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工业仪表维修与检测技巧 傅星天津大学精仪学院教授工学博士精密测试技术及仪器国家重点实验室副主任天津大学光电测控技术研究所副所长电话 022 27406941E mail xingfu 第一章 自动化仪表基础1 自动化仪表发展历史与现状2 自动化仪表的组成及系统应用3 自动化仪表的发展趋势 主要内容 工业仪表维修与检测技巧 第二章 现代传感技术基础1 传感器的作用及地位2 基本功能及组成3 传感器的分类4 典型传感器的工作原理及应用5 微型传感集成技术6 评价方法 主要内容 工业仪表维修与检测技巧 第三章 模拟信号处理技术基础1 线性放大器的工作原理及典型应用2 振荡电路的工作原理及典型应用3 调制解调电路的工作原理及典型应用4 光电转换电路的工作原理及典型应用5 磁电转换电路的工作原理及典型应用6 压电转换电路的工作原理及典型应用 主要内容 工业仪表维修与检测技巧 第四章 数字信号处理技术基础1 数字信号基本知识2 基本逻辑电路的工作原理及应用3 单片机 MCU 的工作原理及应用4 数字信号处理器 DSP 的工作原理及应用5 其它典型电路的工作原理 主要内容 工业仪表维修与检测技巧 第五章 常用仪表的工作原理及维修技术基础1 温度测量仪表2 压力测量仪表3 流量测量仪表4 液位测量仪表5 位移测量仪表6 其它测量仪表 主要内容 工业仪表维修与检测技巧 第六章 维修实例1 多路温度巡检仪 通道间耦合 多路开关 信号变换 显示 2 智能物位变送器 频率信号转换 量程变换 线性化补偿 3 智能蒸汽流量变送器 多路信号处理 温压补偿计算 4 自控系统工作原理及典型故障分析 主要内容 工业仪表维修与检测技巧 参考文献 1 测量控制与仪器仪表现代系统集成技术 丁天怀 李庆祥等 清华大学出版社2 传感器 强锡富 电子工业出版社3 热控自动仪表故障检修实例 廖华4 数字信号微处理器的原理与开发 天津大学出版社5 6 7 8 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状2 自动化仪表的组成及系统应用3 自动化仪表的发展趋势 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 早期指针式仪表的特点 测量环节少 可靠性高 显示模式形象 易于观察 指示器精度不高 不能远传 不易补偿 单一量测量和指示 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 指针式温度计 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 数字式仪表的特点 既有模拟量 又有数字量 数字显示 易于读数 指示器精度高 可以远传 易于补偿 多路参量测量和指示 可以实现智能化 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 50年代初期 数字技术的出现使各种数字仪器得以问世 把模拟仪器的精度 分辨力与测量速度提高了几个量级 60年代中期 计算机的引入 使仪器的功能发生了质的变化 从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数 从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量 70年代 计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透 使电子仪器在传统的时域与频域之外 又出现了数据域 Datadomain 测试 80年代 由于微处理器被用到仪器中 仪器前面板开始朝键盘化方向发展 测试时 可用丰富的BASIC语言程序来高速测试 不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展 90年代 仪器仪表智能化程度提高 微电子技术的进步深刻地影响仪器仪表的设计 DSP芯片的大量问世 使仪器仪表数字信号处理功能大大加强 微型机的发展 使仪器仪表具有更强的数据处理能力 图像处理功能的增加十分普遍 VXI总线得到广泛的应用 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 多路温度巡检仪 早期 切换使用按键和继电器现在 切换使用电子开关 微处理器 温度巡检仪电路图 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 1151智能压力变送器 压力变送器 早期 取压管 电流信号现在 模片 模拟 数字信号 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 1151智能压力变送器 单回路调节器 早期 模拟式电路 电位器现在 数字式电路 程序设定 第一章 自动化仪表基础 1 自动化仪表发展历史与现状 2 自动化仪表的组成及系统应用 多路巡检仪原理框图 第一章 自动化仪表基础 第一章 自动化仪表基础 2 自动化仪表的组成及系统应用 1151模拟电路原理框图 单回路调节器结构框图 第一章 自动化仪表基础 2 自动化仪表的组成及系统应用 第一章 自动化仪表基础 智能压力变送器电原理框图 2 自动化仪表的组成及系统应用 对被测信号敏感的部件 将部件输出的信号转换成电信号 对电信号进行处理 将处理后的信号变换为所需的形式输出 对控制仪表而言 根据预先制定的策略进行运算并完成控制输出 接收来自现场或上级的信号或命令 第一章 自动化仪表基础 2 自动化仪表的组成及系统应用 3 自动化仪表的发展趋势 一 新技术普遍应用目前普遍采用电子设计自动化 EDA 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助测试 CAT 数字信号处理 DSP 专用集成电路 