（机械电子工程专业论文）三维流速传感器信号调理电路的研究.pdf

三维流速传感器信号调理电路的研究 摘要 随着海洋科学的逐步发展，现今对于开发海洋所需要的传感器的性能要求 越来越高，流速作为海洋测量的重要参数，对其测量精度要求愈加精确， 迫切地需要具备有高性能的流速传感器。本论文的研究内容是基于国家自然科 学基金项目“可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究”( n o 4 1 0 7 6 0 6 1 ) ，主要 研究三维流速传感器的信号处理系统。 本论文首先介绍了微弱信号的检测、调理电路及流速传感器的工作原理； 其次，对于信号调理电路的设计来说主要在于微弱信号的检测，信号易受干扰， 在进行放大设计时需要考虑到高增益的问题，确定了放大电路的方案，并将级 联放大系统进行了噪声系数的分析，从而得到了各级对系统噪声的影响，并针 对此进行放大电路的设计，根据前置放大电路和二级放大电路的不同作用，分 别进行分析，并针对此系统设计出了该二级放大电路：再次，由于模拟信号更 容易受到干扰，故可以将模拟信号转换为数字信号，信号所受：于扰会大大降低， 为了避免引入过多的干扰与噪声，模拟电路部分应尽量简单，这就要求高性能 的a d 转换电路与芯片，在本设计中利用了a d 7 7 1 4 这款高性能芯片，并分别 进行了硬件和软件的设计，可以对微小信号准确有效地测量，并且使得整个系 统对前面的模拟放大电路的要求大大降低，这大大降低了模拟电路的复杂程度， 减小了不必要的干扰与噪声的引入：最后，考虑到传感器放置于海底，那么就 要求有较远的通信距离，本文中采用了r s 4 8 5 串口进行通信，并在p c 机端口 利用r s 4 8 5 和r s 2 3 2 转换器较好地和p c 机进行通信；对于上位机中，使用 l a b v i e w 进行显示界面的设计，这样可以方便的实时观测信号的幅值及波形变 化。 关键词：流速传感器；微弱信号；信号调理电路；a d 7 7 1 4 ；i 。a b v i e w t h er e s e a r c ho f3 dn o ws e n s o r ss i g n a l 1 j c 0 n n l t l o n l n gc l r c u l t a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a ld e v e l o p m e n to fm a r i n es c i e n c e ，f b rt h es e n s o r su s i n gi nt h e o c e a nd e v e l o p m e n tn o w a d y s ，i tr e q u i r e dh i g hp e r f o r m a n c e v e l o c i t yo ff l o w a sa n i m p o n a n tp e r f o r m a n c ef o rt h eo c e a nm e a s u r e m e n t ，t h ea c c u r a ( ：yw a sd e m a n d e d h i g h l y s ot h eh i g h - p e r f o r m a n c en o ws e n s o rw a sn e e d e d t h er es e a r c hw a sap a r t o ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n “t h er e s e a r c ho ft h et h r e e ds e a c u r r e n ts e n s o rw h i c hc a nm e a s u r et h eu p w a r df l o w ”( n o 410 7 6 0 6 1 ) i nt h i sp a p e r ， a i m i n ga tt h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i to ft h et h r e e ds e ac u r r e n ts e n s o r f i r s t l y ，i td e s c r i b e dt h ew e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dt h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e n o ws e n s o ri nt h i s p a p e r ；s e c o n d l y ，f l o r t h e s i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i ti t sm a i nw o r kw a st h ed e t