第09章-传感器信号的处理..ppt

第9章传感器信号的处理,第9章传感器信号的处理,9.1传感器信号的预处理,9.1传感器信号的预处理,9.1.1传感器输出信号的特点传感器输出信号具有以下特点：(1)传感器种类繁多，输出形式各式各样。有开关信号型、模拟信号型(有电压型、电流型和阻抗型等)和数字信号型等。(2)传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器输出电压仅有0.1mV。,9.1传感器信号的预处理,(3)传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰减。(4)传感器的动态范围很宽。(5)传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。(6)传感器的输出量会受温度的影响。,9.1传感器信号的预处理,9.1.2传感器信号的预处理方法常用的传感器信号的预处理方法有以下几种：(1)阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。(2)放大电路将传感器输出的微弱信号放大。(3)电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压值。,9.1传感器信号的预处理,(4)频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压值。(5)电桥电路把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或电压值。(6)电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷量转换为电压值。(7)交直流转换电路在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。,9.1传感器信号的预处理,(7)交直流转换电路在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。(8)滤波电路通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分。(9)非线性校正电路传感器的特性是非线性时，进行非线性校正。,9.1传感器信号的预处理,(10)对数压缩电路。当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩。,9.2传感器信号的放大电路,9.2传感器信号的放大电路,9.2.1高精度、低漂移运算放大器温度漂移系数是运算放大器的一个重要指标。通用型运算放大器的温度漂移系数一般在10300V/范围内，而低温度漂移运算放大器的温度漂移系数仅为1V/左右。,9.2传感器信号的放大电路,ADOP-07是最典型的低温度漂移运算放大器，其温度漂移系数为0.2V/。它还具有极低的失调电压(10V)、较高的共模输入电压(14V)和共模抑制比(126dB)，电源电压范围为(38)V。该运算放大器的一种接法如图9-1所示。,9.2传感器信号的放大电路,图9-1ADOP-07运算放大器接线图,9.2传感器信号的放大电路,9.2.2高输入阻抗运算放大电路及仪表放大器9.2.2.1CA3l40CA3140是一种高输入阻抗集成运算放大器，其输入阻抗达1012，开环增益和共模抑制比也较高，电源电压为15V。如图9-2所示为CA3140的一种接法。,9.2传感器信号的放大电路,图9-2CA3140运算放大器接线图,9.2传感器信号的放大电路,9.2.2.2仪表放大器仪表放大器也称测量放大器或数据放大器。在模拟放大电路中，常采用由3个运算放大器构成的对称式差动放大器来提高输入阻抗、共模抑制比、闭环增益和温度稳定性，如图9-3所示。放大器的差动输入端VIN+和VIN-分别是两个运算放大器的同相输入端，因此输入阻抗很高，而且电路的对称结构保证了抑制共模信号的能力。图9-3中电位器RP4用以调整放大倍数，二极管用来限幅。,9.2传感器信号的放大电路,图9-3仪表放大器,9.2传感器信号的放大电路,9.2.3隔离放大器和隔离放大系统隔离放大器有变压器耦合(磁耦合)型和光电耦合型两类。用于小信号放大的隔离放大器通常采用变压器耦合型，这种放大器内含有一个为调制器提供载波的振荡器，输入信号对载波进行幅度调制，然后通过变压器耦合到输出电路。在输出电路中，已被输入信号调制的载波又被解调，恢复为输入信号，并经运算放大器放大后输出。,9.2传感器信号的放大电路,MODEL284J是一种常用的变压器耦合型隔离放大器，其内部包含有输入放大器、调制器、变压器、解调器和振荡器等部分，它的接法如图9-4所示。