项目9传感检测系统及其应用

1、1 项目项目9 9 传感检测系统及其应用传感检测系统及其应用29.1 9.1 传感检测系统的组成传感检测系统的组成 检测与电测法检测与电测法 检测是人类认识世界和改造世界必不可少的重要手段。检测是人类认识世界和改造世界必不可少的重要手段。 “ “检测检测”既包括定量的测量，也包括定性的试验。既包括定量的测量，也包括定性的试验。 就被测对象而言，机电工业需要检测的量有电量和非电就被测对象而言，机电工业需要检测的量有电量和非电量两大类，非电量种类比电量的种类多得多。量两大类，非电量种类比电量的种类多得多。 电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的

2、方法相比，电测法的优越性有：相比，电测法的优越性有： (1)(1)便于采用电子技术，扩展仪器的测量幅值范围便于采用电子技术，扩展仪器的测量幅值范围( (量程量程) )。 (2) (2) 采用电测技术具有很宽的测量频率范围采用电测技术具有很宽的测量频率范围( (频带频带) )。 (3)(3)把非电量变成电信号后，可实现远距离的自动测量。把非电量变成电信号后，可实现远距离的自动测量。 (4)(4)把非电量转换为数字电信号，便于用计算机对测量数把非电量转换为数字电信号，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。据进行处理，实现测量的微机化和智能化。 3非电量电测法与检测技术非电量电测

3、法与检测技术 非电量电测法的两个基本问题：非电量电测法的两个基本问题： 1 1、怎样用传感器将非电量转换为电量；、怎样用传感器将非电量转换为电量； 2 2、怎样对电量进行测量。、怎样对电量进行测量。 因此，非电量电测法同传感器技术、电子测因此，非电量电测法同传感器技术、电子测量技术是紧密联系不可分割的。我们把传感器原量技术是紧密联系不可分割的。我们把传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与检测技术，简称感测技术。传感器与检测技术，简称感测技术。4传感器与敏感器传感器与敏感器 传感器：将非电量转换为与之有确定对应关系传感器：将非电量转换

4、为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的接口。系统之间的接口。 在非电量电测量中，传感器是必不可少的转换在非电量电测量中，传感器是必不可少的转换元件。元件。 敏感器：能把被测非电量转换为可用非电量的敏感器：能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置。器件或装置。 敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，换但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是像传感器那样把非电量转换成电量。而不是像传感器那样把非电量转换成电量。5非电量的电测方法

5、非电量的电测方法 非电量的电测方法就其转换关系而言可归纳为两大类：非电量的电测方法就其转换关系而言可归纳为两大类： 1 1、直接法：用传感器直接将被测非电量、直接法：用传感器直接将被测非电量x x转换为电量转换为电量y y。即即 y yf(x) f(x) 2 2、间接法：先用敏感器将被测量、间接法：先用敏感器将被测量x x转换为传感器的可用转换为传感器的可用非电量非电量z z，再用传感器将可用非电量，再用传感器将可用非电量z z转换为电量转换为电量y y。设传感器。设传感器的转换关系为的转换关系为 y y(z) (z) 敏感器的转换关系为敏感器的转换关系为 z z(x)(x) 由敏感器与传感器

6、组合成的非电量由敏感器与传感器组合成的非电量x x电测装置的转换关系电测装置的转换关系便为复合函数便为复合函数 y y(x)(x)f(x) f(x) 按照传感器定义，这种敏感器与传感器的组合装置仍可按照传感器定义，这种敏感器与传感器的组合装置仍可称为传感器，但却不是原来的非电量称为传感器，但却不是原来的非电量z z的传感器，而是被测量的传感器，而是被测量x x的传感器。的传感器。 61、传感检测系统的组成框图、传感检测系统的组成框图 72 2、传感检测系统各环节的功能、传感检测系统各环节的功能 传感器：传感器：为检测系统提供必须的原始信号。为检测系统提供必须的原始信号。 中间转换电路：中间转换

7、电路：将传感器的输出信号转换成易于测量或将传感器的输出信号转换成易于测量或处理的电压或电流信号。处理的电压或电流信号。 信息传输接口：信息传输接口：经经D DA A、A AD D转换，满足微机处理、控转换，满足微机处理、控制、显示和记录装置的要求，制、显示和记录装置的要求， 信息分析处理：信息分析处理：根据需要进行阻抗匹配、微分、积分、根据需要进行阻抗匹配、微分、积分、线性化及温度补偿等信号处理工作。线性化及温度补偿等信号处理工作。 控制显示记录：控制显示记录：控制执行机械的运行，了解掌握检测数控制执行机械的运行，了解掌握检测数值的大小或变化的过程。值的大小或变化的过程。 8自动化检测与控制系