e c t i o no ft h ew e a ks i g n a l ，f o rt h e s i g n a lw a sa l w a y sw e a ka n de a s 订yt ob ei n t e r f e r e d ，t h eh i g hg a i nw a sn e e dt o c o n s i d e r e di nt h ed e s i g n i n gp r o c e s s ，t h ed e s i g np l a no ft h ea n l p l i f yc i r c u i tw a s p r o p o s e d ，a n dt h r o u g ha n a l y z et h em u l t i s t a g ea m p l i f i e r ，g e t t i n gt h ei n f l u e n c eo f e v e r yp a r tt ot h ew h o l ec i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tf u n c t i o n o ft h ep r e a m p l i n e ra n dt h es e c o n da m p l i 行e r ，t h ea m p l i f yc i r cu i tw a sd e s i g n e d t h i r d l y ，t h ea n a l o gs i g n a lw a si n t e r f 色r e de a s i e r ，s ot h ea n a l o gs i g n a ls h o u l db e t r a n s l a t e dt ot h ed i g i t a ls i g n a lb yu s i n gt h ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r t h em o r e c o m p l i c a t e dt h ea n a l o gc i r c u i ti s ，t h em o r ei n t e r f e r ew o u l db ei n t r o d u c e d ，s ot h e a n a l o gc i r c u i ts h o u l db ee a s i e ra n dah i 曲p e r f o r m a n c ea dc o n 、，e r t e rw a sn e e d e d 2 4b i ta d 7 714w a su s e di n t h i sp a p e r ，a n dt h ec i r c u i tw a sd e s i g n e d t h ew e a k s i g n a lc a nb ed e t e c t e de f f e c t i v e l ya n da l s or e d u c et h ed e m a n do ft h ea n a l o ga m p l i f y c i r c u i t t h ec i r c u i tw o u l db ee a s i e ra n dt h el i t t l ei n t e r f 色r e n c ew o u l db ei n t r o d u c e d f i n a l l y ，b e c a u s et h es e n s o rw a su s e di nt h eo c e a n ，i tr e q u i r e dl o i l gc o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e ，r s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a sa d o p t e d ，a n da tt h ep o r to ft h ep c r s 4 8 5t or s 2 3 2c o n v e r t e rw a su s e db yc o m m u n i c a t i n gw i t ht h ec o m p u t e r i nt h e c o m p u t e r ，ad i s p l a yi n t e r f a c ew a sb u i l tb yt h el a b v i e wf o ro b s e r 、，i n gt h ec h a n g eo f t h ea m p l i t u d ea n dt h ew a v ei nr e a lt i m e k e y w o r d s ： n o ws e n s o r ； w e a ks i g n a l ； s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ； a d 7 714 ； l a b v i e w 致谢 三年的时光在转眼之间已经流逝，随之，我的研究生生活也临近了尾声， 回想起来，这三年的时光给了我无限的感慨。 