测试技术(第三章)1

1、工程测试技术郭世伟第三章第三章 常用传感器原理及信号调理方法（一）常用传感器原理及信号调理方法（一）一、传感器概述一、传感器概述 1、前言 传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。 在自动控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 传感器是测量变换器，它是测控系统的关键部件。现代信息技术的三大基础是：信息采集（传感器），通讯技术（含网络），计算机技术。它们分别构成信息技术系统的“感官”

2、、“神经”和“大脑”，如果“感官”除出了毛病，不能对被测信号进行准确可靠地捕捉和转换，再聪明的“大脑”也无能为力。 2、传感器的发展、传感器的发展 高性能、新型传感器的研制开发和应用，对科研、生产过高性能、新型传感器的研制开发和应用，对科研、生产过程的自动化、智能化，对人类认识研究改造自然事物的深度和程的自动化、智能化，对人类认识研究改造自然事物的深度和广度都具有重要的现实意义。广度都具有重要的现实意义。 当今，传感器技术的主要发展动向有两个方向：当今，传感器技术的主要发展动向有两个方向： （1）开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺）开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺 用物理

3、现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的的化学反应制成的能识别气体的“电子鼻电子鼻”；利用超导技术研；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。制成功的高温超导磁传感器等。 （2）实现传感器的集成化、智能化。随着集成电路制造技）实现传感器的集成化、智能化。随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成构成集成传感器集成传感器

4、。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器智能传感器”。它将具有。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。 3、工程测试中的传感器 本章主要从实际应用的角度介绍机械工程测量中常用的传感器。一般的传感器是

5、指把被测的非电量转化为与之对应的、易于处理的电参量。 这里的非电量一般有：力矩、应变、位移、速度、加速度、转速、温度、压力、流量、液位等。 电参量主要有：电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。 对于进行测控系统设计的用户来说，主要了解其工作原理，使用中的注意事项，关心其测量范围、测量精度等性能参数，测量电路、接口电路的设计等。 往往一种被测量可应用多种类型的传感器来检测，需要根据工作原理、实际测试等情况选用。 4、传感器的分类按传感器的应用用于哪种被测物理量的测量分类；按传感器的工作原理分；按传感器的构造原理分；按信号的转换效应分；按敏感元件的材料分；按能量观点分，能量转换型（无源型）、能量控

6、制型（有源型）；按输出信号类型分，等。 5、传感器的构成 传感器完成非电量的电量转换，这里的电量有电能量（如电压、电流、电场强度和电功率等）和电参量（如电阻、电容、电感、电频率和相位等）之分，后者在测试过程中还需进一步转换为电能量。 传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。 敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。完成非电量的电量转换，该变换称为一次变换（对应为“一次仪表”）。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。 一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，对转换成的电参量的

7、进一步“加工处理”称为二次变换，由测量电路（调理电路）实现（对应为“二次仪表”）。变换有微弱信号放大、滤波处理、调制解调等，它们把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。二、传感器常用的测量电路二、传感器常用的测量电路（一）放大器 对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的和集成电路。1、集成运算放大器 集成运算放大器是具有高放大倍数，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。 实际应用中有线性工作区和饱和（非线性）工作区。 “虚短” “虚断”3012()fiiRRKUK UURR当= 时

8、，“电压跟随器”为其特况2、测量放大器 在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时，可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。123456013,(12/)difRR RRRRUURR在时调节调节R3值可方便地调节电路的增益。值可方便地调节电路的增益。（二）电桥电路 电桥是一种可将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量精度高，广泛应用于测量装置中。1、直流电桥ye 四个电阻组成四个桥臂，a、c为输入端，b、d为输出端。 电桥后接大输入阻抗的放大器或仪表时，电桥输出端可认为是开路，其输出电压为：241301234()()yR RR

9、ReeRRRR13240yR RR Re在满足关系时，此时称为“电桥平衡” 把一个桥臂电阻换成为电阻传感器，当被测物理量的变化引起桥臂电阻的变化时，会引起输出电压的变化。变化前电桥平衡时，输出电压为零，变化后电桥失衡，输出电压的大小、正负与被测物理量的变化有确定的对应关系。此即不平衡式直流电桥的测量原理。 根据测量中电阻值参与变化的桥臂数，一般有如下三种连接方式。 在 时，称为等臂电桥。实际桥臂电阻的变化量 。 对于半桥单臂电桥，电阻传感器 发生阻值变化 时，输出电压为： 对于半桥双臂电桥，电阻传感器 发生等值（但反向）阻值变化 时，输出电压为： 对于全桥电路，四个电阻传感器发生等值阻值变化

10、时，输出电压为： 因为： 12340RRRRR0RR004yReeRR1R12RR、R002yReeRR00yReeR031240000()4yeRRRReRRRR 注意各电阻值的变化方向：相邻两桥臂阻值变化极性要相反，相对两桥臂阻值变化应相同。 利用这一电桥和差特性，可提高电桥的测量灵敏度和进行温度补偿。 上述电桥是在不平衡条件下工作的，为不平衡桥式电路。这种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境温度变化影响较大，有较大的测量误差。 为此可采用平衡电桥（见下图）：调节电位器H，改变电阻R5触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值的变化，电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。