8、统的对比自动化检测与控制系统的对比9普通电测仪表的组成普通电测仪表的组成 10被测被测对象对象 传感器传感器信号信号调理调理多路多路模拟模拟开关开关取样取样保持保持检测系统检测系统功率功率放大放大激励激励装置装置低通低通滤波滤波A/D显示显示RAMCPUROM键盘键盘计算机总线计算机总线D/A119.2.1 9.2.1 输出信号的特点输出信号的特点 (1) 由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。例如，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不同的电压。 (2) 热敏电阻随温度变化使电阻发生变化。 (3) 双金属温度传感器则随温度变化输出开关信号。 传感器的输出信号，一般比较微

9、弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1V。传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。传感器的输出信号动态范围很宽。传感器的输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性关系。传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。 9.2 9.2 传感器检测信号处理传感器检测信号处理 12 1输出信号处理的目的 提高测量系统的测量精度，提高测量系统的线性度，抑制噪声。由传感器的接口电路完成，处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。 2常用的信号处理电路 1) 阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减

10、，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。 半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。 场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上，可作阻抗匹配器、运算放大器阻抗匹配器。 9.2.2 9.2.2 输出信号处理方法和电路输出信号处理方法和电路13直流电桥工作原理直流电桥工作原理 R R1 1、R R2 2、R R3 3及及R R4 4组成电桥的四个臂，输入电源加在电桥的组成电桥的四个臂，输入电源加在电桥的CDCD端，输出信号取自电桥的端，输出信号取自电桥的ABAB端。当电桥的输出端与具有高端。当电桥的输出

11、端与具有高输入阻抗的装置相接时，电桥相当于工作在输出端开路状态，输入阻抗的装置相接时，电桥相当于工作在输出端开路状态，其输出电压为其输出电压为 当当R R2 2R R3 3R R1 1R R4 4时，输出时，输出电压电压U U0 0为零，称电桥的这种为零，称电桥的这种状态为平衡状态。状态为平衡状态。 2 2）电桥电路）电桥电路SERRRRRRRRU43213241014 采用交流电源供电的电桥称为交流电桥。在这种情况下采用交流电源供电的电桥称为交流电桥。在这种情况下桥臂所接的元件可以是电阻、电感或电容。如果交流电源是桥臂所接的元件可以是电阻、电感或电容。如果交流电源是频率为频率为f f的正弦交

12、流信号，则各桥臂的复阻抗参数设为的正弦交流信号，则各桥臂的复阻抗参数设为Z Zl l、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4，当电桥输出端开路时，其输出电压，当电桥输出端开路时，其输出电压U U0 0为为 当当Z Z1 1Z Z4 4一一Z Z2 2Z Z3 30 0时，电桥输时，电桥输出电压出电压U U0 00 0，这时电桥处于平，这时电桥处于平衡状态，其平衡条件为衡状态，其平衡条件为2 2交流电桥工作原理交流电桥工作原理SZZZZZZZZUU43213241032413241ZZZZ15电桥的测量方法电桥的测量方法 1 1、零测法：、零测法： 在零测法中，有一个电桥的桥臂电阻可以人为改变

13、。假在零测法中，有一个电桥的桥臂电阻可以人为改变。假设各桥臂电阻已调好，使电桥处于平衡状态，当桥臂的某一设各桥臂电阻已调好，使电桥处于平衡状态，当桥臂的某一个电阻值如个电阻值如R R1 1发生变化时，电桥失去平衡状态，而使检流计发生变化时，电桥失去平衡状态，而使检流计指针发生偏转。若指针发生偏转。若R R2 2是一个可调电阻，而使电桥重新回到平是一个可调电阻，而使电桥重新回到平衡状态，这时检流计也将回到零位。因此，由衡状态，这时检流计也将回到零位。因此，由R R2 2的变化量即的变化量即可得到可得到R R1 1的变化数值。的变化数值。 2 2、偏差测量法：、偏差测量法： 在偏差测量法中，电桥原

14、处于平衡状态，若在偏差测量法中，电桥原处于平衡状态，若R R1 1变化，则变化，则电桥失去平衡，输出端电压将不再为零，从而使检流计发生电桥失去平衡，输出端电压将不再为零，从而使检流计发生偏转而显示某一读数，这一读数反映了电阻偏转而显示某一读数，这一读数反映了电阻R R1 1的变化大小。的变化大小。16电桥的分类与应用电桥的分类与应用 1 1、电桥的分类、电桥的分类 按电源分类：按电源分类： 直流电桥、交流电桥。直流电桥、交流电桥。 按工作方式分类：平衡电桥、不平衡电桥。按工作方式分类：平衡电桥、不平衡电桥。 按接入方式分类：单臂电桥、差动电桥。按接入方式分类：单臂电桥、差动电桥。 172 2、