如今，即将毕业，在此，首先要对我的导师王勇教授致以最深的敬意与感 谢。在这过去的三年之中，一直都是王老师在辛勤的教导着我，在王老师的指 导之下，我学到了很多的东西，由于本身不是学电气专业出身，对于本课题来 说，王老师对我的指导作用不可忽视，让我学到了很多电子电气方面的知识； 与此同时，王老师也是非常关心我们的生活并给了我们很大的帮助。在这一路 上，王老师就像我们前行路上的指路明灯一样照亮着我前行的方向，也使得我 的论文得以如期完成，使得项目顺利地进行下去。王老师有着广泛的学识，更 重要的是他那严谨的治学态度、严肃认真的工作态度与高度的责任心，这些高 贵的品质在时时刻刻的影响和激励着我，使我受益匪浅。 与此同时，也要非常感谢刘正士老师，刘老师严谨求实的科学态度、渊博 的知识、敏捷的思维，在课题研究和工作中对我有着莫大的帮助。 在此，要特别感谢滑志龙、杨科、尹鹏飞、姜礼杰、马晓华等师弟对我的 帮助，长期以来，都是他们和我一起做实验、进行仿真、实物调试等，经过我 们反复的试验修改与努力，最终使得电路达到了比较良好的效果。 感谢张英、闫科、吴昌庆等同学和我这一路走来，在工作和生活中给予我 了很多的帮助。 感谢我的父母以及我的其他亲人朋友们，感谢他们这么多年来对我无微不 至的关怀，感谢他们对我精神和物质上的支持，感谢他们为我：无私奉献的一切。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师和同学们。 最后，感谢评阅本文和出席论文答辩的各位专家教授在百忙中给予本人的 指导。 作：苦：李纪芬 2 0 1 2 年4 月 插图目录 l 一1 卡门旋涡3 2 1 流速传感器应变受力结构图8 2 2 金属电阻丝应变效应9 2 3 电桥结构1 0 2 4 直流电桥1 0 2 5 直流电桥的联接方式1 1 2 6x 、y 、z 三路检测电桥11 2 7 台湾固纬多路显示的线性直流电源1 2 3 1 微弱信号检测电路组成框图1 5 3 2 全桥差动惠斯通电桥1 5 3 3 级联放大器的噪声系数一1 6 3 4 仪表放大器电路的典型结构1 8 3 5i n a l 2 8 的方框图2 0 3 6 引脚排列图2 0 3 7i n a l 2 8 的基本连接图2 0 3 8 三种偏置电流的泄荷方式2 1 3 9 前置放大电路原理图2 1 3 1 0 反相比例放大电路2 2 3 1 1 反相放大电路2 2 3 1 2 引脚排列图2 4 3 1 3i c l 7 6 5 0 反相放大典型电路2 5 3 1 4 二级放大电路原理图2 5 3 1 5 信号放大电路原理图2 6 4 1 采集通信系统框图2 7 4 2a d 7 7 14 功能图2 9 4 3a d 7 7 1 4 与s t c 8 9 c 5 2 单片机的接口电路图3 2 4 4a d 7 7 14 的读写时序图3 2 4 5a d 7 7 1 4 的外部连接图3 2 4 6a d 7 7 l4 编程流程图3 3 4 7 单片机最小系统图3 4 4 8m a x 4 8 5 引脚结构图3 5 4 9s t c 8 9 c 5 2 与m a x 4 8 5 连接图3 6 4 1 0r s 4 8 5 与r s 2 3 2 之间的转换3 6 4 1 1h e x i n i i i 型转换器接头3 7 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图5 1 放大电路实物效果图3 9 图5 2 放大电路测试系统试验图一4 0 图5 3 测试信号数据处理图表4 1 图5 4a d 7 7 1 4 测试连接图4 2 图5 5 输入信号为1 m v 时的测试图4 2 图5 6 串口调试助手输出数据4 3 图5 7 测试系统整体实物连接图一4 3 图5 8m a x 4 8 5 及h e x i n i i i 通信测试4 4 图5 9m a x 4 8 5 串口通信测试4 4 图5 一l ol a b v i e w 显示界面4 5 图5 1 1l a b v i e w 程序编制流程图4 5 图5 一1 2l a b v i e w 的程序框图4 6 图5 1 3l a b v i e w 显示界面测试图4 6 图5 一1 4l a b v i e w 测试显示界面一4 6 图5 1 5 信号处理系统原理图4 7 图5 1 6p c b 印制电路板图( 未覆铜) 4 9 列表清单 表2 1g p d 3 3 0 3 线性直流电源性能参数表一1 3 表3 1i n a l 2 8 的主要性能参数表1 9 表4 1a d 7 7 1 4 引脚功能表3 0 表4 2 引脚功能表3 5 表5 1 放大电路测试数据表一4 1 第一章绪论 1 1 海洋科技的发展 随着人类文明及生产发展的需要，海洋逐渐走入了人们开发的视野。 