。,二、有源滤波器,与无源滤波器相比,具有如下优点:1)有源滤波器不用电感线圈,因而在体积、重量、价格、线性度等方面具有明显的优越性,便于集成化。2)由于运算放大器输入阻抗高,输
11、出阻抗低,可以提供良好的隔离性能,并可提供所需增益。3)可以使低频截止频率达到很低范围。,2022/12/11,35,2022/12/11,36,如图所示电路的输出电压为:,R1,ui,u0,1.一阶低通滤波器,2022/12/11,37,幅频特性为:,电路缺点:对截止频率以外的信号衰减较慢,因此选择性差。,2022/12/11,38,设R1=R2=R,C1=C2=C根据电路有:,N,ui,u0,2.二阶低通滤波器,2022/12/11,39,联立方程求得:,式中 为固有角频率。,2022/12/11,40,幅频特性为:,等效品质因数为:,2022/12/11,41,根据电路有:,幅频特性为:
12、,3.一阶高通滤波器,2022/12/11,42,4.二阶高通滤波器,2022/12/11,43,固有角频率及等效品质因数分别为:,2022/12/11,44,5.带通滤波器,电路只允许某一频段内信号通过,有上限和下限两个截止频率,将高、低通滤波电路进行适当组合,就可获得带通滤波电路。,2022/12/11,45,带通滤波器的固有频率:,通频带宽度为:,带通滤波器的品质因数分别为:,2022/12/11,46,5.带通滤波器,带阻滤波器,带阻滤波器是抑制某个频率范围内的频率分量,使其衰减,而让此频带以外的频率顺利通过。,2022/12/11,47,三、数字滤波简介,数字滤波利用程序来实现,无需
13、增加硬件,可靠性高,稳定性好,灵活方便。1.限定最大偏差法例:限定偏差Y0.01,本次采样值为0.315,上次采样值为0.301,因两次采样值之差0.315- 0.301 Y ,则本次采样值用上次采样值代替,即为:0.301若两次采样差值 Y,则取本次采样值。2.算术平均值法3.加权平均滤波法,2022/12/11,48,将数字信号转换为模拟信号称数-模转换将模拟信号转换为数字信号称模-数转换,传感器,A/DC,数字计算机,D/AC,模拟控制,控制对象,数字信号,模拟信号,第五节 D/A和A/D转换,2022/12/11,49,2R,RF,+,+,S0,S1,S2,S3,UR,2R,2R,2R
14、,R,R,R,2R,数码寄存器,基准电源,T 形电阻网络 DAC 原理电路,U0,R,2R,1,1,1,1,0,0,0,0,d0,Q0,Q1,Q2,Q3,d1,d2,d3,MSB,LSB,电子开关,一、数/模转换原理,2022/12/11,50,2R,RF,+,+,2R,2R,2R,R,R,R,2R,I,U0,R,2R,+,UR,T 形电阻网络 DAC 原理电路分析,2022/12/11,51,2R,RF,+,+,2R,2R,2R,R,R,R,2R,I,U0,R,2R,+,UR,T 形电阻网络 DAC 原理电路分析,U0= IRF,设 RF = 3R,2022/12/11,52,2R,RF,+
15、,+,2R,2R,2R,R,R,R,2R,I,U0,R,2R,+,UR,2022/12/11,53,2R,RF,+,+,2R,2R,2R,R,R,R,2R,I,U0,R,2R,+,UR,U0= IRF,设 RF = 3R,2022/12/11,54,2R,RF,+,+,S0,S1,S2,S3,UR,2R,2R,2R,R,R,R,2R,数码寄存器,基准电源,U0,R,2R,1,1,1,1,0,0,0,0,d0,Q0,Q1,Q2,Q3,d1,d2,d3,MSB,LSB,电子开关,2022/12/11,55,例:已知四位T形网络数/模转换器的原理如前图所示,RF=3R,UR=10V,试计算其最小输出
16、电压。解:当d0=1,d1=d2=d3=0时,输出电压最小,2022/12/11,56,DAC 主要技术指标,(1)分辨率 用输入的二进制数码的位数 n 来表示。 位数越多,分辨率就越高。,(2)转换精度 表示实际输出的电压值与理想的输出 电压值之间的差别。,(3)建立时间 从数码输入到模拟电压稳定输出之间 的响应时间。,2022/12/11,57,四、模/数转换原理,模拟量转换成数字量的常用方法是逐次逼近法。模/数转换器的技术指标: 1.分辨率 以输出二进制数的位数表示,位数越多,分辨率越高。如模/数转换器的输出为十位,最大输入信号为2.5V,则转换器的输出能分辨出的输入的电压信号为2.5V
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- 传感器 检测 技术 ppt 课件 第八 传感 系统 构成
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