15、电桥的应用、电桥的应用 （1 1）平衡状态的应用）平衡状态的应用 平衡状态的应用基于零测法，由于电桥的平衡工作状态，平衡状态的应用基于零测法，由于电桥的平衡工作状态，使得电源电压使得电源电压UsUs波动及指示仪表的误差波动及指示仪表的误差( (除零位误差外除零位误差外) )等，等，均不影响测量结果，可以获得较高的测量精度。均不影响测量结果，可以获得较高的测量精度。 用零测法时，为避免分布参数的影响，电桥电源应采用用零测法时，为避免分布参数的影响，电桥电源应采用直流电源或频率较低的交流电源。为得到较高的准确度，直流电源或频率较低的交流电源。为得到较高的准确度，R Rl l、R R2 2、R R3

16、 3应选用高精度电阻，指零仪表应选用高灵敏度的电流表应选用高精度电阻，指零仪表应选用高灵敏度的电流表或检流计。或检流计。 零测法实质上是用标准电阻与被测电阻零测法实质上是用标准电阻与被测电阻RxRx相比较，用指相比较，用指零仪表指示被测量与标准量是否相等零仪表指示被测量与标准量是否相等( (平衡平衡) )，从而求得被测，从而求得被测量。因此这种方法又称为比较测量法。只要指零仪表的灵敏量。因此这种方法又称为比较测量法。只要指零仪表的灵敏度足够高，零位式测量法的测量准确度几乎等于标准量的准度足够高，零位式测量法的测量准确度几乎等于标准量的准确度，这是它的重要优点，常用在实验室作为精密测量的一确度，

17、这是它的重要优点，常用在实验室作为精密测量的一种方法。种方法。 18（2 2）不平衡状态的应用）不平衡状态的应用 电桥不平衡状态的应用基于偏差测量法，将阻抗参数值随电桥不平衡状态的应用基于偏差测量法，将阻抗参数值随被测非电量变化的阻抗式传感器接入电桥，初始状态即被测被测非电量变化的阻抗式传感器接入电桥，初始状态即被测非电量为非电量为0 0时，让电桥平衡即输出电压为时，让电桥平衡即输出电压为0 0，当被测非电量变，当被测非电量变化而不为化而不为0 0时，引起阻抗参数值变化，使电桥不平衡即输出电时，引起阻抗参数值变化，使电桥不平衡即输出电压不为压不为0 0。 被测非电量越大，电桥输出电压也越大。这

18、样就把被测被测非电量越大，电桥输出电压也越大。这样就把被测非电量变化转换成电桥电压的变化。只要测得电桥电压，就非电量变化转换成电桥电压的变化。只要测得电桥电压，就可求得非电量。可求得非电量。 采用这种不平衡的工作状态，既可测量静态值又可测量动采用这种不平衡的工作状态，既可测量静态值又可测量动态值，其测量精度受检流计的精度及电源稳定性的影响，但态值，其测量精度受检流计的精度及电源稳定性的影响，但能满足一般实际测量的要求。能满足一般实际测量的要求。191 1电桥的灵敏度电桥的灵敏度 电压的相对变化量与电阻的相对变化量之比，即电压的相对变化量与电阻的相对变化量之比，即2 2电桥的非线性误差电桥的非线

19、性误差 线性化的输出电压线性化的输出电压UosUos与电桥实际输出电压与电桥实际输出电压U U0 0之差的之差的比值，即比值，即电桥的工作特性指标电桥的工作特性指标 RRUUKUS/000UUUOSf20电桥调零电桥调零 电桥调零通常采用串联调零和并联调零两种方法。电桥调零通常采用串联调零和并联调零两种方法。 图图a a为串联调零电路，微调电位器为串联调零电路，微调电位器RwRw串联在桥路中，这种串联在桥路中，这种方式多用在桥臂参数及值较大的场合，调零电位器的阻值方式多用在桥臂参数及值较大的场合，调零电位器的阻值 RwRwR R。 图图b b为并联调零电路，微调电位器为并联调零电路，微调电位器

20、RwRw并联在电桥输出端，并联在电桥输出端，这种方式多用在桥臂参数这种方式多用在桥臂参数R R值较小的场合，并要求值较小的场合，并要求RwRwR R。 21调制与解调调制与解调 直流放大电路存在的特殊问题直流放大电路存在的特殊问题零点漂移零点漂移 在生产和科学实验中所需测量的电信号多为微弱的、变化在生产和科学实验中所需测量的电信号多为微弱的、变化缓慢的非周期信号，需要进行放大和某些处理后才能送到显示缓慢的非周期信号，需要进行放大和某些处理后才能送到显示仪及计算机等。对于微弱的、变化缓慢的、类似于直流的信号，仪及计算机等。对于微弱的、变化缓慢的、类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大，会