现今，海洋经济已成为关系着国计民生的一个重要方面，海洋的开发与利用， 为人们的生存及发展提供了重要的发展空问，人们对海洋的开发利用史也是一 部海洋科技发展的历史。海洋的开发与利用，离不开海洋科学的支撑，大力发 展海洋科技为开发海洋世界提供了重要的开发检测设备。发展海洋科技，尤其 是海洋高新技术已成为世界新技术革命的重要内容。海洋科技进步已经成为衡 量国家科技总体水平和海洋强国的重要指标【l j 。 海洋的发展日益受到各个国家的重视，从2 0 世纪8 0 年代以来，美、英、 日等国家相继制定了关于海洋的发展规划，提出了要优先发展海洋高新技术的 战略决策，强调海洋是地球上最后开辟的疆域，谁能最早、最好地开发利用海 洋，谁就能获得最大的利益。有资料显示，在1 9 9 6 2 0 0 0 年间，美国投入达 1 1 0 亿美元的巨资，专门针对民用的海洋进行开发与研究。l9 9 0 年，英国发表 了英国海洋科技发展战略报告，并提出优先发展对海洋开发具有战略意义 的高新技术，日本也在1 9 9 7 年制定了海洋开发推进计划，提出了以科技加 速海洋开发和提高国际竞争力战略，并将19 9 8 年确定为“海洋生物技术元年” 【2 】 o 与此同时，我国作为海洋大国，也极其重视海洋科技在海洋经济可持续发 展中所发挥的积极作用，在中国海洋2 l 世纪议程中，明确了科学技术在海 洋科技发展中的重要作用，并提出了若干开发方案。1 9 9 3 年，政府颁布了海 洋技术政策蓝皮书，其中系统地制定了海洋科学技术发展的政策；1 9 9 6 年， 国家又制定了“九五”和2 0 1 0 年全国科技兴海实施纲要，由此正式开始了 “科技兴海”计划，该计划主要是以推动海洋产业技术为目标。国务院在2 0 0 3 年制定并颁布了全国海洋经济发展规划纲要，指出要坚持科技兴海之路， 并进一步加强科学技术的进步对海洋经济发展所起到的带动作用。2 0 0 6 年国家 海洋局、国防科工委、科技部、国家自然科学基金委四部门联合颁布实施国 家“十一五”海洋科学和技术发展规划纲要，大力推动海洋科技事业以实现 海洋科学的跨越式发展p j 。 近年来，世界各国越来越重视海洋的可持续发展及其开发，这就需要有着 强而有效的开发工具，各国都在大力支持与发展着海洋科学技术，并着重研发 海洋开发与勘探设备。2 0 世纪6 0 年代以来，从海洋科学的发展可以看出，几 乎所有的重大进展都与新的技术发明与应用，新的先进的实验观测仪器、装备， 以及实验设备的测量精度和数据处理能力的提高有着重要的关系。 对于海洋的勘探测量来说，海流速度是海洋的重要测量参数，为此流速测 量所需要的仪器，也就成为了人们在研究中所关注的重点。流速测量仪为海洋 科研的发展提供了重要的信息，随着海洋科技的发展，对于海流测速仪能够测 量的范围以及所测量的精度的要求越来越高。 1 2 流速仪的发展现状 如前所说，海流速度是在进行海洋勘测时的一个重要参数，并且，海水在 流动时的一些其他参数如流量的测量最终也可以通过对流速的测量来得到【4 1 。 近年来，随着政府的大力投入，也伴随着现今电子通信等高科技的发展，各式 测量仪都随着涌出，且有着较为良好的应用。对于测量速度的流速流量仪来说， 可以分为热式流速仪和非热式流速仪两种【5 】【6 1 。 对于热式流速仪【7 】【8 】来说，它主要由测速探头和转换器( 也就是信号调理 部分) 组成，测速部分主要是由两个热敏电阻构成，通过其中一个电阻测量流 体的温度t l ，而另一个电阻则是加热到环境温度以上的某一固定温度值t 2 ， 通过对温差的测量即可得到所测流体的流速。热式流速仪发展时间长，在工艺 和制作方面已经相当成熟，但是，热式流量计鉴于其特殊的工作原理，在应用 范围上有着一定的限制，并且也有着自身的固有缺点：不可避免的温度漂移、 功耗的加大、热敏原件的热传导所引起的测量误差等【9 1 。 相对于热式流速仪来说，非热式流速仪的应用更为广泛，并且其种类也是 多种多样，在主流上主要有旋浆式流速仪、电磁流速仪、多普勒流速仪、涡街 流速仪等等。 旋浆式流速仪是在各行业中应用最多的测量仪器之一【1 0 】【1 1 1 ，它主要是通过 流体对流速仪内部转子的冲击而进行转动，从而产生脉冲信号，以此来测量旋 桨旋转一周的时间，或者是测量输出脉冲的频率来测量流速，并可根据下式换 算得出水流的速度 v ：k 行：竺+ c 丁 式中：v 为水流速度( m s ) ；n 为传感器转速( 转s ) ；t 为传感器的旋转周期( s ) ； k 为传感器的比例常数；c 为传感器最小感应流速( m s ) 。 电磁流速仪是在2 0 世纪5 0 年代问世，主要是基于法拉第电磁感应定律。 流体介质在流经流速仪时，会对流速仪的磁场进行切割从而产生感应电动势， 通过对此电势的测量而得到流体的速度。但对于此电势来说，其幅值非常微小， 并且由流速仪本身所引入的共模电压等其他干扰较大，为消除这些干扰且对信 号进行有效的放大，流速仪无论是在结构上还是在电路设计上都会比较复杂， 成本较高【l 引。 