ASIC 及表面贴装技术 SMT 等技术 二 产品结构发生变化在重视高档仪器开发的同时 注重高新技术和量大面广产品的开发与生产 注重系统集成 不仅着眼于单机 更注重系统 产品软化 随着各类仪器装上了CPU 实现了数字化后 软件上投入了巨大的人力 财力 今后的仪器归纳成一个简单的公式 仪器 AD DA CPU 软件 AD芯片将模拟信号变成数字信号 再经过软件处理变换后用DA输出 三 产品开发准则发生变化从技术驱动转为市场驱动 从一味追求高精尖转为 恰到好处 开发一项成功产品的准则是 用户有明确的需求 能用最短的开发时间投放市场 功能与性能要恰到好处 产品开发准则的另一变化是收缩方向 集中优势 四 注重专业化生产而不再是大而全生产过程采用自动测试系统 目前多以GP IB仪器组建自动测试系统 生产线上一个个大的测试柜 快速地进行自动测试 统计 分析 打印出结果 第一章 自动化仪表基础 工业自动化仪表 基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表 特种和专用的自动化仪表 电工仪器仪表 长寿命电能表 电子式电度表 特种专用电测仪表电网计量自动管理系统 科学测试仪器 过程分析仪器 环保监测仪器仪表 工业炉窑节能分析仪器以及围绕基础产业所需的汽车零部件动平衡 动力测试及整车性能检测仪 大地测量仪器 电子速测仪 测量型全球定位系统 GPS 以及其他试验机 实验室仪器等 3 自动化仪表的发展趋势 第一章 自动化仪表基础 环保仪器仪表 大气环境 水环境的环保监测仪器仪表 取样系统和环境监测自动化控制系统产品 仪器仪表元器件 传感器 弹性元件 专用电路 接插件 计数器 医疗仪器 无损诊断成像技术 内窥直视诊断技术 自动手术系统技术 自动化生化分析测试技术及相应分析测试仪器 信息技术电测仪器 电测仪器软件化智能化技术 总线式自动测试技术 综合自动化测试系统 新型元器件测量技术及测试仪器 在线测试技术 信息产业产品测试技术 多媒体测量技术以及相应测试仪器 用电监控管理技术 尖端测量仪器 卫星通信技术在各类测量仪器中的应用技术 声学及超声技术在各类测量仪器中的应用技术 3 自动化仪表的发展趋势 第一章 自动化仪表基础 仪器仪表产品的总体发展趋势是 六高一长 和 二十化 六高一长 高性能 高精度 高灵敏 高稳定 高可靠 高环保和长寿命 二十化 小型化 微型化 集成化 成套化 电子化 数字化 多功能化 智能化 网络化 计算机化 综合自动化 光机电一体化 在服务上专门化 简捷化 家庭化 个人化 无维护化以及组装生产自动化 无尘 或超净 化 专业化 规模化 在这 二十化 中 占主导地位 起核心或关键的作用是微型化 智能化和网络化 3 自动化仪表的发展趋势 第一章 自动化仪表基础 普通仪器仪表早期的仪器仪表以机械和模拟仪器仪表为主 其发展与加工与测试的精度紧密相关 在测试任务或要求确定之后 由系统组建者按照要求 制订出测试大纲 依据测试原理 进行测试设计 参考仪器说明书进行仪器选型 组建成测试系统 在所组建的系统上 进行测试程序的设计 并调试通过 再由人工按照测试程序一步步地完成整个测试任务 在测试任务或测试要求改变时 不但要重新制订测试大纲 而且要重新准备新的测试仪器 重新编制和调试测试程序 就是说 要重复一次上述过程 这个过程中 除了费时 费力 浪费资金外 还隐藏着测试的不准确 记录不完整等致命隐患 小结 第一章 自动化仪表基础 智能仪器由于微计算机和单片计算机的应用 使得仪器具备了诸如数字滤波 非线性补偿 自动量程变换 快速傅里叶变换 FFT 误差修正 图象处理 数据库管理等功能 这种仪器在测试任务或要求确定之后 由系统组建者提出设计 由仪器制造商在制造仪器的同时 将测试程序放入仪器内 然后由仪器按照程序自动地完成整个测试任务 这种仪器可以由用户在一定的范围内进行组态 可以由用户输入某些参数 使得仪器的灵活性大为提高 但是 它还是没有解决在测试任务或要求变换以后需要更换测试仪器的问题 小结 第一章 自动化仪表基础 虚拟仪器随着电子技术的发展 特别是计算机硬件水平成指数形提高和计算机软件技术的飞快进步 使得原来传统的仪器硬件被计算机软件所替代 这种替代使得仪器的功能可以随意修改和定义 这样在测试任务或要求确定之后 由系统操作者在测试开始前 将测试程序输入到虚拟仪器中 由虚拟仪器自动完成整个测试任务 测试程序可以随时修改 随意增删 在测试任务或测试要求改变时 只需要重新输入或修改测试程序 不需要更换其它部件 就可以完成新的测试任务 另外 在某些被测对象的特性未知的情况下 利用虚拟仪器可以测试其特性 在某些被测对象特性已知 但想在其制造出来以前了解其性能的时候 利用虚拟仪器可以模拟其运行过程 并对其性能进行测试 测试结果可以供人们在设计与制造过程中参考 小结 第一章 自动化仪表基础 模拟电路 人机接口 传感器 执行器 显示 小结 第一章 自动化仪表基础 旋钮 中央处理器 模数转换器 数模转换器 数据存储器 人机接口 网络接口 传感器 执行器 网络 键盘显示 小结 第一章 自动化仪表基础 第二章 现代传感技术基础 1 传感器的作用及地位2 基本功能及组成3 传感器的分类4 典型传感器的工作原理及应用5 微型传感集成技术6 评价方法 第二章 现代传感技术基础 1 传感器的作用及地位 信息采集技术 传感技术是人类探知自然界信息的触觉 为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据 传感器是流程自动控制系统和信息系统的关键基础之器件 其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平 自动化技术水平越高 对传感器技术依赖程度越大 2 基本功能及组成 基本功能 将被测量转换为便于传输的物理量 电量等 基本组成 敏感元件 转换元件 转换电路 敏感元件 转换元件 转换电路 被测量 输出 与被测量有确定关系的物理量 电路参数量 电量 第二章 现代传感技术基础 2 基本功能及组成 