传感器输出信号处理技术.ppt

8.1传感器输出信号的特点 8.2 传感器输出信号处理电路 8.3输出信号的干扰及控制技术 传感器输出信号处理技术 一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与 信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电 量变换为电路参数的无源型传感器（如电阻式、电感式 、电容式等），需要先进行激励，通过不同的转换电路 把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输 出；对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热） 的有源型传感器（如磁电式、热电式等），需要进行放 大处理。因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必 须具有对电信号进行转换和处理的电路。-微弱信号放 大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修 正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为 微弱信号放大及线性化处理。 8.1传感器输出信号的特点 传感器- 检出功能的器件 信号提取（被测量）、传输（信号变换部分） 特点： 1）输出量为电压、电流、频率 2）输出的电信号一般较微弱： 电压 - 毫伏级、微伏级；电流 - 毫安级、纳安级 3）输出信号与噪声混杂在一起 - 传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱 - 信号淹没在噪声中 4）传感器的输出特性呈线性或非线性 选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制 电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量 5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性 检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分 传感器信号处理方法 检出信号适合于分析和处理的信号 信号调理电路 阻抗变换 - 输出阻抗很高时； 电压/电流（V/A）转换 - 需要电流输出时； 目的： 4）简化后续系统的组成 2） 消除或抑制传感器输出量中的无用信号 3）提高测量、分析的准确度 信号放大 - 输出信号微弱时； 噪声抑制 - 信号淹没在噪声中； 模拟/数字（A/D）转换 - 需要输出数字信号时 1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量 8.2 传感器输出信号处理电路 各种信息由传感器采集后，变换成电量信号 ，必须先经过一系列的变换，以适合数据采集 系统的采集。 n阻抗变换、信号的放大或衰减、滤波、线性 化处理、数值运算、电气隔离等。 n例如当传感器输出信号十分微弱时，必须采 用前置放大器，提高对信号的分辨率；当传 感器输出信号输出阻抗很高时，必须采用阻 抗变换器、电荷放大器等以变换阻抗和放大 信号：当信号合有较多的噪声成分时，必须 进行滤波处理等等。 n信号放大器是检测系统中广泛采用的适调电路 n起放大作用；同时还可起跟随器、隔离器的作用。 v同相放大器输入阻抗极高，常用作信号变换电 路的前置输入部分 v反相放大器有很小的输出阻抗 v隔离放大器对模拟信号进行信号变换和电气隔 离的电路。 8.2.1信号放大器 集成运算放大器的放大特性集成运算放大器的放大特性 反相比例运算放大器 RF R1 RP Vi Vo i1 i2 i1= i2 同相比例运算放大器 RF i2 R1 RP Vi V o i1 同相跟随器 Vi V o 此电路是电压并联负反 馈，输入电阻大，输出 电阻小，在电路中作用 与分离元件的射极输出 器相同，但是电压跟随 性能好。 返回 运算放大器的引线 运算放大器的符号中有三个引线端，两个 输入端，一个输出端。一个称为同相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用 符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端 输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“- ”表示。输出端在输入端的另一侧，在符号边 框内标有+号。 集成放大器的符号 运算放大器复习 运算放大器外形图 运算放大器外形图 差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。 理想运算放大器的条件 差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大23个量级即可。 输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻 小 12个量级即可。 带宽足够宽。 共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放 大器的某个技术指标明显下降即可。 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特 性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用 ，运放必须在闭环(负反馈）下工作。 理想运算放大器的特性 虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器 的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有 限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大 倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两 输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显 然不能将两输入端真正短路。 虚断 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大 器的输入电阻都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流 往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把 运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越 接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以 把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称 虚断。显然不能将两输入端真正断路。 反相输入式放大电路 运算放大器的基本电路有反相输入式、 同相输入式两种。反相输入式是指信号由反相 端输入，同相输入式是指信号由同相端输入， 它们是构成各种运算电路的基础。 反相输入式放大电路，输入信号经R1加入 反相输入端，Rf为反馈电阻，把输出信号电压 Uo反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。 反相输入式放大电路 1)“虚地”的概念 由于集成运放工作在线性区， U+=U-、Ii+=Ii-，即流过R2的电流为零。 