第三章传感器检测及其接口技术(三)

1、第七节第七节 传感器信号的处理传感器信号的处理一、小信号放大一、小信号放大 通常采用运算放大器（operational amplifier）实现。 常用运放：LM324，LM358，OP07，76501 1、反相比例放大器、反相比例放大器 uoR2 - +uiRfR11fioRRuuAR2为平衡电阻，R2=R1/Rf 特点：输入阻抗较小，近似为R1，输出阻抗也较小。 理想输入/输出阻抗：输入阻抗大，输出阻抗小。 电压增益为：2、同相比例放大器、同相比例放大器 特点：输入阻抗较大，而输出阻抗较小。 电压增益为： uoR2ui - +RfR1 电压跟随器：u0=ui 即A=1 特点特点：具有极高的

2、输入阻抗和低的输出阻抗，常用作阻抗变换器。1fio1RRuuAR2为平衡电阻，R2=R1/Rf ui +uo同相比例放大器同相比例放大器电压跟随器电压跟随器3 3、差动（分）放大器、差动（分）放大器n当 R1=R2，Rf=R3 时R2 - +uoRfR1ui1ui2R3ifiifouRRuuRRu1121 差动放大器的技术指标之一： 共模抑制比表示差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示。 特点：特点：共模抑制比高，抗共模干扰能力强，但输入阻抗较低。通常用于双端输出的传感器，如应变片式称

3、重传感器。4、仪表（测量）放大器 右图为三个运放组成的测量放大器, 差动输入端U1和U 2分别是两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端, 因此输入阻抗很高。采用对称电路结构,而且被测信号直接加入到输入端上,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：测量放大器原理图P53)1 (21120WfffURRRRRUUUA多圈电位器RWn AD522运算放大器： AD522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。AD522具有低电压漂移(2V/)、低非线性(0.005，增益为100时)、高共模抑制比(110 dB, 增益为

4、1000时)、低噪声、低失调电压(当运放两输入为零时，输出具有一定数值，即失调电压Vos)等特点。 AD522的外围电路 AD522 的典型应用的典型应用P545、程控增益放大器、程控增益放大器 图示为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。例如当开关S1闭合, S2和S3断开时, 放大倍数为：R3R2R1S3S2S1UoRUiR 选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益变换。程控增益放大器原理图图RRAvf1 图示为AD521测量放大器与模拟开关4052（4选1两通道模拟开关）结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电

5、阻R的办法可实现增益控制。AD 5214052Uo7121310811123465UUD0D1R由AD521和模拟开关4052构成的程控增益放大器二、滤波二、滤波 在微机控制系统的模拟输入信号中，一般均含有各种噪声和干扰，他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。 噪声主要有两大类：一类为周期性的，其典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类信号，通过硬件滤波器可有效地消除其影响；另一类为非周期的不规则随机信号，对于随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。n1、滤波器的分类： 硬件（模拟）滤波 软件（数字）滤波n2、硬件滤波 根据选频作

6、用不同，可以分成四大类： （1）低通滤波器 （2）高通滤波器 （3）带通滤波器 （4）带阻滤波器 所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，因此它实际上是一个程序滤波。数字滤波器克服了模拟滤波器的许多不足，它与模拟滤波器相比有以下优点：P63 (1) 数字滤波器是用软件实现的，不需要增加硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好，成本低。 (2)数字滤波器可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。 (3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。3

7、3、数字滤波数字滤波 （1 1）程序判断滤波法）程序判断滤波法 P65P65 工程实践表明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化有一定的限度。程序判断滤波就是根据实践经验确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差X，若超出此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于此偏差值，可将信号作为本次采样值。 应用：当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。 分类：程序判断滤波根据滤波方法的不同，可分为限幅滤波和限速滤波两种。常用的数字滤波方法如下：常用的数字滤波方法如

8、下：1）限幅滤波 限幅滤波把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值X比较，若小于或等于X，则取本次采样值；若大于X，则取上次采样值作为本次采样值。即： 若 | Xk Xk-1 | X , 采样值=Xk-1。 应用：限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物理位置等测量系统。 门限值X的选取：具体应用时，关键的问题是最大允差X的选取，X太大，各种干扰信号将“乘虚而入”，使系统误差增大；X太小，又会使某些有用信号被“拒之门外”，使计算机采样效率变低。因此，门限值X的选取是非常重要的。通常可根据经验数据获得，必要时也可由实验得出。2）限速滤波 限速滤波最多