传感器的一般特性 静特性线性度 非线性误差 迟滞重复性灵敏度 灵敏度误差 分辨率 稳定性静态误差 一般取3 动特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性 第二章 现代传感技术基础 3 传感器的分类 工作机理 物理型 化学型 生物型等构成原理 结构型 场定律 物性型 物质定律 能量转换 能量控制型 能量转换型物理原理 电 磁电 压电 光电 气电 热电 波式 射线式 半导体式 其它使用场合 位移 压力 振动 温度 流量等输出信号 模拟 数字转换过程 双向 单向 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 电阻式 电路参数为电阻 可以实现压力 位移 应变 扭矩 加速度 温度等的测量 具有结构简单 性能稳定 灵敏度高等特点 4 1 1 工作原理 由欧姆定律U I R4 1 2 转换电路的型式 恒流源 电桥 电位器等4 1 2 1 恒流源 注意的问题 恒流源的性能引线电阻的影响补偿问题 V U R I 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 2 2 电桥式当R1R4 R2R3时 U 0当R1R1 R1时 有 设 n R2 R1 R4 R3 称为桥臂比 电阻式传感器 V U R2 R4 R1 R3 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 2 2 电桥式非线性问题及补偿方法 U与V呈非线性关系近似法 略去分母中的 R1 R1则 可得电桥灵敏度为 k与电源电压及桥臂比有关 电阻式传感器 V U R2 R4 R1 R3 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 2 2 电桥式差动法 当R1R1 R1时 使R2R2 R2 则 设 n R2 R1 R4 R3 R1 R2则 可得电桥灵敏度为 k与电源电压及桥臂比有关 电阻式传感器 V U R2 R4 R1 R3 第二章 现代传感技术基础 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 2 2 电桥式差动法 续 当R1R1 R1 R2R2 R2使R3R3 R3 R4R4 R4设 n R2 R1 R4 R3 R1 R2 R3 R4则 可得电桥灵敏度为 k与电源电压及桥臂比有关 电阻式传感器 V U R2 R4 R1 R3 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 2 2 电桥式温度问题及补偿方法 当温度变化时 电阻相对变化为 温度系数的影响对应变片来说 还要考虑 膨胀系数的影响利用电桥补偿的方法 考虑到 R1由三部分组成 在相邻桥臂R3设置温度特性相同的器件 抵消温度的影响 电阻式传感器 V U R2 R4 R1 R3 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 1 2 3 电位器式线性电位器 函数电位器 电阻式传感器 U V Rxx Rl RL 负载特性 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 电路参数为电容 可以实现压力 位移 振动 液位等的测量 具有结构简单 零漂小 动态响应快 易实现非接触测量等特点 缺点是易受干扰和寄生电容的影响 4 2 1 工作原理 4 2 电容式传感器 4 2 1 1 变极距型 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 1 2 变面积型 4 2 1 3 变介电常数型 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 2 主要性能 以变极距型为例 4 2 2 1 静态灵敏度 单边 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 2 主要性能 以变极距型为例 4 2 2 1 静态灵敏度 差动 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 2 主要性能 以变极距型为例 4 2 2 2 非线性 单边 4 2 2 2 非线性 差动 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 2 主要性能 以变极距型为例 4 2 2 1 静态灵敏度 差动 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 3 转换电路 电桥 脉冲调宽 调频 运算放大器等4 2 3 1 电桥式电路 V U C2 C4 C1 C3 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 3 2 变压器电桥 V U C2 C1 单边变化 差动变化 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 3 3 差动脉冲调宽电路 V U C2 C1 Q Q A1 A2 R2 R1 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 3 4 调频电路 U C2 C1 C3 E 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 2 3 5 运算放大器电路 C2 C1 V U 应用条件 放大器放大倍数足够大放大器输入阻抗足够大 4 2 电容式传感器 第二章 现代传感技术基础 电路参数为电感 结构简单可靠 输出功率大 输出阻抗小 抗干扰能力强 对工作环境要求不高 分辨率较高 稳定性好等 缺点是频率响应低 不适宜快速动态测量 