,9.2传感器信号的放大电路,图9-4变压器耦合型隔离放大器MODEL284J接线图,9.2传感器信号的放大电路,9.2.4程控增益放大器程控增益放大器是解决宽范围模拟信号数据采集的简单而有效的方法，其原理如图9-5所示。它由运算放大器A和多路模拟开关S1Sn(可采用CD4051或AD7501，由CPU通过程序来控制某一路开关的接通)、电阻网络及控制电路组成。,9.2传感器信号的放大电路,各支路开关S1Sn的通断受输入二进制数d1，d2，dn的相应位控制，当dn=1时，开关Sn接通，当dn=0时，开关Sn断开。开关的通断状态不同，运算放大器输入端等效电阻的大小也不一样，使得运算放大器的闭环增益随输入二进制数变化。,9.2传感器信号的放大电路,图9-5程控增益放大器原理图,9.3信号的调制与解调,9.3信号的调制与解调,9.3.1信号调制的概念所谓调制，就是利用信号来控制高频振荡的过程，即人为地产生一个高频信号(它由频率、幅值和相位3个参数决定)，使这个高频信号的3个参数中的一个随着需要传输的信号变化而变化。这样，原来变化缓慢的信号，就被这个受控制的高频振荡信号所代替，进行放大和传输，以期得到最好的放大和传输效果。,9.3信号的调制与解调,所谓解调，就是从已被放大和传输的，且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。调制的过程有3种：(1)高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为调幅，以AM表示。(2)高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示。(3)高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。,9.3信号的调制与解调,9.3.2电桥调幅的原理由第2章可知，电桥的输出与输入关系通式为(9-1)式中u0输出电压；K接法系数，其中单臂桥接法，半桥接法，全桥接法；,9.3信号的调制与解调,R电桥输入；uI电桥的激励电压。当，时有(9-2),9.3信号的调制与解调,由上式可知，电桥输出电压u0的幅值随输入信号R(t)而变，或者说，u0的幅值受R(t)的控制。从信号调制角度说，电桥激励电压uI是调制过程的载波，电桥的输入R是调制过程的调制信号，电桥的输出u0是调制过程的调制波。因此，电桥就是一个调幅器，它的原理和输出、输入的关系如图9-6所示。,9.3信号的调制与解调,图9-6电桥调幅的原理和输出、输入的关系,9.3信号的调制与解调,如图9-6所示的调制波是载波随调制信号变化的结果。它的频率和载波相同，它的幅值随调制信号而变化，它的波峰的连线(称为包络线，图中未画出)的形状和调制信号的波形一致。包络线与调制信号的逼近程度表征了调制的精度。为了保证调制精度，一般需使载波的频率大于调制信号频率的10倍以上，常取20倍。,9.3信号的调制与解调,9.3.3电桥调幅波的解调电桥调幅波的解调，常用相敏检波器(或称相敏解调器)。常见的二极管相敏检波器的结构和输出、输入的关系如图9-7所示。它是一种能够辨别调制信号极性(相位)的解调器。,9.3信号的调制与解调,图9-7二极管相敏检波器的结构和输出、输入的关系,9.3信号的调制与解调,调幅波经过相敏检波后，既能反映出调制信号的幅值，又能反映出调制信号的极性，它由4个特性相同的二极管VD1、VD2、VD3、VD4沿同一方向串联成一个回路。4个端点分别接在变压器A和B的二次线圈上。变压器A的一次线圈中接入电桥调幅器输出的调幅波uO，变压器B的一次线圈中接入与电桥调幅器载波一样的参考电压uI，作为辨别电桥输出的调幅波相位(极性)的标准。Rf是解调器的负载电阻，解调器的输出电压从Rf上引出。,9.3信号的调制与解调,9.3.4应用举例Y6D-3型动态应变仪是利用电桥调幅和相敏解调的典型例子。它的调制过程各环节的输出波形如图9-8所示。,9.3信号的调制与解调,图9-8Y6D-3型动态应变仪调制过程各环节的波形,9.3信号的调制与解调,图9-8中的电桥由载波发生器供给高频等幅电压uI(3V，10kHz)，被测参数(力和应变等)通过电阻应变片转换成电阻变化值后，作为调制信号通过电桥对载波uI进行调制。调制波uO从电桥输出后，进入交流放大器进行放大，放大后的调制波由二极管相敏检波器进行解调，再通过低通滤波器将高频成分滤去而取得被测信号的模拟电压(电流)，最后，由光线示波器进行记录。,9.4滤波电路,9.4滤波电路,滤波器用以容许通过某一频率范围的电信号，而阻止或滤去此频率范围外的电信号。在检测中通常用来把测量信号中不同频率成分分离开来，保留有用信号，去除噪声，所以应用广泛。