21、出现零点漂移现象，零点若采用一般直流放大器进行放大，会出现零点漂移现象，零点漂移将影响测量的精度。漂移将影响测量的精度。 零点漂移零点漂移：随着时间的推移，随着时间的推移，u u0 0偏离起始值偏离起始值U U0 0而作缓慢的而作缓慢的不规则的变化，这种现象称为不规则的变化，这种现象称为“零点漂移零点漂移”，简称，简称“零漂零漂”或或“温漂温漂”。22产生零点漂移的原因产生零点漂移的原因 产生零点漂移的主要原因是直流放大器中的晶体管参数产生零点漂移的主要原因是直流放大器中的晶体管参数随温度变化而变化。随温度变化而变化。 由于由于PNPN结温与工作电流、环境温度、散热情况有关，是结温与工作电流、

22、环境温度、散热情况有关，是不规则的，因而不规则的，因而u uo o的变化也是缓慢而不规则的了，这就是零的变化也是缓慢而不规则的了，这就是零点漂移产生的主要原因。点漂移产生的主要原因。 阻容耦合放大电路级间有耦合电容隔直，第一级的零漂阻容耦合放大电路级间有耦合电容隔直，第一级的零漂( (一般很小一般很小) )不能加到第二级放大，因而输出端的零漂很小，不能加到第二级放大，因而输出端的零漂很小，可以不考虑。直接耦合放大电路第一级零漂可直接加至第二可以不考虑。直接耦合放大电路第一级零漂可直接加至第二级放大，因而级数愈多、放大倍数愈高、输出端的零漂就愈级放大，因而级数愈多、放大倍数愈高、输出端的零漂就愈

23、大。在加入信号以后，如果无法区分哪个是信号输出，哪个大。在加入信号以后，如果无法区分哪个是信号输出，哪个是零漂时，放大电路就不能正常工作了。因此克服零漂，提是零漂时，放大电路就不能正常工作了。因此克服零漂，提高电压放大倍数是直流放大器的主要研究内容。高电压放大倍数是直流放大器的主要研究内容。23克服零点漂移的方法克服零点漂移的方法 1. 1.补偿法补偿法 利用元件的温度特性补偿三极管参数随温度的变化，使利用元件的温度特性补偿三极管参数随温度的变化，使三极管静态工作电流三极管静态工作电流IcIc稳定。最常用的方法是利用特性完全稳定。最常用的方法是利用特性完全相同的两只三极管组成对称电路相互补偿，

24、即所谓的差动放相同的两只三极管组成对称电路相互补偿，即所谓的差动放大电路。大电路。 2 2采用调制式直流放大器采用调制式直流放大器 即先将直流信号调制成幅度随直流信号变化的交流信号，即先将直流信号调制成幅度随直流信号变化的交流信号，然后进行交流放大然后进行交流放大( (零漂可以忽略零漂可以忽略) )，最后再经解调检出放大，最后再经解调检出放大了的直流信号。这种模式，电路复杂，成本较高，但在第四了的直流信号。这种模式，电路复杂，成本较高，但在第四代运放中常有应用。代运放中常有应用。24调制式直流放大器的工作流程调制式直流放大器的工作流程25调调 制制 将直流信号变换成交流信号的过程，称为调制。将

25、直流信号变换成交流信号的过程，称为调制。 在在T T时间内，输出电压是具有正负值的矩形交流电压，如果时间内，输出电压是具有正负值的矩形交流电压，如果开关开关S S按照一定时间规律断开和闭合，则会输出连续的矩形交流按照一定时间规律断开和闭合，则会输出连续的矩形交流电压信号电压信号u u0 0，其波形如图所示。经调制的输出电压频率是开关，其波形如图所示。经调制的输出电压频率是开关S S每秒钟开断次数，实现调制的必备条件是开关元件和控制开关的每秒钟开断次数，实现调制的必备条件是开关元件和控制开关的信号。信号。 26常用的晶体管调制器常用的晶体管调制器 27解解 调调 直流信号被调制成交流信号后，若再

26、将该交流信号还原直流信号被调制成交流信号后，若再将该交流信号还原成直流信号，称为解调。成直流信号，称为解调。 u ui i为矩形交流输入信号。其负载两端电压为直流电压为矩形交流输入信号。其负载两端电压为直流电压信号信号U Uo o，其波形如图，其波形如图b b所示。所示。28滤滤 波波 器器 滤波器：滤波器：一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的装置。其滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤信号通过的装置。其滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波。波。无源、有源滤波器性能比较无源、有源滤波器性能比较 无源滤波器电路简单，带负载能力差。用于检

27、测系统对滤无源滤波器电路简单，带负载能力差。用于检测系统对滤波要求不太高的场所。波要求不太高的场所。 有源滤波器与无源滤波器相比，具有如下优点：有源滤波器与无源滤波器相比，具有如下优点： 1)1)不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性度等方不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性度等方面具有明显的优越性，便于集成化。面具有明显的优越性，便于集成化。 2)2)由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。好的隔离性能，并可提供所需增益。 3)3)可以使低频截止频率达到很低范围。可以使低频截止频率达到很低范围。