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感 在被测量转换成线圈自感或互感的变化时 一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象 这类传感器的主要特征是具有线圈绕组 4 3 1 工作原理 将被测量转换为自感或互感的变化 自感接入一定的转换电路 便可以转换成电信号输出 4 典型传感器的工作原理及应用 4 3 电感式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 3 1 1 自感式传感器 差动式 4 典型传感器的工作原理及应用 4 3 电感式传感器 气隙型差动传感器 截面型差动传感器 气隙厚度变化 气隙截面积变化 4 3 1 1 自感式传感器 N2a 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 3 电感式传感器 差动式 N1 N2b V Ub 磁芯 线圈 Ua 4 3 1 2 互感式传感器 差动变压器式 N1 N2 V U 磁芯 线圈 4 3 2 转换电路 反串电路 V U R2 R1 U V E1 E2 E2 E1 桥路 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 3 电感式传感器 4 3 3 零点残余电压及补偿由于两个电感线圈的等效参数不完全对称 在零点处有一个最小的输出电压 一般把这个电压称为零点残余电压 零点残余电压会使灵敏度下降 非线性误差增大 甚至放大器末级趋于饱和 为减小零点残余电压 在设计时应使上下磁路对称 在制造时使上下磁性材料特性一致 线圈排列均匀 每层的匝数相等 在电路上进行补偿 U V E1 E2 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 3 电感式传感器 U x 第二章 现代传感技术基础 压电式 电路参数为电荷或电压 4 4 1 基本概念正压电效应 当沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时 在一定表面产生电荷 当外力去掉后 又重新回到不带电状态 逆压电效应 当在电介质的极化方向施加电场 电介质在一定方向上产生机械变形或机械应力 当外加电场撤掉后 变形或应力随之消失 4 典型传感器的工作原理及应用 4 4 压电式传感器 F D E 第二章 现代传感技术基础 4 4 2 常用结构 双晶片串联结构 4 典型传感器的工作原理及应用 4 4 压电式传感器 F F F F F F F F 串联 并联 双晶片并联结构 4 4 3 等效电路 电荷等效电路 电荷放大器电压等效电路 电压放大器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 4 压电式传感器 第二章 现代传感技术基础 应变式 电路参数为电阻4 5 1 基本概念金属的电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形 其电阻值将发生变化 这种现象称为金属的电阻应变效应 在未受外力时 在受到拉力时 4 典型传感器的工作原理及应用 4 5 应变式传感器 L L r r F F 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 5 应变式传感器 L L r r F F 其中 为轴向应变 为泊松比 通常把单位应变引起的电阻值相对变化称作电阻丝的灵敏系数 其表达式为 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 5 应变式传感器 4 5 2 应变片的主要特性 1 灵敏系数 对金属应变片来说 由外力引起的电阻率的变化很小 可以忽略 即为常数 2 横向效应 在应变片受到单向拉伸或挤压时 横向连接段会发生反向应变 它降低了应变片的灵敏系数 这种现象称为应变片的横向效应 2mm 3mm 第二章 现代传感技术基础 磁电式 电路参数为电压或电流 4 典型传感器的工作原理及应用 4 6 磁电式传感器 N S U v i 4 6 1 线速度传感器线圈作直线运动 它所产生感应电动势 e WBlvsin 式中 B 磁场的磁感应强度 T l 单匝线圈有效长度 m v 线圈与磁场的相对运动速度 m s 线圈运动方向与磁场方向的夹角 当传感器结构一定 即W B和l均为常数 感应电动势与线圈运动速度v成正比 根据该原理可设计出各种线速度传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 6 磁电式传感器 N S 线圈作旋转运动 它所产生感应电动势 e KNBA 式中 K 与结构有关的系数 K 1 线圈与磁场相对的角速度 rad s A 单匝线圈的截面积 m2 此式表明 当N B A和K 传感器结构已定 均为常数时 感应电动势与角速度 成正比 4 6 2 角速度传感器 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 6 磁电式传感器 4 6 3 绝对速度计当被测物与外壳固接时 若被测物振动频率远远大于质量 弹簧系统的固有频率 被测物与质量块的相对速度近似于绝对速度 也就是线圈的输出电动势与被测物绝对速度成正比 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 6 磁电式传感器 4 6 4 相对速度计测量时 壳体固定在一个试件上 顶杆顶住另一试件 则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度 速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比 相对式速度计可测量的最低频率接近于零 第二章 现代传感技术基础 光电式 电路参数为电压或电流 