第十一章传感器的信号处理和智能化

1、LOGO第第1111章章 传感器的信号处理和智能传感器的信号处理和智能化化11.111.211.3第第11章章 传感器的信号处理和智能化传感器的信号处理和智能化传感器的信号处理传感器的信号处理传感器的数字化传感器的数字化智能传感器智能传感器传感器的信号处理传感器的信号处理v传感器的输出信号形式多样，有的是直接以电压、电流的形式输出，而有的是以电阻、电感和电容等形式输出，为此还有时需要形式上的转换处理。v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0.1v，这样微弱的信号很容易被周围环境和系统本身所产生的噪声所淹没。v传感器的输出阻抗都比较高，当其输出信号输人到测量电路时会产生较大的衰减

2、。v传感器的输出信号与输入物理量之间的关系不一定是线性比例关系。v有些传感器的输出量会受温度的影响，有温度系数。 信号变换电路信号变换电路v电压-电流变换电压-电流转换与电流-电压转换电路是信号变换中的重要的一类。在许多远程监控系统的应用中，以电流的形式传送信息，满刻度值为16 mA，而偏置到420 mA的范围。v电流-电压变换v电流传送方式其有抑制噪声的优点，因为所接收的信息不会受到传输线的压降、杂散的热电偶、接触电势和接触电阻，以及电压噪声等因素的影响。偏置电流是为了将零点（用4 mA的电流代表）与无信息的情况相区别，因为开路时流过的电流为零。这种传送方式附加的优点是，在某些应用中，利用对

3、于传递信息并不需要的4 mA电流，可以实现从远端供电。在一个方向传送电源，在返回的方向传送信号。在这样的传感器中就只需要两根传输线，而不需要一条接线另外提供电源。此外，电流形式的信息可以供几个不同地方的负载串联起来使用。v电压/频率的相互转换v此外，由于准数字信号在信号传输与检测方面独到的优点，模拟信号与准数字信号之间的变换，即电压-频率（VFC）变换以及频率-电压变换（FVC），逐渐成为传感器信号调理的一个重要部分。v电容检测电路电压电压-电流变换电流变换v浮地负载电压-电流变换电路图 11 1浮地负载电压-电流变换电路11.1.1.1 电压电压-电流变换电流变换v接地负载电压-电流变换电路

4、图 11 2接地负载电压-电流变换电路电压电压-电流变换电流变换v差动式电压-电流变换电路图 11 3差动式电压-电流变换电路电流一电压变换电流一电压变换用于光测量的电流用于光测量的电流-电压变换电路电压变换电路电流一电压变换电流一电压变换图图 11 5 电流电流-电压转换电路（电压转换电路（1）电流一电压变换电流一电压变换电流电流-电压转换电路（电压转换电路（2）电压电压/频率的相互转换频率的相互转换v积分复原型积分复原型积分复原型V/F转换转换电压电压/频率的相互转换频率的相互转换v电荷平衡型电荷平衡型电荷平衡型V/F转换转换电容检测电路电容检测电路电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路

5、电容式传感器常用等效电路电容式传感器常用等效电路电容检测电路电容检测电路v振荡器式检测电路RC张弛振荡器检测电路张弛振荡器检测电路LC振荡器原理图振荡器原理图电容检测电路电容检测电路差频式差频式LC振荡电容传感器振荡电容传感器电容检测电路电容检测电路v谐振式检测电路谐振式电容检测原理图谐振式电容检测原理图电容检测电路电容检测电路v谐振式检测电路谐振型检测原理（电流）谐振型检测原理（电流）v传感器输出的阻抗一般都比较高，如果其输出信号直接连到测量电路，则会产生较大的衰减。为了防止传感器输出信号的衰减，通常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器。v常用的阻抗匹配器有晶体管阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配

6、器及运算放大器阻抗匹配器。阻抗匹配器阻抗匹配器v 晶体管阻抗匹配器晶体管阻抗匹配器图图 11 24 晶体管阻抗匹配电路图晶体管阻抗匹配电路图场效应管阻抗匹配器场效应管阻抗匹配器场效应管的符号图场效应管的符号图场效应管阻抗匹配电路图场效应管阻抗匹配电路图运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器v 电压跟随器阻抗匹配器图图 11 27 电压跟随器阻抗匹配电路图电压跟随器阻抗匹配电路图v 放大器可选配的阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器图图 11 28运算放大器阻抗匹配电路图运算放大器阻抗匹配电路图v 放大器一、反相比例放大器运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器（11 57）图图