2 l9 6 4 年，激光多普勒测速仪诞生，在工作时，测速仪将会发射出一束光线， 入射光在照射到运动粒子后所产生的反射光的频率将会发生变化，而入射光与 散射光之间的频率差是与粒子的运动速度有关的，根据这个关系即可得到粒子 的运动速度，激光多普勒测速仪属于非接触式的速度测量仪器【l3 。在测量时， 测速仪不会对被测流场产生干扰影响，并且该流速仪可以在比较小的面积中进 行测量，分辨率较高，并且同时还可以测量出脉动流速和湍流情况。 在1 9 9 8 年又推出了一种超声多普勒流速仪，它主要以声学中的多普勒效应 为原理进行设计。在测量的过程时，流速仪的发射换能器会产生一超声波，其 频率为厶，该超声波以一定的方式通过流体介质时，运动的物质会对其产生一 定的漫反射，引起散射波频率的变化，这样通过在接收换能器端将接收到的信 号转换为电信号，结合多普勒频移原理算得相应的二维或三维流速分量，从而 得到流速和流向，超声多普勒流速仪也是一种单点、非接触式、高分辨率的三 维多普勒流速仪，广泛的应用在水流的测量中【l2 1 。激光多普勒测速仪和超声多 普勒流速仪都是利用压电材料的压电效应来感应流速及流向的。 涡街流速仪主要是通过流体流经钝体时所产生的卡门旋涡的频率来进行测 量流速的【l 引。所谓卡门旋涡就是，在流体中设置一个三角柱型的旋涡发生体， 流体在流经旋涡发生体时，在其两侧交替产生的有规则的旋涡，如下图1 1 所 示。 图l l 卡门旋涡 涡街流速仪是在2 0 世纪7 0 年代才发展起来的一种新型的流速测量仪，主 要的优点有量程相对较宽、准确度高、压力损失小等，在近年来，随着检测技 术的不断发展，已有了迅猛的发展，其主要形式有热敏式、应变式、应力式、 超声波式和电容式，其中应力式流速仪是较为常用的一种【l2 1 。同样，它也是利 用压电晶体的压电效应为检测元件来测量流速。 1 3 微弱信号检测 1 3 1 微弱信号检测概述 科学技术日新月异，与此同时，各种观测仪器及技术设备所探测到的信号 愈加微弱，为有效地获得这些信息，就需要将这些微弱信号，如小位移、微振 动、微应变、低电平电压等进行有效地提取，由此一门新兴的技术学科逐渐形 成微弱信号检测( w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，简称w s d ) 【1 5 】。近3 0 年来，人 们对此进行了不断地探索与研究，使得该学科的知识逐渐趋向系统化、完整化， 形成了一系列将微弱信号检测出来的理论及方法，基于这些理论而研制出的仪 器也成为了科学研究中必不可少的设备。 微弱信号有两个方面的含义：一是相对于噪声信号来说，有用信号的幅度 较微弱，二是有用信号本身的幅值极小，通常为微伏及以下量级的信号。这些 小信号极易淹没于周围环境以及电路本身的噪声之中，因而此处的“微弱”是 相对于噪声而言的1 6 】【17 1 。 检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微小，而主要在二f 信号的不干净， 因而微弱信号检测技术的关键就在于如何抑制噪声提高信噪比，从强噪声背景 中将有用信号提取出来【1 8 】【1 9 】。如此就需结合电子学、信息学、计算机学及物理 学等方法，从较强的噪声干扰中将有用的微弱信号检测出来，以满足日益发展 的科学研究和技术开发。微弱信号检测技术在众多的领域中都有着广泛的应用， 比如化学、物理学、生物医学、地学、天文学、磁学等。科学技术在飞速的发 展着，对微弱信号的检测也更加迫切。就此而论，微弱信号检测可以说是高新 技术的发展与探索发现的重要手段，在相关领域的发展中扮演着重要的角色。 1 3 2 微弱信号检测的方法 在进行信号检测时，有两个重要的方面：信号检测灵敏度的提高和噪声的 抑制，对于这两个问题的解决方法主要有下面两种： 第一种是从传感器本身和信号处理电路所使用的放大器入手，研发和设计 出低噪声的放大器，从而降低器件本身的固有噪声等，例如，对于直流信号所 采用的斩波稳零运算放大器( 如i c l 7 6 5 0 、t l c 2 6 5 2 等) ；对于交流信号所采用 的o p 系列运算放大器等。 第二种是通过分析被测信号的特征以及产生噪声的原因及其规律，采用合 适的方法和技术手段，将传感器的有用信号从噪声中予以提取出来，这也就是 研究信号的检测方法。 微弱信号的检测主要是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用 信号，经过多年的实践研究，从噪声中提取微弱信号的有效方法和技术包括有： 一、时域方法 a ) 取样积分与数字式平均【2 0 】 取样积分与数字式平均主要用于检测已知频率的周期性微弱信号，并且信 号所含的频率较为复杂。 b ) 相关检测 相关检测是利用周期信号不同时刻幅值相关性的特点，而噪声及干扰信号 随着时间的变化则具有随机性的特点。利用相关函数和协方差函数，可以讲周 4 期信号从噪声的淹没中提取出来【2 。 