光电传感器是通过把被测量的变化转换成光强度的变化 然后通过光电转换元件转换成电信号 光电传感器在一般有三部分构成 它们分为 发送器 接收器和检测电路 光电传感器具有非接触 高精度 高分辨率 高可靠性和反应快等优点 光电转换元件是基于某些物质的光电效应 所谓光电效应既是物体吸收能量后所产生的电效应 4 典型传感器的工作原理及应用 4 7 光电式传感器 第二章 现代传感技术基础 4 7 1 分类光电发射型 在光线作用下能使电子逸出物体表面 也称为外光电效应 如 真空光电管 光电倍增管 辐射计数管等 光导型 半导体材料在光线作用下电阻值变小 也称为内光电效应 如 光敏电阻等 光电导结型 与光导型相似 差别是光照射在半导体结上 如 光敏二极管 光敏三极管等 光电伏特型 这种半导体器件在光照射时产生一定方向的电动势 如硅光电池 硒光电池等 4 典型传感器的工作原理及应用 4 7 光电式传感器 4 7 2 光电检测系统 第二章 现代传感技术基础 4 典型传感器的工作原理及应用 4 7 光电式传感器 光源 被测对象及光信号形成 光学系统 光电接收转换 电信号调理 计算机系统 控制系统 显示 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 5 1 微型化的重要意义科学技术的发展向仪器仪表提出了更高 更新 更多的要求 如要求速度更快 灵敏度更高 稳定性更好 样品量更少 检测微损甚至无损 遥感遥控距离更远 使用更方便 成本更低廉 无污染等 近十年来 由于包括纳米技术的精密机械的研究成果 分子层次的现代化学研究成果 基因层次的生物学研究成果 新型传感器技术与智能化技术研究成果 以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新科技成果的竞相问世 使得仪器仪表领域发生了根本性的变革 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 5 1 微型化的重要意义微型卫星通常是指100公斤以下的小卫星 其中10公斤以下物为 纳型卫星 1公斤以下称为 皮型卫星 目前 对这些卫星的研究已经成为世界航天技术研究的热点 微全分析系统对生物检测及环境监测技术的发展具有重要意义 基于MEMS技术 腕表状微型化的微创血糖检测仪器 微型卫星 组成 传统的传感器 敏感元件 转换元件 转换电路 信号处理单元 输出信号接口等工艺 一般来说 敏感元件为MEMS工艺 转换元件为MEMS工艺或IC工艺 其它为IC工艺 敏感元件 转换元件 转换电路 信号处理 输出接口 传统传感器 新型集成传感器 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 5 2 微型传感器的组成及集成技术 5 3 MEMS技术简介 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 MEMS是英文MicroElectro Mechanicalsystems的缩写 即微电子机械系统 微电子机械系统 MEMS 技术是建立在微米 纳米技术 micro nanotechnology 基础上的21世纪前沿技术 是指对微米 纳米材料进行设计 加工 制造 测量和控制的技术 它可将机械构件 光学系统 驱动部件 电控系统集成为一个整体单元的微型系统 微传感器最热门的趋势之一是 systemonchip 片上系统 构想 也就是说要制成微系统 而不仅仅是微传感器 MEMS加工工艺 目前 国际上比较重视的微型机电系统的制造技术有 硅加工工艺 牺牲层硅工艺 超精加工工艺 体微切削加工 LIGA工艺等 新的微型机械加工方法还在不断涌现 这些方法包括多晶硅的熔炼和声激光刻蚀等 5 3 MEMS技术简介 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 5 4 典型传感器的工作原理及应用 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 转换电路 输出 应变片 应变片 加速度传感器 音叉式谐振器 1 物理转化机理由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正 得到一个线性度非常好的输出结果 从而消除了非线性传递对传感器应用的制约 2 数据融合理论数据融合技术是对多个传感器或多源信息进行综合处理 从而得到更为准确 可靠的结论 对于多个传感器组成的阵列 数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点 利用其互补性 冗余性 提高测量信息的精度和可靠性 延长系统的使用寿命 3 CMOS工艺兼容利用CMOS工艺兼容的集成湿度传感器将敏感电容和处理电路集成在一块硅片上 提高了可靠性并降低了成本 动态范围扩展技术有所进步 4 传感器的微型化主要基于以下发展趋势 尺寸上的缩微和性质上的增强性 各要素的集成化和用途上的多样化 功能上的系统化 智能化和结构上的复合性 第二章 现代传感技术基础 5 微型传感集成技术 5 5 集成智能传感器四大热点 第二章 现代传感技术基础 6 评价方法 1 基本参数指标 量程 灵敏度 精度 动态性能等 2 环境参数指标 温度 抗冲振 其它 3 可靠性指标 工作寿命 平均无故障时间 疲劳性能 绝缘电阻 耐压等 4 其它指标 供电方式 功率 电压范围与稳定度 外形尺寸 重量 壳体材质 结构特点 安装方式 馈线电缆等 第二章 现代传感技术基础 7 传感新技术的进展 1 新原理 物理 化学反应 生物效应等 高温超导磁性传感器 免疫传感器等2 新材料 光纤 高分子 陶瓷 光纤传感器 高分子湿度传感器 陶瓷电容传感器等3 微加工技术 硅加工 MEMS加工等 气敏 压敏 湿敏 应变 加速度等4 集成传感器 传感器与电路或元件 5 智能化传感器 传感器与计算机技术 第三章 模拟信号处理技术基础1 