7、 11 29 反相比例放大器电路图反相比例放大器电路图v放大器二、同相比例放大器运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器图图 11 30 同相比例放大器电路图同相比例放大器电路图（11 58）v放大器三、差动放大器 11.1.2.3运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器图图 11 31 差动放大器电路图差动放大器电路图（11 59） v 放大器四、交流放大器 运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器（11 60）（11 61） 图图 11 32 交流放大器电路图交流放大器电路图v放大器五、反相加法器 运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器图图 11 33反向加法器电路图反向加法器电路图 （

8、11 62 ）v放大器六、比较器 运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器图图 11 34比较器电路图比较器电路图v放大器七、仪用放大器 运算放大器阻抗匹配器运算放大器阻抗匹配器图图 11 35仪用放大器结构原理图仪用放大器结构原理图（11 63） （11 64） 11.1.3噪声及其抑制噪声及其抑制v 11.1.3.1传感器噪声产生的根源传感器噪声产生的根源 内部噪声内部噪声1、电阻产生的噪声 （11 65） 式中Un噪声电压的有效值，V;K玻尔兹曼常数，1.38xl0-23J.K-1;T绝对温度，K;R噪声源的电阻值，;B测量系统的频带宽度，HZ。11.1.3.1传感器噪声产生的根源 内部

9、噪声内部噪声2、晶体管产生的噪声 v式中:vIn发射噪声电流的有效值，A;ve电子电荷，其值为1.59 xl0-19C;vlC集电极电流;vB频带宽度; HZ。 内部噪声内部噪声2、闪烁噪声 3、放大器的噪声11.1.3.1传感器噪声产生的根源图图 11 36运算放大器的等效噪声源电路图运算放大器的等效噪声源电路图11.1.3.1传感器噪声产生的根源产生噪声电压的原因有：产生噪声电压的原因有：(1)漂移电压（漂移电压（U0）;(2)漂移电流（漂移电流（In);(3)与放大器与放大器相连接的外部电阻相连接的外部电阻R1、R1,R2产生的热噪声电压产生的热噪声电压（11 68 ）v 内部噪声内部噪

10、声4、开关元件产生的噪声、开关元件产生的噪声 外部噪声外部噪声11.1.3.1传感器噪声产生的根源图图 11 37开关噪声示意图开关噪声示意图v为减少电路元件的热噪声，在设计放大器电路时尽量少使用外部电阻；v在设计电路时要选用Ic值小的双极性晶体管；v选用Un和In小的运算放大器来设计和组成检测电路；v为消除开关噪声，设置如开关噪声的抑制电路所示的伪电路，充分利用差分放大器电路消除开关噪声(5）减小频带宽度。热噪声、发射噪声、闪烁噪声和放大器产生的噪声均与频带宽度B有关系，其数值随B的增大而增大，随B的减小而减小，因此要在可能的范围内尽量使用窄频带放大器进行信号处理。传感器噪声的抑制传感器噪声

11、的抑制一、从元器件方面来采取措施 实芯电阻的等效电路实芯电阻的等效电路绕线电阻的等效电路绕线电阻的等效电路一、从元器件方面来采取措施11.1.3.2传感器噪声的抑制传感器噪声的抑制开关噪声的抑制电路开关噪声的抑制电路电容器的等效电路电容器的等效电路二、电源的去耦处理二、电源的去耦处理11.1.3.2传感器噪声的抑制传感器噪声的抑制图图 11 42 电源与电路间去耦措施电源与电路间去耦措施三、印刷电路板的正确布局是去干扰的一种有效方法三、印刷电路板的正确布局是去干扰的一种有效方法v (l）布线时，干扰源与易受干扰的元件要尽可能远离。v (2）模拟电路与数字逻辑电路应尽可能分开，且两者不共地线。v

