信号变换技术1-4节

1、主要内容主要内容第一节第一节 信号变换的基本形式信号变换的基本形式第二节第二节 常见信号间的转换常见信号间的转换第三节第三节 典型仪表的信号变换举例典型仪表的信号变换举例第四节第四节 新型变送器新型变送器第一第一节节 信号变换的基本形式信号变换的基本形式一、简单直接变换一、简单直接变换 信号变换是依靠信号变换是依靠转换元件转换元件和和转换电路转换电路来实现来实现转换元件：转换元件： 将敏感元件输出的非电物理量转换为电学量。将敏感元件输出的非电物理量转换为电学量。转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成便便于测量的电量于测量的电量

2、，或将非标准的电压、电流转换成统一的电流、，或将非标准的电压、电流转换成统一的电流、电压信号电压信号 结构形式结构形式被测量被测量电学量电学量电压电压电流电流只有转换电路的信号变换只有转换电路的信号变换被测量被测量电学量电学量中中间间量量电压电压电流电流检测元件检测元件简单直接变换，转换电路必不可少简单直接变换，转换电路必不可少既有转换元件又有转既有转换元件又有转换电路的信号变换换电路的信号变换转换元件的使用，增加了检测系统（仪表）设计的自由度，可以用同一种敏感元件，通过应用不同的转换元件，使检测仪表适应各种使用条件。 转换电路的信息能量传递转换电路的信息能量传递 有源检测元件与转换电路连接有

3、源检测元件与转换电路连接 iLLLRRERuuL 转换电路输出电压转换电路输出电压 E 有源检测元件的等效电势有源检测元件的等效电势 Ri 检测元件内阻检测元件内阻 RL 负载电负载电阻阻 LPPLpPLpLRRRRERREP200)(22)(iLLLRRREPPL 负载有效功率负载有效功率 Rp0 检测元件初始电阻值，Rp检测元件电阻变化量 要提高负载上获得的有功功率，转换电路的输入要提高负载上获得的有功功率，转换电路的输入电阻值应该是检测元件电阻的电阻值应该是检测元件电阻的1/3，或者通过，或者通过提高外加电源提高外加电源Ep，即通过合理选择，即通过合理选择Rp0和和Ep有源检测元件与转换

4、电路连接 即转换电路的输入阻抗我无穷大时，即转换电路的输入阻抗我无穷大时，可获得最高的电压灵敏度可获得最高的电压灵敏度无源检测元件与转换电路连接 简单直接变换式仪表的特点简单直接变换式仪表的特点 误差是各个环节相对误差之和，故该种计分表精度较低。误差是各个环节相对误差之和，故该种计分表精度较低。 当仪表的某个环有非线性，则整个仪表就存在非线性当仪表的某个环有非线性，则整个仪表就存在非线性 信息能量传输效率较低，转换电路与检测元件间需考虑信息能量传输效率较低，转换电路与检测元件间需考虑阻抗匹配。阻抗匹配。 具有结构简单、结果可靠，价格便宜的特点。具有结构简单、结果可靠，价格便宜的特点。是由敏感元

5、件、转换元件、转换电路和显示装置等部分串联而成的开环式仪表差动式变换差动式变换 结构形式结构形式用用两个两个性能完全性能完全 相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换两个性质相同，但沿反方向变化的物理量。并把它转换两个性质相同，但沿反方向变化的物理量。如：差动式变压器、差动式电容器注意：这种差动式变换可以有效地减小或消除作用于转换元件的干扰，使转换元件环节中存在的非线性得到改善，但不能降低作用于敏感元件的干扰的影响或敏感元件存在的非线性。三、参比式变换三、参比式变换 结构形式结构形式亦称补偿式变换，亦称补偿式变换，目的是消除环境目的是消除环境条件变