线性放大器的工作原理及典型应用2 振荡电路的工作原理及典型应用3 调制解调电路的工作原理及典型应用4 光电转换电路的工作原理及典型应用5 磁电转换电路的工作原理及典型应用6 压电转换电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 线性放大器的特点 集成了若干线性电路的单片放大器输入阻抗 无穷大开环放大倍数 无穷大 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 反相放大器 同相放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 差动放大器 反相求和放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 同相求和放大器 高阻输入反相放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 加速型高阻输入反相放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 同相交流放大器 比例微分器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 积分器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 电流电压转换器 快速积分器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 单电源供电放大器LM101 正电压产生电路 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 带偏置电流补偿的积分器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 电压比较器 光电管阈值检测器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 双端限位检测器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 多窗口指示器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 可调偏压反相放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 可调偏压同相放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 可调偏压电压跟随器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 可调偏压差动放大器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 双向电流源 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 双向电流源 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 带场效应管放大器的文氏桥振荡器 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 用于集成电路测试的低压电源 第三章 模拟信号处理技术基础 1 线性放大器的工作原理及典型应用 精密恒流源 波形产生与变换电路2 1 正弦波振荡电路2 2 非正弦波发生电路 2 振荡电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 正弦波发生电路能产生正弦波输出 它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的 它是各类波形发生器和信号源的核心电路 正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器 2 1 1 产生正弦波的条件2 1 2 RC正弦波振荡电路2 1 3 LC正弦波振荡电路 2 1 正弦波发生电路 波形产生与变换电路 第三章 模拟信号处理技术基础 2 1 1 产生正弦波的条件 一 正弦波发生电路的组成二 产生正弦波的条件三 起振条件和稳幅原理 一 正弦波发生电路的组成 为了产生正弦波 必须在放大电路里加入正反馈 因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分 但是 这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波 这是由于很难控制正反馈的量 如果正反馈量大 则增幅 输出幅度越来越大 最后由三极管的非线性限幅 这必然产生非线性失真 反之 如果正反馈量不足 则减幅 可能停振 为此振荡电路要有一个稳幅电路 为了获得单一频率的正弦波输出 应该有选频网络 选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一 选频网络由R C和L C等电抗性元件组成 正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名 正弦波发生电路的组成 放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路 一 正弦波发生电路的组成 二 产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似 只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端 产生了足够的附加相移 从而使负反馈变成了正反馈 在振荡电路中加的就是正反馈 振荡建立后只是一种频率的信号 无所谓附加相移 振荡条件幅度平衡条件相位平衡条件 