28、291 1一阶一阶RCRC低通滤波器的频率特性低通滤波器的频率特性 输出电压与输入电压的比值称为电路的频率特性。输出电压与输入电压的比值称为电路的频率特性。其中，其中，T()T()随随变化的特性称为变化的特性称为幅频特性幅频特性：()()随随变化的特性称为变化的特性称为相频特性相频特性： 无源滤波器无源滤波器 TRCjiojTUU11 RCarctg 211RCUUTio30 一阶高通滤波器的频率特性为：一阶高通滤波器的频率特性为：其中：其中：幅频特性幅频特性： 相频特性相频特性： 2 2一阶高通滤波器的频率特性一阶高通滤波器的频率特性 21RCRCUUTio RCarctg2 TRCjRCj

29、iojTUU1313 3带通滤波器带通滤波器 带通滤波器用于通过某一频段的信号，而将此频段以外的信带通滤波器用于通过某一频段的信号，而将此频段以外的信号加以抑制或衰减。其频率特性为：号加以抑制或衰减。其频率特性为： TCLjRRjT1 221CLRRT RCLarctg132有源滤波器有源滤波器 1 1一阶低通滤波器的频率特性一阶低通滤波器的频率特性 TRCjRRiojTUU111 2111RCRRT RCarctg332 2二阶低通滤波器二阶低通滤波器 固有角频率固有角频率 ： 等效品质因数：等效品质因数： 2311RCjRCjRRRRRiojTffFfFUU 202220311ffFfFR

30、RRRRTRC10ffFRRRQ31343 3一阶高通滤波器一阶高通滤波器 频率特性频率特性 ： 幅频特性：幅频特性： 11CRjRCjUUjTio 211CRRCT35滤波器的频率特性滤波器的频率特性( (设设R R1 1=R=R2 2=R=R，C Cl l=C=C2 2=C)=C)固有角频率固有角频率等效品质因数等效品质因数 4 4二阶高通滤波器二阶高通滤波器2231RCjCRjRRRRCjRRRUUjTffFffFio?RC10ffFRRRQ31 36带通滤波器的频率特性：带通滤波器的频率特性： 通频带宽度通频带宽度B为两个通频带的为两个通频带的截止频率之差：截止频率之差：带通滤波器品质

31、因数带通滤波器品质因数Q： 5 5带通滤波器带通滤波器 231RCjCRjRRRRRRRCjjTffFffF?0123fRRRffBffFPPffFRRRBfQ31037带阻滤波器的频率特性：带阻滤波器的频率特性： 通频带宽度通频带宽度B：带阻滤波器品质因数带阻滤波器品质因数Q： 6 6带阻滤波器带阻滤波器2200221ffffRRRjRRRjTffFffF?ffFPPRRRfffB22012ffFRRRBfQ221038数字滤波的常用方法数字滤波的常用方法 用电阻和电容等元件组成的滤波器能对混进正常信号中用电阻和电容等元件组成的滤波器能对混进正常信号中的干扰信号进行抑制或削弱。同样，在微机系

32、统中，用数字的干扰信号进行抑制或削弱。同样，在微机系统中，用数字滤波器可滤除干扰信号。数字滤波能够用数学计算的方法增滤波器可滤除干扰信号。数字滤波能够用数学计算的方法增强信号、降低干扰、提取有用信息。它与强信号、降低干扰、提取有用信息。它与RCRC滤波相比有许多滤波相比有许多独特的优点：如由于数字滤波利用程序来实现，因而不需要独特的优点：如由于数字滤波利用程序来实现，因而不需要增加硬件，而且可靠性高、稳定性好、灵活方便。增加硬件，而且可靠性高、稳定性好、灵活方便。 几种常用的数字滤波方法：几种常用的数字滤波方法： 1 1限定最大偏差法限定最大偏差法 2 2算术平均值法算术平均值法 3 3加权平

33、均滤波法加权平均滤波法39数模数模(D(DA)A)和模数和模数(A(AD)D)转换转换 检测技术中，传感器的输出信号常为连续变检测技术中，传感器的输出信号常为连续变化的模拟量，若要满足数字仪表和数字控制系统化的模拟量，若要满足数字仪表和数字控制系统中传送、运算、处理和显示等需要，应将模拟量中传送、运算、处理和显示等需要，应将模拟量变为数字量，或再将数字量变为模拟量。变为数字量，或再将数字量变为模拟量。 模数模数(A(AD)D)转换转换：将模拟量变为数字量。：将模拟量变为数字量。 数模数模(D(DA)A)转换转换：将数字量变为模拟量。：将数字量变为模拟量。 40数模转换原理数模转换原理41D D