6、化对敏感元件的影响条件变化对敏感元件的影响，解，解决差动变换中存在的问题。决差动变换中存在的问题。图中的检测元件可以是一个敏感元件，也可以是一个敏感元件加转换元件，即采用两个性能完全相同的检测元件，一个检测元件感受被测量和环境条件量，另外一个检测元件只感受环境条件量。根据环境条件量对被测量的作用效果，通过转换电路把环境条件量的干扰信息除去，即相当于对环境条件进行了补偿，达到清除或减小环境干扰的影响。如：红外线气体分析仪，超声波液位检测系统的校正具四、平衡式变换四、平衡式变换 结构形式结构形式转换元件转换元件转换电路转换电路输入输入输出输出yxxi反馈元件反馈元件敏感元件敏感元件放大器放大器xf

7、C+-亦称反馈式变换，指信号变换环节为闭环式结构。亦称反馈式变换，指信号变换环节为闭环式结构。根据平衡时比较器的输入信号和反馈信号之间是否有差值，通过转换电根据平衡时比较器的输入信号和反馈信号之间是否有差值，通过转换电路和放大器后输出路和放大器后输出平衡式变换可分为平衡式变换可分为有差随动式变换有差随动式变换和和无差随动式变换无差随动式变换第二节第二节 常见信号的变换常见信号的变换当敏感元件的输出为位移量时，为了当敏感元件的输出为位移量时，为了远传和控制远传和控制，需利用转，需利用转换元件将位移转换为电信号。换元件将位移转换为电信号。1.霍尔元件霍尔元件在外磁场作用下，当有电流以垂直于外磁场方

8、向通过它在外磁场作用下，当有电流以垂直于外磁场方向通过它时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间将产时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间将产生霍尔电势，其大小与磁场强度和电流乘积成正比。生霍尔电势，其大小与磁场强度和电流乘积成正比。BIRUHHRH ：霍尔常数：霍尔常数, 一、位移与电信号的变换一、位移与电信号的变换 霍尔式压力计霍尔式压力计 - 被测压力为被测压力为0，霍尔元件位于两对磁极的霍尔元件位于两对磁极的中间，等效磁场强度为零，霍尔电势输中间，等效磁场强度为零，霍尔电势输出为出为0；- 被测压力升高，弹簧管产生位移被测压力升高，弹簧管产生位移,改变霍改变霍尔元件在磁场中的

9、位置尔元件在磁场中的位置，霍尔电势改变。，霍尔电势改变。-被测压力越大，输出被测压力越大，输出霍尔电势越大通过霍尔电势越大通过霍霍尔尔元件将位移信号轮换为电信号元件将位移信号轮换为电信号-敏感元件：弹簧管敏感元件：弹簧管-转换元件：霍尔元件转换元件：霍尔元件压力由弹簧管的固定端引入，自由端与霍尔元件相连，导线里接入恒流源2. 电容器电容器电容由两个极板组成，一个固定极板，另外一个为敏感元件，电容由两个极板组成，一个固定极板，另外一个为敏感元件，在被测量（如压力）作用下产生位移，则电容量就会发生在被测量（如压力）作用下产生位移，则电容量就会发生相应的变化，实现利用电容器对位移相应的变化，实现利用

10、电容器对位移-电容量的转换。电容量的转换。 CLCHPLPH（定极板）（动极板）- 实际应用时，为减小非线性和温实际应用时，为减小非线性和温度的影响，度的影响，电容器常采用差动结构电容器常采用差动结构；-当被测压力或压力差作用于膜片当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，并产生位移时， 所形成的两个电所形成的两个电容器的电容量，一个（容器的电容量，一个（CLCL）增大，）增大， 一个（一个（CHCH）减小。）减小。 该电容值的变该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。差相对应的电流或电压的变化。 CLCHPLPH（定极板）（动极板）

11、LHppp00CCCpLHAHALCCCCCCp1111110000000CCCCCCCCCCAAHAALHLHLACCCCCC0C0和CA分别是变形前和变形后的电容值，其比值与差压成正比，实现了差压电容的转换（中间变量为位移）3. 3. 差动变压器差动变压器 利用利用互感原理互感原理把位移转换成把位移转换成电信号的一种常用转换元件电信号的一种常用转换元件- - 原边由交流电供电；原边由交流电供电；- - 反向连接两个二次线圈取其反向连接两个二次线圈取其差动信号，在铁心位于中央位置差动信号，在铁心位于中央位置时，差动信号输出电压为零；时，差动信号输出电压为零； - - 当铁心因偏移中央位置时，