AF A F 2n a 负反馈放大电路 b 正反馈振荡电路 振荡器的方框图 比较图 a 和 b 就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了 由于振荡电路的输入信号 所以 由于正 负号的改变 振荡器在刚刚起振时 为了克服电路中的损耗 需要正反馈强一些 即要求这称为起振条件 三 起振条件和稳幅原理 既然 起振后就要产生增幅振荡 需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加 这样电路必然产生失真 这就要靠选频网络的作用 选出失真波形的基波分量作为输出信号 以获得正弦波输出 也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节 用以调节放大电路的增益 从而达到稳幅的目的 2 1 2 RC正弦波振荡电路 一 RC网络的频率响应二 RC文氏桥振荡器 一 RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图所示 RC串联臂的阻抗用Z1表示 RC并联臂的阻抗用Z2表示 其频率响应如下 RC串并联网络 谐振频率为 f0 当R1 R2 C1 C2时 谐振角频率和谐振频率分别为 其频率响应如下 幅频特性 相频特性 当f f0时的反馈系数 且与频率f0的大小无关 此时的相角 F 0 即改变频率不会影响反馈系数和相角 在调节谐振频率的过程中 不会停振 也不会使输出幅度改变 一 RC网络的频率响应 RC串并联网络的频率特性曲线 二 RC文氏桥振荡电路 1 RC文氏桥振荡电路的构成RC文氏桥振荡电路如图所示 RC串并联网络是正反馈网络 另外还增加了R3和R4负反馈网络 C1 R1和C2 R2正反馈支路与R3 R4负反馈支路正好构成一个桥路 称为文氏桥 RC文氏桥振荡电路 当C1 C2 R1 R2时 为满足振荡的幅度条件 1 所以Af 3 加入R3 R4支路 构成串联电压负反馈 F 0 2 RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的 R4是正温度系数热敏电阻 当输出电压升高 R4上所加的电压升高 即温度升高 R4的阻值增加 负反馈增强 输出幅度下降 反之输出幅度增加 若热敏电阻是负温度系数 应放置在R3的位置 二 RC文氏桥振荡电路 a 稳幅电路 b 稳幅原理图反并联二极管的稳幅电路 电路的电压增益为 式中R p是电位器上半部的电阻值 R p是电位器下半部的电阻值 R 3 R3 RD RD是并联二极管的等效平均电阻值 当Vo大时 二极管支路的交流电流较大 RD较小 Avf较小 于是Vo下降 由图 b 可看出二极管工作在C D点所对应的等效电阻 小于工作在A B点所对应的等效电阻 所以输出幅度小 二极管工作在A B点 电路的增益较大 引起增幅过程 当输出幅度大到一定程度 增益下降 最后达到稳定幅度的目的 二 RC文氏桥振荡电路 2 1 3 LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似 包括有放大电路 正反馈网络 选频网络和稳幅电路 这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成 正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同 一 LC并联谐振电路的频率响应二 变压器反馈LC振荡器三 电感三点式LC振荡器 一 LC并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图a所示 显然输出电压是频率的函数 输入信号频率过高 电容的旁路作用加强 输出减小 反之频率太低 电感将短路输出 并联谐振曲线如图b所示 谐振时谐振频率 谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比 称为并联谐振电路的品质因数 考虑电感支路的损耗 用R表示 如图所示 有损耗的谐振电路 一 LC并联谐振电路的频率响应 对于下图的谐振曲线 Q值大的曲线较陡较窄 图中Q1 Q2 并联谐振电路的谐振阻抗 谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻 一 LC并联谐振电路的频率响应 二 变压器反馈LC振荡电路 变压器反馈LC振荡电路 LC并联谐振电路作为三极管的负载 反馈线圈L2与电感线圈 相耦合 将反馈信号送入三极管的输入回路 交换反馈线圈的两个线头 可使反馈极性发生变化 调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度 以使正反馈的幅度条件得以满足 有关同名端的极性 同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同 为 二 变压器反馈LC振荡电路 三 电感三点式LC振荡器 电感三点式LC振荡电路 电感线圈L1和L2是一个线圈 2点是中间抽头 如果设某个瞬间集电极电流减小 线圈上的瞬时极性如图所示 反馈到发射极的极性对地为正 图中三极管是共基极接法 所以使发射结的净输入减小 集电极电流减小 符合正反馈的相位条件 电感三点式LC振荡器 CB 电感三点式LC振荡器 CE 对于电路 满足正反馈的条件 为此 石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路 产生振荡 由于石英晶体的Q值很高 可达到几千以上 所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性 三 电感三点式LC振荡器 2 2非正弦波发生电路 2 2 1 比较器2 2 2 非正弦波发生电路 2 振荡电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 