常用传感器原理及其测量电路ppt课件

传感器常用测量电路,一 集成运算放大器 二 电桥电路 三 滤波器 四 调制与解调,这些处理手段称为信号调理,传感器常用测量电路,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。,目的,传感器常用测量电路,集成运算放大器是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。,一 集成运算放大器,1、参数 （1）开环放大倍数A=; （2）输入阻抗ri=；输出阻抗ro=0; （3）频带宽度BW=； （4）当UP=UN,UO=0; （5）没有温漂；,传感器常用测量电路,通用集成运算放大器； 高输入电阻型运放； 高速型运放； 低失调电压运放； 高精度运放； 斩波稳零运放； 大功率运放；,2、常见集成运算放大器,传感器常用测量电路,信号放大分类,特点,传感器常用测量电路,A 直流放大电路,电压增益:,1) 反相放大器,反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,3、常见放大电路,传感器常用测量电路,（1）差动输入放大电路：,（2）带平衡电阻的反向输入放大电路：,C 其他放大电路,传感器常用测量电路,（3）运算电路,传感器常用测量电路,（4）测量放大器电路,传感器常用测量电路,4 电荷放大器,传感器常用测量电路,1 直流电桥,平衡条件,二 电桥电路,传感器常用测量电路,令：,传感器常用测量电路,所需的高稳定直流电源较易获得； 电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量； 对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。,直流电桥优点：,直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。,缺点是：,传感器常用测量电路,电桥的接法：,传感器常用测量电路,2 交流电桥,电容,电感,传感器常用测量电路,两种常见的交流电桥：,a、RC电桥,b、RL电桥,电桥平衡条件,应用场合：,传感器常用测量电路,交流电桥优点： 可以调制输出电压的频率 交流放大容易； 缺点： 调节平衡困难 易受分布参数影响；,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,4 电桥的应用,由电桥输出可以看出，不同的桥臂上的电阻（抗）的变化对输出的影响是不同的。,加法特性的应用,减法特性的应用,三、滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分,传感器常用测量电路,1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,传感器常用测量电路,带通,带阻,传感器常用测量电路,2 滤波器的串/并联,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器,传感器常用测量电路,低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,3 理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,传感器常用测量电路,理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。,传感器常用测量电路,4 实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。,0,f,A,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,5 实际滤波器的技术指标,0,f,1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率,fc1-下截止频率 fc2-上截止频率,0,f,传感器常用测量电路,2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,最大波动指标：,0,f,3)带宽B： 上下两截频间的频率范围称为带宽。,传感器常用测量电路,4）倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。,倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。,传感器常用测量电路,或:,0,f,5）中心频率fn：上下两截频间的频率fc1,fc2的集合平均值。,传感器常用测量电路,6）恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。,b) 恒带宽比带通滤波器,a) 恒带宽带通滤波器,传感器常用测量电路,c）倍频程滤波器,倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。,传感器常用测量电路,fc2与fc1是带通滤波器的上、下截止频率，它们可以用下列关系式表示：,当n=1时，称为倍频程滤波器；,当n=1/3时，称为1/3倍频程滤波器；,0,f,8）品质因数Q： 中心频率和带宽之比称为品质因数 。,传感器常用测量电路,6 RC无源滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。,1) 一阶RC低通滤波器,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,2) 一阶RC高通滤波器,传感器常用测量电路,3) RC带通滤波器,传感器常用测量电路,应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。,传感器常用测量电路,7 有源滤波器,如果在低通滤波器后面接一个放大器：,可见，其增益由,确定，而与时间常数RC无关。,传感器常用测量电路,通常利用一个运放可以构成一个二阶滤波器，其电路为：,该种类型滤波器被称为无限增益多路反馈型滤波器.下面推导其传递函数.,传感器常用测量电路,根据Y1到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：,传感器常用测量电路,产品,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,8 滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,传感器常用测量电路,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,传感器常用测量电路,案例：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出的电压信号中包含三种成分： （1） 表面坡度信号 x1(t) f1 （2） 表面粗糙度信号 x2(t) f2 （3） 高频电气干扰 x3(t) f3,且 f1 f2 f3 V0= x1(t)+ x2(t)+ x3(t) 我们对V0进行频谱分析：,为了准确地测量粗糙度信号，我们可以让V0分别通过一个低通滤波器和一个高通滤波器，分别滤掉f3和f1，这样f2就不失真的通过。,传感器常用测量电路,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,传感器常用测量电路,四 调制与解调,传感器常用测量电路,“调制”与“解调”的过程:,人,飞机的参数（如重量、速度等）,控制,飞机 （载体）,载有人的飞机,调制,人,解调,低频信号,高频信号 （载波）,载波的参数（如幅度、频率、相位）,已调波,还原,低频信号,装载,卸载,传感器常用测量电路,用被传送的低频信号去控制高频信号（载波）的参数（幅度、频率、相位），实现低频信号搬移到高频段。,是调制的反过程。即：把低频信号从高频段搬移下来，还原被传送的低频信号。,调制：,解调：,传感器常用测量电路,为什么要通过调制来发送信号？,天线尺寸的限制 只有天线实际长度与电信号的波长可比拟时，电信号才能以电磁波形式有效辐射。 可实现的回路带宽 低频信号频率变化范围很大，很难做出参数在如此宽范围内变化的天线和调谐回路。 区别不同的音频信号 有利于接收来自不同发射机的信号（因为不同发射机有不同的载波频率）。,传感器常用测量电路,2 种类,传感器常用测量电路,调制的方式:,控制,调制,低频信号,高频信号 （载波）,载波的参数,已调波,幅度调制（简称“调幅”，AM）,频率调制（简称“调频”，FM）,相位调制（简称“调相”，PM）,幅度,频率,相位,角度调制,相角,传感器常用测量电路,3 调幅及其解调,调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化 解调是利用检波、滤波或其它技术从以调幅波中恢复出缓变信号的过程。,传感器常用测量电路,调幅与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),传感器常用测量电路,调幅与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),传感器常用测量电路,调幅的过程 相当于频率” 的搬移”过程,幅度调制与解调过程（数学分析）,传感器常用测量电路,AM信号波形特征,波形特征： (1)调幅波的振幅（包络）变化规律 与调制信号波形一致 (2)调幅波频率（即变化快慢） 与载波频率一致,传感器常用测量电路,同步解调,包络检波,相敏检波,调幅波解调方法：,传感器常用测量电路,1）同步解调,上述调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z(t) 方能复原出原信号，故称同步解调,传感器常用测量电路,调幅波的波形失真,b）过调失真,a）重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm,传感器常用测量电路,一般ma值越大调幅越深：,波形特征： 调幅度ma反映了调幅的强弱程度,传感器常用测量电路,2）包络检波,若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,1、解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。 2、包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号。,包络检波有两个问题：,为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,在载波信号y(t) xm(t) 时,二极管的导通与截止全由载波信号y(t)决定。,调幅波,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,工作原理： 调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正 （ 原信号x(t)为正） 载波电压为负,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,工作原理： 调幅波与载波y(t)异相 载波电压为正 均为负 （原信号x(t)为负） 载波电压为负,传感器常用测量电路,例：动态应变仪,传感器常用测量电路,4 频率调制与鉴频,调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.