34、A A转换的等效电路转换的等效电路 42数模转换器的技术指标数模转换器的技术指标 1 1数模转换器的分辨率数模转换器的分辨率 指最小输出电压与最大输出电压之比。指最小输出电压与最大输出电压之比。 2 2数模转换器的精度数模转换器的精度 指输出模拟电压的实际值与理想值之差。这种误差由参指输出模拟电压的实际值与理想值之差。这种误差由参考电压的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以考电压的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等因素引起。及电阻阻值的偏差等因素引起。 3 3数模转换器的线性度数模转换器的线性度 非线性误差的大小。非线性误差的大小。 4 4输出信号的建立时间

35、输出信号的建立时间 这一时间包括两部分：距运算放大器最远的那一位输入这一时间包括两部分：距运算放大器最远的那一位输入信号的传输时间；运算放大器到达稳定状态所需的时间。信号的传输时间；运算放大器到达稳定状态所需的时间。 此外还有电源抑制比、功率消耗、温度系数等技术指标，此外还有电源抑制比、功率消耗、温度系数等技术指标，可查阅有关资料。可查阅有关资料。43 模数转换原理模数转换原理 44模数转换逐次逼近法的转换原理模数转换逐次逼近法的转换原理 模拟电压模拟电压UiUi输入时，首先将数码寄存器清零，然后输入输入时，首先将数码寄存器清零，然后输入时钟脉冲时钟脉冲C C来控制顺序脉冲发生器的输出顺序脉冲

36、来控制顺序脉冲发生器的输出顺序脉冲C C0 0C C3 3，进，进而控制逐次逼近寄存器的输出。而控制逐次逼近寄存器的输出。 数模转换器的输入是逐次逼近寄存器的四位输出数码，数模转换器的输入是逐次逼近寄存器的四位输出数码，输出是模拟量输出是模拟量UoUo，将其送到电压比较器的反相输入端。，将其送到电压比较器的反相输入端。 电压比较器的输出接到触发器电压比较器的输出接到触发器F F0 0F F3 3的的J J端，并与反相器端，并与反相器相接，反相器的输出端又接到触发器相接，反相器的输出端又接到触发器F F0 0F F3 3的的K K端。端。 数码寄存器的输入量来自逐步逼近寄存器的输出数码，数码寄存

37、器的输入量来自逐步逼近寄存器的输出数码，其其C C端与顺序脉冲发生器的端与顺序脉冲发生器的C C3 3端相连，当转换结束后，端相连，当转换结束后，C C3 3的时的时钟脉冲信号将反映钟脉冲信号将反映模拟模拟电压电压UiUi的逐次逼近寄存器输出的逐次逼近寄存器输出数码数码存存到数码寄存器，以供提取。到数码寄存器，以供提取。 模数转换器的位数越多，分辨率越高，误差越小。模数转换器的位数越多，分辨率越高，误差越小。45模数转换器的技术指标模数转换器的技术指标 1. 1.分辨率分辨率 分辨率以输出二进制数的位数表示。位数越多，分辨率分辨率以输出二进制数的位数表示。位数越多，分辨率越高，一般转换精度也越

38、高。越高，一般转换精度也越高。 2 2相对精度相对精度 相对精度为转换器实际转换值和理想特性之间的最大偏相对精度为转换器实际转换值和理想特性之间的最大偏差，除以输入转换值，以相对值表示。差，除以输入转换值，以相对值表示。 3 3转换速度转换速度 转换速度用完成一次转换所需要的时间来衡量。转换时转换速度用完成一次转换所需要的时间来衡量。转换时间是指从接到转换信号开始，到输出端得到稳定的数字输出间是指从接到转换信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号为止所需要的时间，转换电路不同，转换速度也不同。信号为止所需要的时间，转换电路不同，转换速度也不同。多数多数A AD D转换器的转换时间在转换器的转换

39、时间在(10(1050)s50)s之间。之间。 此外还有电源抑制、功率消耗、温度系数、输入模拟电此外还有电源抑制、功率消耗、温度系数、输入模拟电压范围及输出数字信号的逻辑电平等技术指标。压范围及输出数字信号的逻辑电平等技术指标。46传感器与模数传感器与模数(A(AD)D)转换器的连接通道转换器的连接通道 电信号电信号 信号调理信号调理 信号选择信号选择 数字化检测处理数字化检测处理 作用：用分时法切换，作用：用分时法切换，使多个信号共用一个模使多个信号共用一个模数转换器数转换器 。47 放大与滤波环节放大与滤波环节 放大输出差放大输出差模信号，抑模信号，抑制共模干扰制共模干扰信号信号 。 集成