12、当铁心因偏移中央位置时，差动信号的输出与位移成正比的差动信号的输出与位移成正比的交流电压。交流电压。 变压器一次线圈和上下对称的两个二次线圈之间的互感变压器一次线圈和上下对称的两个二次线圈之间的互感应强度随铁心应强度随铁心 的位置而发生变化的位置而发生变化4. 其他转换元件或方法其他转换元件或方法 电感器电感器利用互感原理把位移转换成利用互感原理把位移转换成电感量电感量L的变化的变化202SNLN ：线圈匝数；：线圈匝数； 0：气隙磁导率气隙磁导率；S ：气隙横断面：气隙横断面；：气隙长度气隙长度 光学法（光学法（P135）先将位移量转换成光强的变化，再用光敏元件把光信号转换成先将位移量转换成

13、光强的变化，再用光敏元件把光信号转换成信号。信号。二、电阻与电压的变换二、电阻与电压的变换有有外加电源法外加电源法和和电桥转换电桥转换两种方法。两种方法。电阻体容易制造，可做的精度高，电阻量也容易转换成电压或电流量，技术成熟。外加电源法：外加电源法：和被测电阻一起构成回路，测电路中的电流或某一个电阻上的和被测电阻一起构成回路，测电路中的电流或某一个电阻上的压降。缺点：电路初始输出不为零，易受环境温度等因素影响，灵敏度不高。压降。缺点：电路初始输出不为零，易受环境温度等因素影响，灵敏度不高。电桥转换：电桥转换：可以通过调整电桥其他桥臂上的电阻值，使电桥达到平衡，可以通过调整电桥其他桥臂上的电阻值

14、，使电桥达到平衡，被测量为零时，输出为零。被测量为零时，输出为零。 利用电桥进行温度补偿利用电桥进行温度补偿 利用多个敏感元件利用多个敏感元件差动输出，提高输出量，提高电路灵敏度差动输出，提高输出量，提高电路灵敏度1. 不平衡电桥的电压灵敏度不平衡电桥的电压灵敏度433211RRRRRREUo当当RL时，电桥输出电压为时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有，则有 R1R4=R2R3或或 4321RRRR电桥平衡条件：电桥平衡条件： 欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。等，或相对两臂电阻的乘积应相等。

15、 电桥平衡条件电桥平衡条件电压灵敏度电压灵敏度:单位被测电阻变化时所获得的输出电压值。单位被测电阻变化时所获得的输出电压值。电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入入放大器放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为抗高很多，所以此时仍视电桥为开路开路情况。情况。若电阻变化为若电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为：，则电桥不平衡，输出电压为： 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1=R4/R3，由

16、于，由于R1R1，分母中，分母中R1/R1可忽略，可忽略， 并考虑到平衡条件并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式则上式可写为可写为 ERRnnUo112)1 (电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度定义为定义为 EnnRRUKoU211)1 ( 341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo灵敏度分析：灵敏度分析： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越供电电压越高，高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所

17、以要作适当选择；允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选的函数，恰当地选择桥臂比择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。EnnRRUKoU211)1 ( 2. 不平衡电桥的电流灵敏度不平衡电桥的电流灵敏度：单位被测电阻变化时所获：单位被测电阻变化时所获得的输出电流值。得的输出电流值。0THTHTHLTHTHoRRERREI不同电桥结构输出结果不同不同电桥结构输出结果不同3. 不平衡电桥的特性分析不平衡电桥的特性分析- - 敏感元件电阻的相对变化量敏感元件电阻的相对变化量与输出电压和电