2 2 1 比较器 一 固定幅度比较器二 滞回比较器三 窗口比较器四 比较器的应用 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器 窗口比较器和具有滞回特性的比较器 这些比较器的阈值是固定的 有的只有一个阈值 有的具有两个阈值 一 固定幅度比较器 1 过零比较器和电压幅度比较器 过零电压比较器是典型的幅度比较电路 它的电路图和传输特性曲线如图所示 将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF上 就得到电压幅度比较器 它的电路图和传输特性曲线如图所示 一 固定幅度比较器 2 比较器的基本特点 工作在开环或正反馈状态 开关特性 因开环增益很大 比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态 非线性 因大幅度工作 输出和输入不成线性关系 一 固定幅度比较器 二 滞回比较器 从输出引一个电阻分压支路到同相输入端 电路如图所示 当输入电压vI从零逐渐增大 且 时 称为上限阈值 触发 电平 当输入电压时 此时触发电平变为 称为下限阈值 触发 电平 滞回比较器电路图 当逐渐减小 且以前 始终等于 因此出现如图所示的滞回特性曲线 回差电压 滞回比较电路的传输特性 二 滞回比较器 三 窗口比较器 窗口比较器的电路如图所示 电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成 设R1 R2 则 窗口比较器 当vI VH时 vO1为高电平 D3导通 vO2为低电平 D4截止 vO vO1 当vI VL时 vO2为高电平 D4导通 vO1为低电平 D3截止 vO vO2 当VH vI VL时 vO1为低电平 vO2为低电平 D3 D4截止 vO为低电平 窗口比较器的传输特性 信号的电位水平高于某规定值VH的情况 相当比较电路正饱和输出 信号的电位水平低于某规定值VL的情况 相当比较电路负饱和输出 该比较器有两个阈值 传输特性曲线呈窗口状 故称为窗口比较器 四 比较器的应用 比较器主要用来对输入波形进行整形 可以将不规则的输入波形整形为方波输出 其原理图如图所示 a 正弦波变换为矩形波 b 有干扰正弦波变换为方波用比较器实现波形变换 一 方波发生电路二 三角波发生电路三 锯齿波发生电路 2 2 2 非正弦波发生电路 2 振荡电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 一 方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的 电路如图所示 1 工作原理 电源刚接通时 设 电容C充电 升高 方波发生器 当时 所以电容C放电 下降 当 时 返回初态 方波周期 用过渡过程公式可以方便地求出 方波发生器波形图 一 方波发生电路 2 占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方波的占空比 应改变电容器C的充电和放电时间常数 占空比可调的矩形波电路见图 C充电时 充电电流经电位器的上半部 二极管D1 Rf C放电时 放电电流经Rf 二极管D2 电位器的下半部 占空比可调方波发生电路 一 方波发生电路 占空比为 方波发生器波形图 一 方波发生电路 二 三角波发生器 三角波发生器的电路如图所示 它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的 积分器的输出反馈给滞回比较器 作为滞回比较器的 1 当vO1 VZ时 则电容C充电 同时vO按线性逐渐下降 当使A1的VP略低于VN时 vO1从 VZ跳变为 VZ 三角波发生器 2 在vO1 VZ后 电容C开始放电 vO按线性上升 当使A1的VP略大于零时 vO1从 VZ跳变为 VZ 如此周而复始 产生振荡 vO的上升时间和下降时间相等 斜率绝对值也相等 故vO为三角波 三角波发生器的波形 二 三角波发生器 三 锯齿波发生器 锯齿波发生器的电路如图所示 显然 为了获得锯齿波 应改变积分器的充放电时间常数 图中的二极管D和R 将使充电时间常数减为 R R C 而放电时间常数仍为RC 锯齿波发生器电路图 锯齿波发生器的波形 锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得 锯齿波的幅值为 vo1m Vz vomR2 R1 vom Vz R1 R2 于是有 三 锯齿波发生器 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 低频正弦波振荡器 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 高频正弦波振荡器 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 多频振荡器 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 文氏桥正弦波振荡器 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 函数发生器 第三章 模拟信号处理技术基础 2 振荡电路的工作原理及典型应用 脉宽调制器 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 第三章 模拟信号处理技术基础 3 调制解调电路的工作原理及典型应用 4 光电转换电路的工作原理及典型应用 光源照射在光敏元件上 使光敏元件中产生载流子浓度的变化 使连接电路中电流或电阻率变化 将此变化变换为可远传的电流或电压 主要组成为 光源 光敏元件 电路 4 光电转换电路的工作原理及典型应用 4 光电转换电路的工作原理及典型应用 4 光电转换电路的工作原理及典型应用 4 光电转换电路的工作原理及典型应用