40、运算放大器特点：集成运算放大器特点：1、输入阻抗高、输入阻抗高2、输出阻抗低、输出阻抗低3、共模抑制比强、共模抑制比强4、可增益调节、可增益调节5、无零点漂移、无零点漂移 6、能快速采样、能快速采样 放大器参数选择：放大器参数选择：1、A1A2尽量对称尽量对称2、A3尽量失调小尽量失调小3、使、使Rf=R 4、Rg按增益选择按增益选择 48 多路模拟开关环节多路模拟开关环节 49 采样保持环节采样保持环节 50 模数转换环节模数转换环节 51传感检测信号的细分与辨向原理传感检测信号的细分与辨向原理 细分细分 为提高检测系统的分辨力，需要对传感检测信为提高检测系统的分辨力，需要对传感检测信号进行

41、细分。号进行细分。 几何量测量中采用机械式细分几何量测量中采用机械式细分( (如游标卡尺等如游标卡尺等) )、光学式细分和电子式细分等方法。光学式细分和电子式细分等方法。 辨向辨向 在光栅位移传感器检测系统中，如果不加以方在光栅位移传感器检测系统中，如果不加以方向的区别而累计脉冲个数，就不会测得实际的位移向的区别而累计脉冲个数，就不会测得实际的位移量。为此，必须辨别移动的方向，并根据不同的移量。为此，必须辨别移动的方向，并根据不同的移动方向，计数器进行加或减运算。动方向，计数器进行加或减运算。52 四倍细分原理四倍细分原理 53辨向原理辨向原理 54传感检测系统中的抗干扰问题传感检测系统中的抗

42、干扰问题 干扰的来源干扰的来源 来源来源：1 1、系统内部的干扰。、系统内部的干扰。2 2、系统外部的干扰。、系统外部的干扰。 内部干扰因素内部干扰因素： 1 1、信号通过公共电源、地线和传输线阻抗相互耦合形成、信号通过公共电源、地线和传输线阻抗相互耦合形成干扰；干扰；2 2、元件之间、导线之间通过寄生电容或互感耦合造成干、元件之间、导线之间通过寄生电容或互感耦合造成干扰；扰；3 3、大功率和高压元件产生的电场；、大功率和高压元件产生的电场；4 4、电子开关元件的电压、电子开关元件的电压或电流急剧变化而产生的干扰；或电流急剧变化而产生的干扰；5 5、工作电源，交叉走线等相互、工作电源，交叉走线

43、等相互间形成干扰。间形成干扰。 外部干扰因素：外部干扰因素： 1 1、外部高压电源因绝缘不良形成的漏电；、外部高压电源因绝缘不良形成的漏电；2 2、广播电视、广播电视、高频感应加热等；高频感应加热等；3 3、空间电磁波的辐射；、空间电磁波的辐射；4 4、周围机械振动和冲、周围机械振动和冲击的影响等。击的影响等。 形成干扰的三要素形成干扰的三要素 ：干扰源：干扰源+ +干扰耦合通道干扰耦合通道+ +干扰接收电路干扰接收电路55 抑制干扰的方法抑制干扰的方法 1 1接地接地 在测量系统中有四种接地系统：安全地、信号源地、数字在测量系统中有四种接地系统：安全地、信号源地、数字信号地和模拟信号地。信号

44、地和模拟信号地。 2 2屏蔽屏蔽 防止电场或磁场干扰的有效方法是屏蔽。防止电场或磁场干扰的有效方法是屏蔽。 (1)(1)静电屏蔽静电屏蔽 (2)(2)低频磁感应屏蔽低频磁感应屏蔽 (3)(3)高频磁感应屏蔽高频磁感应屏蔽 3 3隔离隔离 切断两个或多个系统之间电的直接联系，而改用其它物理量切断两个或多个系统之间电的直接联系，而改用其它物理量( (如光、超声波、电磁力等如光、超声波、电磁力等) )实现系统之间的联系。实现系统之间的联系。 (1)(1)变压器隔离电路变压器隔离电路 (2)(2)光电耦合电路光电耦合电路 4 4滤波滤波 采用滤波器可以抑制电源噪声及耦合到电路中的噪声。采用滤波器可以抑

45、制电源噪声及耦合到电路中的噪声。 (1)(1)电源滤波电源滤波 (2)(2)退耦滤波器退耦滤波器 (3)(3)有源滤波有源滤波 (4)(4)数字滤波数字滤波 56典型噪声干扰的抑制典型噪声干扰的抑制 1 1设备启、停时产生的电火花干扰设备启、停时产生的电火花干扰 抑制方法：采用抑制方法：采用RCRC吸收电路，将吸收电路，将RCRC串联后再并联到继电器触串联后再并联到继电器触点或电源开关两端。点或电源开关两端。 2 2共模噪声共模噪声 抑制方法：采用差分放大器，差分放大器几乎对共模噪声没抑制方法：采用差分放大器，差分放大器几乎对共模噪声没有放大作用。有放大作用。 3 3串扰串扰 抑制方法：将不同