9、可用3次采样值来决定采样结果，设顺序采样时刻t1，t2，t3的采样值分别为X1，X2，X3，则 若 | X2 X1 | X, 采样值=X2； 若 | X2 X1 | X , X2不采用，再采样一次，得X3 ； 若 | X3 X2 | X, 采样值=X2 ； 若 | X3 X2 | X , 采样值=(X3 +X2)/2 。 限速滤波较为折中，既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。 具体应用时，可用(|X1-X2|+|X2-X3|)/2作为X。 (2)中值滤波法 P63 其原理是，对信号连续进行n次（ n一般取大于3的奇数）采样，并对采样值按由小到大或由大到小的顺序排序，然后取其中间的

10、那个采样值作为本次采样值。 应用：中值滤波方法对缓慢变化的信号（如对温度、液位信号等）中由于偶然因素引起的波动干扰具有良好的滤除效果。 缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。 (3)算术平均滤波法 应用：该方法对压力、流量等具有周期性脉动特点的信号具有良好的滤波效果。采样次数n越大，平滑度越高，滤波效果越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取n = 4、8、16。 该方法不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。 niiXnX101 算术平均滤波法是对信号连续进行n次采样，并以其算术平均值作为有效采样值，即 （4）防脉冲干扰平均值滤波法 P65 即“去两头取平均”方法，该滤波法先对N个数据进行比较

11、，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值。即： Y=（X2+X3+X4.+XN-1)/(N-2) N值的选取：314，在一般工程应用中，取N=5就可满足绝大多数系统的要求。 这种方法可消除由于偶然出现的脉冲干扰所引起的采样值偏差。 软件校正非线性（软件“线性化”处理）的方法很多，概括起来有计算法、查表法和插值法等。 1 1、计算法、计算法 计算法非线性校正的前提是：被测参数与传感器的输出之间有确定关系，可用数学表达式表示。 方法：编制一段完成数学表达式计算的程序，将经前期处理的被测参数值输入该程序，计算后的数值即为非线性校正值。 三、非线性补偿三、非线性补偿 P59

12、可以通过曲线拟合法来求出输入与输出之间的确定关系，即通过实验获得有限对测量数据（xi， yi）, 利用这些数据来求取近似函数 y= f (x)。式中x为输出量，y为被测物理量。 该法采用n次多项式来逼近非线性曲线，该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。 最小二乘法多项式曲线拟合的原理如下：niinnixaxaxaxaaxf02210.)( 对于x 和y 的一组测量数据( x0 , y0 ) , ( x1 , y1 ).( xm , ym) , 欲求一个n ( n m) 次多项式：式中：a0，a1，a2, .，an为待定常数，来反映x与y之间的函数关系, 并使得在给定的节点x0 , x1 .x

13、n 上, 由上式确定的似合值 f ( xi ) 与yi之间的均方差最小，即：最小值niininiiniiiiyxaxaxaayxf12221012).()(2、查表法、查表法 所谓查表法是将事先计算或通过测量获得的数据按顺序排列成表格形式存放在ROM中，由查表程序根据被测参数的值通过查表找出相应的结果。 查表程序设计的优劣及所用的检索时间的长短，除取决于表格本身的长短之外，还与表格的排列方法有关。 不足：占用内存较大，表格的编制较麻烦。3、插值法、插值法 插值法是将非线性曲线按一定要求分成若干段，然后用直线代替相应的各段曲线。 插值原理：如右图所示。 yy0y1yiyyi1ynx0 x1xix

14、xi1xnx分段插值原理四、量纲（标度）转换四、量纲（标度）转换n 1、定义： 控制系统中的各种被测参量（如温度、压力、流量等）的量纲和数值尽管各不相同，但它们经模拟输入通道采集后得到的都是数字信号（ 8位：00FFH，12位：000FFFH）。而实际应用中需要按被测参量的工程单位进行显示、打印、记录或报警，因此还必须把经过处理后的数字信号转换成带有不同工程单位的测量值。这项工作称为标度变换。 2 2、标度变换的软件实现、标度变换的软件实现 这种标度变换的前提是参数值与AD转换结果成线性关系，它的变换公式如下： 0000)()(NNNNAAAAmxmx式中：Ax 参数测量值； Am 参数量程上限； A0 参数量程下限； Nm Am对应的AD转换后的输入值； N0 A0对应的AD转换后的输入值； Nx 测量值Ax对应的AD转换值。 例：例：某烟厂用计算机采集烟叶发酵室的温度变化数据，该室温度测量范围是2080，所得模拟信号为15 V，采用铂热电阻(线性传感元件)测温。用8位AD转换器进行转换数字量。转换器输入05V时输出是00H0FFH。某时刻计算机采集到的数字量为0B7H，用计算机作工程量线性转换。 解解: 在温度为20时，检测所得模拟电压是1V，所以相应的数字量为 51512550N由给定条件得 A020，Am80，而且当 A020时，N051，当Am80时，Nm=