[信息与通信]传感器与检测技术第十四讲1.ppt

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1、传感器与检测系统的 信号处理技术,测量电路的基本组成控制电路的基本组成电桥电路信号的放大与隔离信号的变换,在检测系统中，被测的非电信号经传感器后变换为电信号，如电压、电流和电阻等。,传感器,测控系统的组成,测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？,为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？1、模数转换与数模转换 2、信号形式的转换 3、量程的变换 4、信号的选取 5、信号处理与运算,一、测量电路的基本组成,(一)模拟式测量电路的基本组成(二)数字式测量电路的基本组成,模拟式信号(一)非调制信号,测控电路的输入信号与输出信号,(二)经调制信号几个重要概念：1、载波频率（car

2、rying frequency)2、载波信号（carrying signal)3、调制信号（modulating signal)4、已调信号（modulated signal)5、调幅信号（amplitude modulated signal),1、什么是信号调制？调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。2、什么是解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。,信号调制解调,3、在测控系统中为什么要采用信号调制？在测控系统中，进入测控电路的除了传感

3、器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。,4、为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。,5、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用

4、的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。,6、什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。,1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为：us=(Um+mx)coswct,调幅式测量电路,调幅式测量电路

5、,调幅式测量电路,2、通过交流供电实现调制如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。,例：用电感传感器测量工件轮廓形状,调频式测量电路,（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t,调频式测量电路,调频信号的波形,测力或压力的振弦式传感器,（二）传感器调制,调相式测量电路,（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相

6、位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc t+mx),调相式测量电路,调相式测量电路,（二）传感器调制,扭矩测量,调相式测量电路,莫尔条纹信号的调制,脉冲调制式测量电路,（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mx,脉冲调制式测量电路,第五节 脉冲调制式测量电路,（二）传感器调制,用激光扫描的方法测量工件直径,模拟式测量电路的基本组成,电路,传 感 器,量程切换电路,放 大 器,解 调 器,信号分离电路,运

7、算 电 路,模数转换电路,计 算 机,显示执行机构,振 荡 器,电 源,数字式信号（一）增量码信号（二）绝对码信号（三）开关信号,数字式测量电路的基本组成：,数字式测量电路的基本组成：,二、控制电路的基本组成,(一)开环控制(二)闭环控制,（一）开环控制,（二）闭环控制,测量电路的输入信号类型对其电路组成有何影响？试述模拟式测量电路与增量码数字式测量电路的基本组成及各组成部分的作用。为什么要采用闭环控制系统？试述闭环控制系统的基本组成及各组成部分的作用。,问题:,三、电桥电路,电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。,电桥电路按其所采用的激

8、励电源类型,直流电桥,交流电桥,工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。,（一）直流电桥,电桥平衡的条件：R1*R4=R2*R3,电压输出：U0=0,电桥输出,根据电桥平衡的条件可分三种情况：,（1）四臂电阻相等 输出电压Uo=0（其中一个桥臂上的电阻值改变，Uo就不为零，这是最常用的电阻应变片测量电路。）（2）输出对称电桥（3）电源对称电桥,假设电桥各臂电阻值都发生变化，其阻值的增量分别为、，则电桥的输出为：,结论：等臂全桥测量电路，对于相同的电阻变化量，输出的电压信号最大。灵敏度最高,（二）交流电桥,如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交

9、流电桥。,为适应电感、电容式传感器的需要,交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。,交流电桥的平衡条件,交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个次级线圈,交流电桥的四个桥臂分别用阻抗、表示,交流电桥的平衡条件为：,电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路,电阻交流电桥,1、单臂电阻；2、等臂差动电桥；3、全桥交流电桥。,电感电桥,两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电感线圈的有功电阻。,若设Z1、Z2为传感器阻抗,且,则有,另有,由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：

10、,电桥的输出电压为：,当LR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。,电容电桥,两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中 和 为电容介质损耗电阻。,设Z1、Z2为传感器阻抗，,且,有,由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，,电桥的输出电压为：,当CR 时，上式可近似为：,交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。,变压器电桥电路,电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂,设其阻抗分别为Z1和Z2，,(由于被测量

11、使传感器的阻抗发生变化),电桥的输出电压为：,四、信号的放大与隔离,(一)何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。,2、对其基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。,3、测量放大电路的类型,按照测量放大电路的结构原理,差动直接耦合式,调制式,自动稳定式,差动直接耦合式包括,单端输入（同相或反相）运算放大电路,电桥

12、放大电路,电荷放大电路等,按照元件的制造方式,分立元件结构形式,通用集成运算放大器组成形式（性价比好）,单片集成测量放大器（专门芯片，价格高）,4、几个重要术语开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc输入失调电压u0s输入失调电流I0s零点漂移共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc,(二)运算放大器（反相放大器、同相放大器)（一）反相放大器Kf=uo/ui=R2/R1R3=R1/R2,（二）同相放大器Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1/R2Zi=K zin/(1+R2/R1)+R3,（三）交流放大器1、交流反相放大电路Kf=R2/R1R3=R2 C1：隔直电容C3：旁路电

13、容，防止振荡C3R3C1R1,2、同相交流放大电路C1：隔直电容R3：C1的放电回路 R3 必须有zi=R3 使同相放大器失去高输入阻抗的特点,3、交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流，R3=R2,（三）测量放大器,测量放大器的特点测量放大器的组成实用测量放大器,测量放大器的特点,测量放大器对低电平信号进行线性放大，阻抗匹配、抗共模干扰、具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入 阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点。,1、自举式高输入阻抗放大电路,a)同相交流放大电路,b)交流电压跟随电路,c)自举组合电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri

14、 i2=i1,自举电路何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,什么是差动放大器？差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,2、差动放大器,差动放大器,基本电路 共模与差模输入,差动放大器,等效电路,ud=ui1ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效电路可得uo=R4(1+R3/R

15、1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1)ud即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当R1=R2，R3+R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分,何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压

16、信号。,3、电桥放大电路,电桥放大电路,（一）单端输入电桥放大电路,电桥放大电路,（二）差动输入电桥放大电路,电桥放大电路,（三）线性电桥放大电路,什么是高共模抑制比放大电路？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。,4、高共模抑制比放大电路,高共模抑制比放大电路,（一）双运放高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0通常取R1=R5，R2=R4,高共模抑制比放大电路,2、

17、同相串联结构型uo1=(1+R2/R1)ui1(uo1ui2)/R3=(ui2uo)/R4uo=(1+R4/R3)ui2-(1+R2/R1)(R4/R3)ui1为了获得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3,高共模抑制比放大电路,3、三运放高共模抑制比放大电路IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo=(uo2uo1)R5/R3,（四）单片集成测量放大器,美国Analog Devices公司提供的AD521、AD522、AD612、AD614等。国内749厂生

18、产的有ZF605、ZF603、ZF604等。在信号处理中采用单片测量放大器芯片。其具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等特点。,AD612和AD614测量放大器内部电路,AD612的测量电桥接线图,（五）测量放大器的使用,测量放大器在使用时应注意以下几点：,（1）差动输入端的连接（测量放大器输入端的正确连接）。,（2）护卫（Guard）端的连接。,如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图所示，那么对交流共模干扰Vcm就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之间存在分布电容，分布电容C1、C2和传输线电阻Ri1、Ri2分别构成两个RC分压器。由于这两个分压器并不完全对称相等，这就使共模干

19、扰电压Vcm在测量放大器两输入端以差模形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。,当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。,护卫端15脚引自测量放大器前级两运放输出的中点，其电位为共模输入电压Vcm。屏蔽层接护卫端就使RC分压器两端电位都是Vcm，电位差为零，分压值也必为零，这样就有效地消除了共模干扰。,（3）R端、S端的连接。,接有远距离负载,输出端接有跟随器,当R端加接参考电压时,（四）程控测量放大器PGA,在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。它是通用性很强的放大器，其特点

20、是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到统一化。,测控系统中使用的可编程增益放大器主要有浮点放大器型、增益电阻切换型和D/A转换型。,1浮点放大器型,2增益电阻切换型,反相输入的数控增益放大器,同相输入的数控增益放大器,3、集成可编程增益放大器,把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。,美国AD公司：LH0075、LH0076、LH0086、LH0084、AM542,什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（

21、如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,(五）隔离放大电路,隔离放大电路,（一）基本原理1、组成及符号,隔离放大电路,2、原理框图,隔离放大电路,（二）通用隔离放大电路 AD277变压器耦合隔离放大器,五、信号的转换,从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换,信号转换电路,从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换,常用的信号转换电路,电压与电流之间的转换电压与频率之间的转换数字量与模拟量之间的转换（A/D、

22、D/A转换）,（一）电压与电流之间的转换,1、直流信号的优点（与交流信号进行比较）,在信号的传输过程中，直流信号不受交流感应的影响，干扰问题也易解决；直流信号在电缆线中传输时，不受电缆分布电容及电感的影响，接线问题易解决；可方便用于A/D、D/A转换。,问题：在测控电路中，为什么采用直流信号作为传输信号和输入、输出信号？,国际标准：电流信号420mA 电压信号120v,2、电压与电流转换（V/I转换器）,（1）转换的条件（为保证一定的转换精度和比较大的适用范围）I/V转换器有低的输入阻抗和输出阻抗；V/I转换器有高的输入阻抗和输出阻抗(2)V/I转换器的要求：输出电流与输入电压之间具有线性；转

23、换器具有恒流性能。,（3）V/I转换电路,输出电流与输入电压间关系：,结论：1）当放大器A的开环增益及输入电阻足够大时，输出电流i0与输入电压Ui的关系，只与电路电阻R2(=R1)、R4(=R3)及反馈电阻R7有关，而与放大器的参数和负载电阻RL无关。保证电路恒流性能；2）根据输出电流i0与输入电压Ui的范围确定电路参数。,3、集成转换电路,随着微电子技术及加工技术的发展，在实现05V，010V及15V直流与010mA，420mA电流的转换时，可直接采用集成电压/电流转换电路来完成，如AD693、AD694、XTR110、ZF2B20等。,微机皮带秤的信号传输与转换电路,（二）电流与电压之间的

24、转换（I/V转换器）,I/V转换器的三种转换电路：电阻式I/V转换反相输入型放大器的I/V转换电路同相端输入型放大器的I/V转换电路,1、电阻式I/V转换,适用于不存在共模干扰的直流信号,2、反相输入型放大器的I/V转换电路,适用于存在共模干扰的直流信号,要求：1、电流源的内阻RS足够大避免输入失调电压放大（1+R1/Rs)倍，造成误差；2、电流iS运算放大器的输入偏置电流Ib。,3、同相端输入型放大器的I/V转换电路,适用于存在共模干扰的直流信号,要求：,（避免运算放大器偏置电流造成误差）,二、电压与频率之间的转换,V/f 转换器定义：V/f(电压/频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频

25、率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。应用：在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等,频率信号的特点：,抗干扰能力强方便于远距离传输；可以调制在射频信号上进行无线传输；调制成光脉冲信号用光纤传输；传输信号不受电磁场的影响,V/F转换器常用集成芯片主要有VFC32和LM31系列,LM31（LMX31）系列包括LM131/LM231/LM331，是美国国家半导体公司生产的，适用于V/F、F/V、A/D转换，也可用于长时间积分器、线性频率调制与解调器等功能电路。,