按通过的频率范围，滤波器可分为低通滤波(LPF)、高通滤波(HPF)、带通滤波(BPF)和带阻滤波(BEF)4大类，它们的特性如图9-9所示。,9.4滤波电路,图9-9中，j称为截止频率(rad/s)，它对应于幅频特性H(j)=0.707，j又称半功率点，即若把不同频率的电压加到该类滤波器上，经滤波后，=j的那种电压将被衰减为原信号电压幅值的倍，由于电功率与电压幅值的平方成正比，故功率被衰减为原信号功率的1/2倍。,9.4滤波电路,理想的滤波器，j是“通”与“阻”的分界线，j处应为一条竖直线，而实际滤波器，“通”与“阻”界线不分明。半功率点是一个定义性的界限，所谓截止，也不是真正截止，而是截止了功率的一半。,9.4滤波电路,(a)低通滤波器(b)高通滤波器(c)带通滤波器(d)带阻滤波器图9-9滤波器的特性,9.4滤波电路,0称为中心频率，它对应于H()的极值。对于带通滤波器为最大值；对于带阻滤波器为最小值。0的两旁，可以找到截止频率i和j，它们的差值称为带宽，在带宽范围内，就是需要通过或需要截止的频率成分。,9.5传感器信号的非线性校正,9.5传感器信号的非线性校正,在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电量时，大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并非线性关系。造成非线性的原因很多，主要有：(1)传感元件变换原理的非线性，如测温用铂电阻在0650范围内，等。,9.5传感器信号的非线性校正,(2)测量转换电路的非线性，如不平衡电桥单臂工作桥是非线性的等。(3)不少近似线性关系的转换电路均为相对于一定精度和范围而言，随着这些要求的提高，非线性问题也就不容忽视了。,9.5传感器信号的非线性校正,对于这些问题的解决不外乎3种办法：(1)缩小测量范围，取近似值。(2)采用非线性指示刻度。(3)加非线性校正环节。,9.5传感器信号的非线性校正,9.5.1校正曲线的求取如图9-10所示，特性是已知的变换器特性，求取xm对应的Am点后，作出直线，再作特性相对于直线的镜像，则得所需的校正特性。为了避免作图过程中特性进入第二或第四象限，作特性时应适当地选取x、y坐标的比例尺。校正环节的电压增益可以在求得校正曲线后考虑。,9.5传感器信号的非线性校正,图9-10校正曲线的求取,9.5传感器信号的非线性校正,9.5.2模拟量的非线性校正如图9-11所示为一种斜率提升的校正电路，它是由反相放大器构成的，当VD1、VD2均不导通时，闭环放大器是一个负反馈放大器，随着ui增大，输出电压uo反馈增大，VD1导通，电路将引入正反馈，其结果是使放大倍数提高。,9.5传感器信号的非线性校正,当VD2导通时，正反馈作用加强，放大倍数进一步提高。因而uoui特性是一条斜率提升曲线。在图9-11中，纵坐标表示输出电压绝对值大小。其余校正电路可参阅有关书籍。,9.5传感器信号的非线性校正,图9-11斜率提升校正电路,9.5传感器信号的非线性校正,9.5.3数字量的非线性校正用软件实现传感器特性线性化，一般需要进行两方面的工作：首先由于大部分仪表、传感器输出量是模拟量或频率量，故需要将它们变成数字量，也就是使特性数字化；其次是将特性数据表格存于内存，通过微处理器执行程序，对采样信息进行数据处理，实现特性数据的线性化。,9.5传感器信号的非线性校正,采用软件实现数据线性化，一般有3种方法：计算法、查表法和插值法。(1)计算法。当传感器的输入量与输出量之间有确定的数学表达式时，就可以采用计算法进行非线性补偿。计算法就是在软件中编制一段完成数学表达式的计算程序，当被测量经过采样、滤波和变换后，直接进入计算程序进行计算，计算后的数值为经过线性化处理的输出。,9.5传感器信号的非线性校正,(2)查表法。如果某些参数计算非常复杂，特别是计算公式涉及到指数、对数、三角函数和微分、积分等运算时，编制程序相当麻烦，用计算法计算不仅程序冗长，而且费时，此时可以采用查表法。,9.5传感器信号的非线性校正,(3)插值法。插值法就是用一段简单的曲线，近似代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似曲线公式，计算出输出量。使用不同的近似曲线，就形成不同的插值方法。在仪表及传感器线性化中常用的插值法有线性插值法(又称折线法)和二次插值法(又称抛物线法)。,9.6A/D转换器的选择,9.6A/D转换器的选择,9.6.1A/D转换器的性能指标A/D转换器是集成在一块芯片上，并能完成模拟信号向数字信号转换的单元电路。A/D转换的方法有多种，最常用的是直接型和间接型两类。,9.6A/D转换器的选择,直接型又称比较型，它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字信号输出。