c ) 自适应消噪1 2 2 j 自适应消噪属于自适应信号处理的领域，它主要是利用干扰噪声和待测信 号之间不相关的特性来降低干扰噪声，在信号处理过程中，自适应的调整滤波 器的特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，提高信号检测的信噪比。 二、频域方法 a ) 快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) f f t 变换方法实现了信号处理在频域分析中的应用。并且广泛的应用在设 备的故障诊断、图像信息处理、无线电通信和自动控制等众多领域中，并成为 重要的理论依据，且随着频谱校正技术的发展和不断完善，其在工程应用领域 中得到了进一步的扩大。 b ) 功率谱密度( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，p s d ) p s d 分析技术是基于f f t 变换进行的，它将长数据分割成适合d s p 处理 的长度，对每一个数据单元进行f f t 变换，将变换后的数据能力进行积分和平 均，如此便得到了信号的功率谱密度，此种方法通常适合在基于d s p 处理的仪 器中i 到j 。 c ) 滤波 滤波是根据信号和噪声的不同特性，以实现信号进行滤波处理，通过设定 合理的频率带，如此便可减少不在此范围内的噪声和干扰信号，并提高系统的 信噪比5 1 。由于合理的通带设置，使得有用信号可以完全覆盖在内，因而滤波 器不会使有用信号衰减或衰减过多。 三、检测新方法 随着微信号检测技术仍在持续发展，新的研究成果不断的涌现，如基于小 波分析2 们、混沌理论1 7 1 等检测理论和方法都有了可喜的进展。 1 4 信号调理电路 现今，传感器检测技术愈加广泛的应用于工业、农业、国防、航空航天、 医疗卫生和生物工程等领域。传感器输出电信号在用作显示和控制信号以前， 必须做必要的处理，这些处理可以概括为信号调理或称为传感器调理电路。信 号调理电路简单的来说，就是将传感器所输出的信号经过放大、滤波、数模转 换等转换成设备能够识别的信号，利用内部的电路( 如滤波器、转换器、放大器 等) 来改变输入的信号类型并输出。因为工业信号有些是高压，过流，浪涌等， 不能被系统正确识别，必须经过调整理清掉【2 4 j 。 对于传感器来说，其输出的信号中经常会有干扰噪声，需要将其去掉；如 果检测仅对部分频段的信号感兴趣，则必须从输出信号中分离出所需要的频率 成分；当需要使用到数字式仪器仪表和计算机时，传感器所输出的模拟信号还 需要转换成数字信号进行通信采集等。通常，良好的信号调理电路可以使得整 个数据采集系统在性能和精度上能够提高约l o 倍。因此，传感器调理电路是连 接传感器及计算机之间的桥梁；据专家估计，信号调理部分成本几乎占整个系 统硬件成本的4 0 左右，是构成一个完整的自动检测系统中必不可少的重要环 节【2 5 1 。 1 4 1 信号放大电路 由于某些传感器所输出的信号往往是比较微弱的，常伴有噪声干扰，且还 有零漂、温漂现象，与被测量量不成线性关系，信号无法被计算机接收等。与 此同时，鉴于某些恶劣的工作环境，传感器的性能又有可能各不相同，因此， 就要求与其相配合的电子电路必须满足相应传感器的特性要求，并能在恶劣的 环境中进行高精度的测量。也就是说传感器调理电路必须无失真地将传感器输 出的信号接收下来l l5 。 对于放大电路的设计，一般是先根据传感器的类型来确定相应的放大级电 路方案，根据放大级提出的技术要求，大致确定放大电路的级数、各单元电路 的形式、耦合方式和反馈电路的形式等，绘出初步原理图，然后进行计算，确 定各元器件参数等。并将原理图进行仿真，进行反复的试验调试才能完成。 1 4 2 信号处理电路 信号处理的内容主要是根据被测信号的特性和对被测信号分析、研究、应 用的具体要求而定。在检测系统中通常要对信号进行滤波，滤去不必要的高频 或低频信号，或是取得某频段的信号；有时要把双极性的信号变换成单极性的 信号，即对信号取其绝对值等【2 引。 1 4 3 调制与解调电路 在检测中测量的非电量信号都具有较低的频谱分量，一般在零频( 直流) 到几十k h z 的范围内变化。当被测信号比较弱时，由于在信号传送过程中易受 同频率干扰信号的干扰，一般不宜采用直接放大的形式对信号进行传送，而是 经常采用调制一解调的处理方法，提高电路的抗干扰能力，提高信噪比。由于 调制一解调方法是将低频信号的传送变为高频信号的放大及远距离传送，故可 有效地抑制低频干扰和直流漂移。 1 4 4 线性化处理及抗干扰技术 在使用检测仪表时，总希望仪表的输出量与被测输入量是线性关系，便于 读数，也便于处理测量结果。而实际上，对于整个仪表的各个环节来说，都存 在着非线性的环节，特别是传感器，信号在调理电路中的变换大多都是非线性 的，通过采用不同的补偿原理设计出合适的非线性补偿环节，达到线性化【27 j ； 另外，在一些智能传感器中也可以使用软件编程手段将数据进行线性化处理。 针对不同的仪表使用在不同的工作环境中，现场环境有时会非常恶劣，这 将大大影响仪器的检测精度，甚至造成仪器无法正常工作等情况。