46、信号线分开，并留最大可能的空间隔离。抑制方法：将不同信号线分开，并留最大可能的空间隔离。 设计及组装检测系统时应注意的问题：设计及组装检测系统时应注意的问题： 1) 1) 避免不同类型的走线平行或靠近。避免不同类型的走线平行或靠近。 2)2)走线尽可能短，尽可能不在集成芯片之间走线。走线尽可能短，尽可能不在集成芯片之间走线。 3)3)电源线和地线要设计得尽量粗而短。电源线和地线要设计得尽量粗而短。 4)4)对于易受电源影响的器件，在近旁的电源对于易受电源影响的器件，在近旁的电源地线之间接入地线之间接入电容器进行去耦，易受干扰的器件远离振荡器等。电容器进行去耦，易受干扰的器件远离振荡器等。579

47、.3 9.3 传感器的微机接口传感器的微机接口 589.3.1 9.3.1 传感检测系统中微机接口的基本方式传感检测系统中微机接口的基本方式 (1)(1)开关量接口方式开关量接口方式 (2)(2)数字量接口方式数字量接口方式 (3)(3)模拟量接口方式模拟量接口方式 上述方式与微机连接时，为解决上述方式与微机连接时，为解决I IO O数据、速度慢数据、速度慢的外部设备与的外部设备与CPUCPU间通信的同步及中断管理等问题，常采间通信的同步及中断管理等问题，常采用通用的用通用的I IO O接口芯片。接口芯片。599.3.2 ADC9.3.2 ADC与与CPUCPU连接需解决的技术问题连接需解决的

48、技术问题 1 1ADCADC与与CPUCPU的时间协调的时间协调 A AD D转换又称转换又称ADCADC，其时间常数远比，其时间常数远比CPUCPU的指令周期长。的指令周期长。为了得到正确的变换结果，为了得到正确的变换结果，A AD D转换器的转换与传送必须通转换器的转换与传送必须通过过CPUCPU进行控制。其控制方式有：进行控制。其控制方式有： (1)(1)延时等待式延时等待式 (2)(2)中断式中断式 (3)(3)查询式查询式 60(1) (1) 延时等待式延时等待式 61(2) (2) 中断式中断式 62(3) (3) 查询式查询式 639.3.3 9.3.3 数据转换接口的典型结构数

49、据转换接口的典型结构1 1、高电平单信号调理电路单、高电平单信号调理电路单ADCADC系统系统 642 2、低电平多路信号调理单、低电平多路信号调理单ADCADC系统系统 653 3、多路信号调理和多、多路信号调理和多ADCADC系统系统 669.4 9.4 传感器网络传感器网络 9.4.1 9.4.1 传感器网络概述传感器网络概述 通信技术和计算机技术的飞速发展，使人类社会已经进入了网络时代。智能传感器的开发和大量使用，导致在分布式控制系统中，对传感信息交换提出了许多新的要求。单独的传感器数据采集已经不能适应现代控制技术和检测技术的发展，取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络。 1传

50、感器网络的作用 传感器网络可以实施远程数据采集，并进行分类存储和应用。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。凭借智能化软硬件，灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力。区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。专家们高度评价和推崇传感器网络，把传感器网络同塑料、电子学、仿生人体器官一起，看做是全球未来的四大高技术产业。预言它们将掀起新的产业浪潮。 672 2传感器网络的结构传感器网络的结构 传感器网络可用于人类工作、生活、娱乐的各个方面，可用于办公室、工厂、家庭、住宅小区、机器人、汽车等多种领域。

51、网络形式可以是以太网或其他形式，连接方式可以是环形、星形、总线形。 传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能传感器。传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可以连上遍布全球的Internet。若将数量巨大的传感器加入互连网络，则可以将互连网络延伸到更多的人类活动领域。 目前，传感器网络建设工作遇到的最大问题是传感器的电源供电问题。理想的情况是能保持几年不更换的高效能电池，或采用耗电少的传感器。值得关注的是，随着移动通信技术的发展，传感器网络也正朝着开发无线传感器网络的方向发展。689.4.2 9.4.2 传感器网络信息交换体系传感器网络信息交换体系 传感器网络系统信息交换体系涉及：协议、总线、器件标准总线、复合传输、隐藏、数据链接控制。 协议是传感器网络上各分布式系统之间进行信息交换而达成共识的一套规则或约定。对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传感器网络系统功能和使用硬件、软件与开发工具的能力。 传感器网络上各分布式系统之间进行可靠的信息交换，最重要的是选择和制定协议。一个国际标准协议可以使各厂家都生产符合标准规定的产品，不同厂家的传感器和仪器仪表可以互相代用，不同的传感器网络可以互相连接、相互通信。 699.4.3 OSI9.4.3 OSI开放系统互连参考模开放系统互连参考模型型 有好几个工业委员会和公