间接型又称积分型，它先将模拟信号电压转换成时间间隔或频率信号，然后再把时间间隔或频率转换成数字信号输出。在进行8位转换时，比较型转换器的转换时间为1030s，而积分型转换器的转换时间较慢，通常需要120ms。A/D转换器一般有以下性能指标：,9.6A/D转换器的选择,(1)分辨率。A/D转换器的分辨率D是指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可以决定使输出数码增加(或减少)1位所需要的输入信号的最小变化量。,9.6A/D转换器的选择,分辨率D可用A/D转换器数字信号输出端的位数表示，可写成或(9-3)式中nA/D转换器的位数。n越高，测量误差越小，转换精度越高，但成本也高。当A/D转换器的位数足够多时，上述两种表达式是等价的。,9.6A/D转换器的选择,(2)转换时间。设A/D转换器已处于准备就绪状态，从A/D转换的启动信号(Start)加入时起，到获得数字输出信号(与输入信号对应之值)为止所需的时间称为A/D转换器的转换时间。,9.6A/D转换器的选择,(3)转换频率。转换频率与转换时间成反比，但是对于A/D转换器的最大可能的转换频率，除了考虑转换时间外，还必须包括置零信号(Reset)，把转换器全部恢复到零的时间，上述两项时间之和的倒数才为转换器的最高工作频率。,9.6A/D转换器的选择,(4)精度。A/D转换器的精度定义为输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值，这一差值亦称绝对误差。当它用百分数表示时，称为相对精度或相对误差。,9.6A/D转换器的选择,9.6.2A/D转换器的选择在选择A/D转换器时，除需要满足用户的各种技术要求外，还必须注意如下几点：(1)数字输出的方式。(2)对启动信号的要求。(3)转换精度和转换时间。(4)稳定性及抗干扰能力等。,9.6A/D转换器的选择,选择A/D转换器时，需要考虑精度、分辨率、转换时间和价格等因素。比较型A/D转换器的转换速度快，但要实现高精度则价格比较高。积分型A/D转换器虽然转换时间较长，但价格低，精度高。,9.7抗干扰技术,9.7抗干扰技术,9.7.1干扰的来源根据产生干扰的物理原因，干扰有如下几种来源：(1)机械的干扰。(2)热的干扰。(3)光的干扰。,9.7抗干扰技术,(4)湿度变化的影响。(5)化学的干扰。(6)电和磁的干扰。(7)射线辐射的干扰。,9.7抗干扰技术,9.7.2抗电磁干扰技术抑制干扰的基本措施中消除干扰源是最有效、最彻底的方法。但实际上不少干扰源是不可消除的，所以需要研究抗电磁干扰技术。抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术，下面介绍几种常用的、行之有效的抗电磁干扰技术，如屏蔽技术、接地技术、浮置技术、平衡电路、滤波技术和光电耦合技术等。,9.7抗干扰技术,9.7.2.1屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰，此种方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。(1)静电屏蔽。(2)电磁屏蔽。(3)低频磁屏蔽。,9.7抗干扰技术,9.7.2.2接地技术导线接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保护地线”。,9.7抗干扰技术,如图9-12所示为电气设备接大地的示意图。对于组成仪器、通信和计算机等电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准单位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以是接大地的，也可以是与大地隔绝的，例如飞机、卫星上的地线。因此，通常将仪器设备中的公共参考端称为信号地线。,9.7抗干扰技术,图9-12电气设备接大地的示意图,9.7抗干扰技术,信号地线又可分为以下几种：(1)模拟信号地线。(2)数字信号地线。(3)信号源地线。(4)负载地线。,9.7抗干扰技术,9.7.2.3浮置技术浮置又称浮空、浮接，它指的是模拟输入信号放大器的公共线(即模拟信号地线)不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接联系。,9.7抗干扰技术,前面讲过，屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰电流流经导线，而是让干扰电流流经屏蔽层到大地。浮置与屏蔽接地相反，是阻断干扰电流的通路，检测系统被浮置后，明显地加大了系统信号放大器的公共线与大地(或外壳)之间的阻抗，因此浮置能大大减小共模干扰电