11、读数时电表G始终指零，故又称为“零位测量法”。该方法的测量误差取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。 一般静态应变仪常采用该平衡电桥，有手动调平衡方式，自动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。 直流电桥的特点：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥只能测电阻参数的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和接地电位的影响。2、交流电桥 交流电桥以交流电压激励，四个桥臂可为电阻、电容和电感。用阻抗来描述，交流电桥的平衡关系式可表示为：4231zzzz4321044033022011,jjjjeZzeZzeZzeZz423104020301ZZZZ则有: 此即交流电桥平衡需满足的两个条件

12、。在电桥调平衡时需要调节几个参数。 利用交流电桥可把电容式、电感式等传感器的电参数变化转换成为电压的变化。 即使对于纯电阻交流电桥，因交流电源使导线之间存在分布电容，相当于并联于各桥臂，也不是纯电阻电桥，除了电阻平衡，还需要电容平衡。 在动态应变仪中的纯电阻交流电桥，桥臂并联有可调电容C2和可变电阻R3，分别实现电容平衡和电阻平衡。 交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形(频率单一性)和频率稳定性。一般用音频交流电源（510kHz） 采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电容、感应作用等等。 下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的

13、是差动式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。 与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。（三）调制与解调调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数幅值、频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。 缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号），经过调制的高频信号称为已调信号。 调幅信号，调频信号，调相信号 解调：是利用检波、滤波或其他技术从已调波中恢复出缓变信号的过程，相当于调制的反过程 。 采用调制解调技术的原因：1、可解决微弱缓变信号的放大问题，提高信号抗干扰能力，使信号放大和远距离传输；2、多路信号的单信道传输；3、在测试技术中某些传感器的工作原理就是调制的过程

14、，当然也需要解调才能得到被测信号；等。1、调幅及其解调（1）调幅实为缓变信号与高频信号的相乘运算，设缓变信号 的频谱为 ，取高频载波信号为 ，其频谱为tfty02cos)()(tx)( fX)(21)(212cos000fffftf)(21)(21)()(21)()(212cos)(00000ffXffXfffXfffXtftx载波频率f0应大于缓变信号的最大频率fm，一般应大于几倍甚至数十倍。调幅装置实为一乘法器（2）调幅波解调 同步解调 把已调制波与原载波信号再相乘，可得到原缓变信号和倍频信号的迭加，后者可再由一低通滤波器除去。需要良好的线性乘法器件实现 整流检波（又叫包络检波）利用二极管

15、的单向导电性从调幅波中分离出正电压信号，适于无极性变化的调制信号的解调。而对于有极性变化的调制信号，可采用直流偏置的方法。 过程：加直流信号偏置，整流，滤波，减去偏置信号。若所加的偏置信号不能使信号电压在零线一侧，简单地整流就不能恢复原信号。相敏检波为已调波为载波信号，为原测试信号，)()()(txtytxm设计要求)()(txtym大于载波信号与已调波进行相位比较。二极管环形相敏检波器 这种检波方法利用了二极管的单向导通作用将电路的输出极性换向。负载电阻Rf上的电压信号仍为高频信号，其包络线 就是原缓变信号，需要低通滤波才能恢复为原测量信号。 动态应变仪就是交流电桥调制和相敏检波的典型实例。

16、2、调频与鉴频 频率调制是用缓变信号控制高频信号的频率，输出的调制信号是频率随调制信号变化的疏密不等的等幅波，其频率偏移量（相对于中心频率）和调制信号电压成正比。 调频信号的频谱结构很复杂，但 信号抗干扰能力很强，便于信号的传输和数字处理。 频率调制的方法很多，现简单介绍直接调频测量电路。 在被测量小范围变化时，以电容、电感作为自激振荡器的谐波回路的一个调谐参数，则电路的谐振频率为12fLC002CCff 调频波的解调又叫鉴频，方法很多，现简单介绍谐振式鉴频器原理（又叫变压器耦合的谐振回路鉴频）。 如下图所示，鉴频电路原线圈输入调频信号 ，次级线圈输出为调幅波，其幅值受控于输入频率，再进行解调

17、即可。 常利用亚谐振区曲线的近似直线部分（线性关系）。fU02fdfdCC 设 时，频率为 ，电容值变化时，振荡频率值也会发生线性变化：0CC0f则000(1)2CffffC 左侧为频率电压线性变换部分；右侧部分为幅值检波部分输出的调幅信号的幅值随输输出的调幅信号的幅值随输入频率的变化而变化入频率的变化而变化,其频率其频率也总与输入信号频率相同，也总与输入信号频率相同，处于变化之中处于变化之中（四）滤波器 滤波器是一种选频装置，有“筛选频率”的作用对信号中的某些频率成分有极大的衰减，而对其它频率衰减小或有放大作用（称为“通过”）。在信号处理、测试技术中应用非常广泛。分类：模拟式滤波器 数字式滤波器按选频作用分：低通、高通、带通、带阻理想滤波器直角转折，没有过渡带，但是不能物理实现的。理想带通与实际带通滤波器的幅频特性 实际滤波器的频率特性不可能出现直角锐变，在阻带内的频率成分只能极大衰减，不可能完全截止。通带和阻带内的值也可存在一定的波动。 实际滤波器的技术指标：1、通带截止频率fp，波纹幅度d应远小于3dB