则U+=0，U-=U+=0，说明反相端虽然没 有直接接地，但其电位为地电位，相当 于接地，是“虚假接地”，简称为“虚地”。 “虚地”是反相输入式放大电路的重要特 点。 2)电压放大倍数 由于I i-=0,则If=Ii,即 上式表明：反相输入式放大电路中，输入 信号电压Ui和输出信号电压Uo相位相反，大小 成比例关系，比例系数为Rf/R1，可以直接作为 比例运算放大器。当Rf=R1时，Auf=-1,即输出 电压和输入电压的大小相等，相位相反，此电 路称为反相器。同相输入端电阻R2用于保持 运放的静态平衡，要求R2=R1Rf。R2称为平 衡电阻。 3)主要特点 （1）集成运放的反相输入端为“虚地”（U-=0） ，它的共模输入电压可视为零，因此对集成运放的共 模抑制比要求较低。 （2）由于深度电压负反馈输出电阻小（Ro0） ，因此带负载能力较强。 （3）由于并联负反馈输入电阻小（Ri=R1），因 此要向信号源汲取一定的电流。 同相输入式放大电路 输入信号Ui经R2加到集成运放的同相端，Rf 为反馈电阻，R2为平衡电阻（R2=R1Rf）。 1)虚短的概念 对同相输入式放大电路，U-和U+相等， 相当于短路，称为“虚短”。由于U+=Ui，U-=Uf ，则U+=U-=Ui=Uf。由于U+=U-，则 又由于U+=U-0，所以，在运放的两端引入了共 模电压，其大小接近于Ui。 2)电压放大倍数 R1和Rf组成分压器，反馈电压 由于Ui=Uf，则 由上式可得电压放大倍数 上式表明：同相输入式放大电路中输 出电压与输入电压的相位相同，大小成比 例关系，比例系数等于(1+Rf/R1)，此值与 运放本身的参数无关。 如果把Rf短路(Rf=0)，把R1断开 (R1)，则 电压跟随器 运放阻抗匹配器 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 uo R3 ui R2 - + + N1 C1 差动放大器 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。 差动放大器 基本电路 共模与差模输 入 R3 uo R4 ui2 R1 - + + N1 R2 ui1 R3 uo R4 ud/2 R1 - + + N1 R2 ud/2 uic 差动放大器 0 R3 R4 ui2 R1 uo R2 ui1 等效电路 ud= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2 由等效电路可得 uo=R4(1+R3/R1)/(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 电桥放大电路 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，输出放大了的电压信号。 单端输入电桥放大电路 Z1Z2 Z4Z3 R2 R1 b a uo u - + + N a) 反相输入 R+R R2 R1 uo R RR u - + + N b) 同相输入 电桥放大电路 差动输入电桥放大电路 - + + N R2=R1 uo R1 u R (1+) ua ub R R R 线性电桥放大电路 uo R3 R2 = R（1+） R1 u ua R1 ub - + + N 8.3输出信号的干扰及控制技术 在检测装置中，测量的信息往往是以电压或 电流形式传送的，由于检测装置内部和外部因素 的影响，使信号在传输过程的各个环节中，不可 避免地要受到各种噪声干扰，而使信号产生不同 程度的畸变。 噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类 。外部噪声有自然界噪声源(如电离层的电磁现象 产生的噪声)和人为噪声源(如电气设备、电台干 扰等)；内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置 的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等 。 在检测装置中常用的干扰抑制技术，是根据具体情况，对干扰加以认真分析后， 有针对性地正确地使用，往往可以得到满意的效果。在对具体问题进行分析时，一定 要注意到信号与干扰之间的辩证关系。也就是说，干扰对测量结果的影响程度，是相 对信号而言的。如高电平信号允许有较大的干扰；而信号电子越低，对干扰的限制也 越严。通常，干扰的频率范围也是很宽的，但是，对于一台具体的测量仪器，并非一 切频率的干扰所造成的效果都相同。例如对直流测量仪表，一般都具有较大的惯性， 即仪表本身具有低通滤波特性，因此它对频率较高的交流干扰不敏感；对于低频测量 仪表，若输入端装有滤波器，则可将通带频率以外的干扰大大衰减。但是，若对工频 干扰采用滤波器，会将50Hz的有用信号滤掉。因此，工频干扰是低频检测装置最严重 的问题，是不易除去的干扰，对于宽频带的检测装置，在工作频带内的各种干扰都将 起作用。在非电量的检测技术中，动态掼f量应用日趋广泛，所用的放大器、显示器、 记录仪等的频带越来越宽，因此，这些装置的抗干扰问题也日趋重要。目前常用的抗 干扰措施有如下几种。 常用的干扰抑制技术 1.屏蔽技术 利用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是用导磁性 良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种方法主要是防止静电或 电磁干扰，称之为屏蔽。 静电屏蔽 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连 接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其 内部。 静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合 而产生的干扰。 在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止 两绕组间的静电耦合，就是静电屏蔽的范例。 电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产 生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料 做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用， 低频磁屏蔽 在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏 蔽体内部，防止其干扰作用。 通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少 磁阻。 2. 接地技术 1)保护接地线，出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地用的地线。 2)信号地线，它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，除特别情况之外，一 般与真正大地是隔绝的。信号地线分为两种：模拟信号地线及数字信号地线，因前者信号 较弱，故对地线要求较高，而后者则要求可低些。 3)信号源地线，它是传感器本身的信号电位基准公共线。 4)交流电源地线。 在检测装置中，上列四种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的相互干扰。 通常在检测装置中至少要有三种分开的地线，如图所示。若设备使用交流电源时，则交流 电源地线应和保护地线相连。图中三条地线应连在一起并通过一点接地。使用这种接地方 式可以避免公共地线各点电位不均匀所产生的干扰。 为了使屏蔽在防护检测装置不受外界电场 的电容性或电阻性漏电影响时充分发挥作用， 应将屏蔽线接到大地上。但是大地各处电位很 不