18、流之间存在一定程度的非与输出电压和电流之间存在一定程度的非线性（双臂和四臂工作电压灵敏度除外）；线性（双臂和四臂工作电压灵敏度除外）；- 输出电压、电流与输出电压、电流与E E和和 成正比；成正比；- 电压工作方式不同，灵敏度大小也不相同；电压工作方式不同，灵敏度大小也不相同；- 输出电压与电阻相对变化量有关，输出电流与电阻本身和相对变化量都输出电压与电阻相对变化量有关，输出电流与电阻本身和相对变化量都有关系。有关系。4. 交流电桥交流电桥供给电桥工作的电源是交流电。电容、电感等阻抗的变换必供给电桥工作的电源是交流电。电容、电感等阻抗的变换必须用交流电桥。须用交流电桥。R1R4=R2R3纯电阻

19、电桥平衡条件纯电阻电桥平衡条件:一般阻抗电桥平衡条件一般阻抗电桥平衡条件:Z1Z4=Z2Z3Zi=Ri+jXi阻抗电桥平衡条件阻抗电桥平衡条件:实部：实部：R1R4- X1X4 =R2R3 -X2X3 虚部：虚部：R1X4+ R4X1 =R2X3 +R3X2三、电容与电压的变换三、电容与电压的变换利用敏感元件将被测量转换为电容，再利用转换电路将电容利用敏感元件将被测量转换为电容，再利用转换电路将电容转换转换为为电压电压.一一种是把电容作为种是把电容作为阻抗元件阻抗元件，按照电阻，按照电阻-电压转换的方式进行变换电压转换的方式进行变换；一一种是充分利用电容的种是充分利用电容的充放电特性充放电特性

20、进行变换。进行变换。单臂接法单臂接法平衡条件平衡条件C1C3=C2Cx0 Cx= Cx0 uCKCCCCCuCCuxo)(032121.桥式电路桥式电路C为检测元件的电容增量，当CCx0时，K可以视为常量，输出电压与电容增量成正比差动接法差动接法ECCECCCCuxxxxo01212差动桥式转换电路有较高的灵敏度和良好的线性特性，电容的测量精度较高。四、电压与电流的变换四、电压与电流的变换均采用集成放大电路实现均采用集成放大电路实现五、电流与电压的变换五、电流与电压的变换第三节第三节 典型仪表的信号变换举例典型仪表的信号变换举例一、差压变送器一、差压变送器 电容式差压变送器电容式差压变送器电容

21、式差压变送器电容式差压变送器 分为检测部分和信号变换部分，检测部分把被测差压转换成分为检测部分和信号变换部分，检测部分把被测差压转换成电容量，变换部分把该变化量转换成标准的电流信号。电容量，变换部分把该变化量转换成标准的电流信号。 PLPH. 力矩平衡式原理力矩平衡式原理基于力矩平衡式的变送器，其工作原理的核心就在于基于力矩平衡式的变送器，其工作原理的核心就在于如何如何将各种信号转换成等效的力矩将各种信号转换成等效的力矩，并测量出这些力矩，并测量出这些力矩达到相对平衡时所产生的微小位移，以备变送器进行放达到相对平衡时所产生的微小位移，以备变送器进行放大和后处理。大和后处理。- 力矩平衡式变送器

22、工作原理力矩平衡式变送器工作原理 DDZ-型差压变送器工作原理示意图型差压变送器工作原理示意图1膜片膜片 2主杠杆主杠杆3矢量机构矢量机构 4副杠杆副杠杆当被测压力通过高压室和低压室当被测压力通过高压室和低压室的比较生成压差后，该压差作用的比较生成压差后，该压差作用在具有一定有效面积的敏感元件在具有一定有效面积的敏感元件上，形成作用力上，形成作用力F。该作用力作。该作用力作用在主杠杆的下端，以密封膜片用在主杠杆的下端，以密封膜片为支点推动主杠杆按逆时针方向为支点推动主杠杆按逆时针方向偏转，其结果形成力偏转，其结果形成力F1推动矢量推动矢量机构沿水平方向移动。机构沿水平方向移动。第四节第四节 新型变送器新型变送器一、一、 微电子式变送器微电子式变送器1 扩散硅差压变送器扩散硅差压变送器 扩散硅差压变送器测量扩散硅差压变送器测量 元