因此一台高 6 精度高稳定性的仪器仪表，必须根据仪器使用时的环境，采用有效地抗干扰技 术，保证其对干扰较强的抑制能力。 1 5 本论文课题来源及章节安排 本课题来源于国家自然科学基金项目“可测上升流的三维瞬时海流传感器 的研究”( n o 4 1 0 7 6 0 6 1 ，2 0 1 1 1 2 0 1 3 1 2 ) 和“三维瞬时海流的测量方法及新型 传感器的研究”( n o 4 0 8 7 6 0 5 2 ，2 0 0 9 1 2 0 0 9 1 2 ) 。本文主要是针对于基于压阻 应变式海洋流速传感器的信号调理系统而进行设计研发的，将由微小水流所产 生的微弱电信号进行有效地提取、放大、处理、通信等。由于微弱信号检测的 特殊性，本文主要从降噪提高信噪比方面对传感器的信号调理电路进行设计， 使得电路本身及外部对信号所产生的干扰尽量降低，得到干净的有用信号。与 此同时，建立信号通信系统与上位机之间进行通讯。 本论文的章节安排如下： 第一章简述了该课题的研究背景及意义，简单的介绍了微弱信号的概念、 测量方法以及信号调理电路概况。 第二章简单的介绍了本课题中所设计的压阻应变式的三维流速传感器的结 构及原理。 第三章主要着重于信号放大电路的设计，首先确定了信号放大电路的设计 方案，根据前置放大电路和二级放大电路的不同作用，设计出了该系统的放大 电路。 第四章主要介绍了信号调理电路中的信号采集系统以及与上位机之间的通 信系统的设计。 第五章主要针对第三章和第四章中所设计的电路原理图进行实物制作并试 验，同时在p c 上位机中使用l a b v i e w 软件设计了上位机显示处理界面，最终 将整个系统进行整合绘制出整个系统的p c b 布板图。 第六章对本论文中所做的工作进行总结和展望。 7 第二章压阻式流速传感器 2 1 流速传感器的结构介绍 先进的水下机器人或潜水器等海洋设备都需要有性能可靠的传感器进行指 引，对于深海活动及测量，流速流量传感器是一个不能忽略的重要的基本的传 感器。对于流体来说，流速是流体在流动时的一个重要参数，其他一些参量如 流量的测量，也可以由流速的测量进行得到。因此，在水流速度、空气速度的 测量等各个领域，流速传感器都有着广泛地应用【4 j 。 本文中所论述的流速传感器是一种基于压阻应变式的传感器【2 引，主要是利 用流体的绕流阻力对敏感元件产生应变作用的原理制作而成。对于放在流体中 的物体，流体会对其产生一定的作用力，那么流体对物体产生的这个作用力就 是通常所说的绕流阻力【2 9 】【3 0 1 。对于流速传感器来说，需要放在水流中，水流对 传感器产生力的作用，该力通过贴在传感器上的桥路转化为电信号进行输出， 通过测量所输出的电信号，通过相应的标定即可得出水流的速度。传感器的应 变受力结构图如下图2 1 所示。 图2 - 1 流速传感器应变受力结构图 该结构采用十字排布对称的四根弹性梁，如图2 1 所示，该传感器主要由 外环体l 、内环体2 和两组十字对称布置的弹性梁3 和3 组成。弹性梁3 和3 分别构成了水平方向上的力感应机构，用于测量x ，y 方向上信号的变化，而中 心平板4 有两个作用：其一是构成了垂直方向上的力感应机构，用于测量z 方 向上信号的变化，其二是为信号调理电路板预留位置，信号传输线缆通过管6 引出，传输到上位机与上位机之间进行通信。 当传感器置于流体中时，绕流阻力将会作用在外环体1 上，通过弹性梁的 十字结构将会对弹性梁产生力的作用，与此同时，在弹性梁上分别布置着四个 应变电桥，如此，当有力作用在弹性梁上时，应变片将会发生应变效应，产生 变化的信号，将此变化的信号接入到所设计的调理电路板中，即可通过信号调 理电路对该信号进行处理，进而输送到上位机中进行显示及处理。通常，通过 电路板所采集到的信号为电压信号或电流信号，要想得到所需要的流速信息， 就必须对此信号进行对应的变换，其变换依据即是根据标定系统【3o j 对机构进行 标定所得的标定矩阵，根据标定矩阵的换算，即可通过测得的电压信号得到所 需要的流速信号。 2 2 应变工作原理 基于元器件阻值的变化而研制传感器十分常见，这是因为许多物理量( 如 力、力矩、位移、形变、速度、加速度等) 都会对材料的电阻产生影响。电阻 应变式传感器主要是应用应变片的压阻效应制作而成的，通过在传感器的弹性 元件上粘贴电阻应变片将应变变换为阻值的变化，当弹性元件受到被测物理量 的作用时，弹性元件将会发生变形，这时敏感原件内部的组织将会发生变化， 从而引起应变；然后此应变将会通过转换电路转换为电压的输出，引起输出电 压的变化，其大小则间接地反映了被测的物理量的大小。应变式传感器的灵敏 度较高，目前已广泛的应用于各种检测系统中【3 l 】。 电阻应变片能够进行工作，主要依靠的是应变片的应变效应。通常，金属 或者半导体材料在受到外力的作用下，会产生相应的变形或者是内部组织的变 化，这样，就会引起物体本身阻值的相应变化，这就是电阻的“应变效应”【3 2 】。 如图2 2 所示的一根金属丝，在它没有受到力的作用时，其阻值为 r = p 考 ( 2 - 1 ) 式中，p ：金属丝的电阻率；l ：金属丝的长度；s ：金属丝的截面积。 图2 2 金属电阻丝应变效应 当有拉力f 作用在电阻丝上时，电阻丝将会伸长l ，其横截面积也将相 应地减小s ，电阻率也将会因晶格发生形变等因素而改变p ，故电阻丝的阻 值也会发生相应的变化，其变化量为 竺：丝一箜+ 竺 ( 2 2 ) rls p 对于不同的材料，电阻率相对变化的受力效应是不同的，通常，人们使用 的应变材料有金属导体和半导体材料两种，近年来，半导体以其优异的特性在 敏感元件的应用中更加广泛，下面就主要分析一下半导体材料的压阻效应【3 。 9 研究发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即 丝：刀盯：万如 ( 2 3 ) 一，v 一，工j ， 、 p 式中，o 为作用于材料上的轴向应力；7 c 为半导体在受力：疗向的压阻系数； e 为半导体材料的弹性模量。另 等：【( 1 + 2 ) + 万e 】s ：b 占 ( 2 4 ) 式中，b = ( 1 + 2 ) + 万e 为半导体丝材的应变灵敏度系数。前半部分为几何 尺寸变化所致，后半部分为半导体材料的压阻效应所致，而且万e 1 + 2 ，因 而半导体丝材的应变电阻效应以压阻效应为主。对于金属和半导体材料而言， 通常妫= ( 5 0 8 0 ) 如。 由以上分析可知，外力作用而引起的轴向应变，将导致材料的电阻成比例 地变化，通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出。这就是应变片测 量应变的基本原理。 2 3 电桥测量电路 电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后，由于应变片的应变量和由 此而引起的电阻变化较小，如要直接进行精确测量较为困难，且难于处理。因 此，就必须使用一些转换电路或者是仪器将应变片的电阻变化变换为电流或者 是电压的变化，这种转换电路就称为测量电路，而由测量电路构成、并能进行 放大显示的专用仪器则称为应变仪。电桥电路是目前广泛用作电阻应变测量的 电路【3 3 j 。典型的阻抗应变电桥如图2 3 所示。z 1 、z 2 、z 3 、z 4 分别为电桥的 四个桥臂。 桥式测量电路简单，并具有较高的精确度和灵敏度，根据电桥激励电压的 性质，可分为直流电桥与交流电桥两种；对于本设计中的传感器来说，主要针 对的是变化非常缓慢的信号，几十到几百赫兹的信号，如此，本文中所选用的 是直流电桥，如图2 4 所示，电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 4 为四个桥臂，在a 、c 两端 接入直流电源砜，在b 、d 两端输出电压u h 图2 3 电桥结构图2 4 直流电桥 在测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与 1 0 全桥式联接，如图2 5 所示。 a ) 半桥单臂 b ) 半桥双臂c ) 全臂电桥 图2 5 直流电桥的联接方式 对于电桥电路的理论分析资料较全，在此不作过多的分析，根据电桥方面 的相关知识可以知道，对于差动电桥来说，其电压输出是线性的，没有非线性 误差的问题，并且，电桥的灵敏度和电桥的桥臂数相关，双臂电桥的灵敏度是 单臂电桥灵敏度的两倍，全臂电桥是单臂电桥灵敏度的四倍。如此，在本课题 中所设计的传感器是利用差动全桥电路连接的感应电桥。现仅将全桥接法做一 简单分析【3 l j 。 图2 5 c 为全桥接法，工作中四个桥臂阻值都随被测量而变化，即r l 、r 2 、 r 3 、r 4 全为电阻应变片。当承受应变时，应变片r 1 的电阻增大冠，应变片 r 2 的电阻减小皑，应变片r 3 的电阻增大纰，应变片r 4 的电阻减小衄。， 且有觚= 欲：= 挑= 皑，这种电桥也称为差动全桥，其输出电压为 u ，：鱼些型墅堂垃堡尘型幽“( 2 5 ) ( 墨+ 纰+ 恐一哦) ( 玛+ 皑+ 蜀一皑) ” 设冠= 尼= 足= 尼，则 u ，：堡坠垡坠些巡玑：些乙r n ( 2 6 ) 7 ( 墨+ 恐) ( 玛+ r ) ” 墨 ” 由式( 2 6 ) 可见，差动全桥的电压输出是线性的，没有非线性误差问题。 差动全桥的灵敏度是单臂电桥的4 倍，是双臂差动电桥的两倍。 如2 1 节中所述，传感器需要测量x 、y 、z 三个方向上的流速，故而在x 、 y 、z 这三个方向上均布置有电桥来测量各方向上的流速，如此，三路测量电桥 如下图2 6 所示。 + 5 v+ s v+ s v 夺 a ) x 方向检测桥路b ) y 方向检测桥路c ) z 方向检测桥路 图2 6x 、y 、z 三路检测电桥 2 4 电桥f 乜源 电桥灵敏度指的是输出i 乜压的最大变化和激励电压之问的比值。在相同的 电桥灵敏度下，提高电桥的激励电压能提高电桥的输出电压，但这会增大功耗 并可能引起传感器的电阻的自热误差。考虑到本文的传感器是在封闭的环境垠， 散热条件不是很好，而且传感器的电源是内部供电，应尽量减小功耗，所以这 艰选用o 5 v 线性稳压电源供