12、 (3）非辐射元件或单级元件应尽可能靠近，以减少公共地阻抗。v (4）高速元器件应尽可能缩小所占布线面积，且采用最短的布线。v (5）应尽可能避免窄长的平行线，当不得不采用平行线时，可用地线隔开。v (6）电源线和地线线径不得小于lmm，地线可适当加粗。v (7）当频率小于IMHz时，可采用单点接地；当频率在1一l()MHz时，如果地线长度小于20，则可采用单点接地，否则应采用多点接地；当频率高于l()MHz时，应采用多点接地。v (8）当线条需要转弯时，或用圆弧连接，或向两个方向各转450;v (9）如果采用多层板时，所有元件和连接器都应安装在接地平面内。v (10）电源和地的布局，应减小耦

13、合回路和电源与地间的分布阻抗。在电源进线处应布有滤波网络。11.1.3.2传感器噪声的抑制传感器噪声的抑制信号分离电路信号分离电路v在传感器获得的检测信号中，往住包含噪声和许多与被侧最无关的信号，并且原始的测量信号经传输、放大、变换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不同形式的噪声，从而影响侧量精度。这些噪声一般随机性很强，很难从时城中直接分离，但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定规律分布子频率域中某一特定的颇带中。信号分离电路一般利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制提取所需的测量信号。滤波器的基本知识滤波器的基本知识图图 11 43简单的二阶滤波器例子简单的二阶滤波器例子 （1

14、1 72） （11 73） （11 74） 11.1.3.3 滤波器的基本知识滤波器的基本知识图图 11 44二阶滤波器的频率特性二阶滤波器的频率特性（11 75）（11 76） 11.1.3.3 滤波器的基本知识滤波器的基本知识图图 11 45对数坐标的滤波器频率特性对数坐标的滤波器频率特性11.1.3.4按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器 带通滤波器带通滤波器图图 11 46几种带通滤波器的幅频特性曲线几种带通滤波器的幅频特性曲线 带阻滤波器带阻滤波器11.1.3.4按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 47简单二阶带阻滤波器简单二阶带阻滤波器 （11 77） 11.1.3.4

15、按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 48带阻滤波器的频率特性带阻滤波器的频率特性11.1.3.4按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 49几种带阻滤波器的幅频特性曲线几种带阻滤波器的幅频特性曲线 低通滤波器低通滤波器11.1.3.4按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 50简单的二阶低通滤波器简单的二阶低通滤波器（11 78） 11.1.3.4按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 51低通滤波器的频率特性低通滤波器的频率特性11.1.3.4按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 52几种低通滤波器的幅频特性曲线几种低通滤波器的幅频特性曲线 全通

16、滤波器全通滤波器按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 53信号移相原理图信号移相原理图（11 79） 按频带分类的滤波器按频带分类的滤波器图图 11 54全通滤波器的相频特性全通滤波器的相频特性 （11 80） 传感器的数字化传感器的数字化v 11.2.1模拟信号数字变换系统模拟信号数字变换系统图图 11 58模拟信号数字变换系统图图 11 5911.2.1模拟信号数字变换系统图图 11 60模拟信号数字变换系统图图 11 61v 一般来说，应注意下述问题：v 为确保AD输出的二进制码数字是有效码，首先必须保证输人到AD的信号具有足够的信噪比。v 输入到AD转换器的信号幅度范围，应符

17、合所选用的AD器件的输人幅度范围要求。v 数字变换过程包含采样过程。根据Nyquist采样定理，采样频率至少应为输入信号最高频率fmax的两倍。 v 孔径误差1. 系统通过率 模拟信号数字变换系统数据变换系统的抗混滤波数据变换系统的抗混滤波图图 11 62 数据获取系统输入通道的基本功能单元数据获取系统输入通道的基本功能单元图图 11 63 A/D转换中发生混叠示意图转换中发生混叠示意图11.3智能传感器智能传感器v 11.3.1智能传感器的结构智能传感器的结构图图 11 66 智能传感器系统的结构框图智能传感器系统的结构框图11.3.2智能传感器的功能智能传感器的功能v 自补偿和计算自补偿和

18、计算v 自检、自诊断、自校正自检、自诊断、自校正v 复合敏感功能复合敏感功能v 通信功能通信功能v 显示报警功能显示报警功能v 掉电保护功能掉电保护功能11.3.3 网络化的智能传感器网络化的智能传感器嵌入式技术和集成电路技术的引入，使传感器的功耗降低、体积减小、抗干扰性和可靠性提高更能满足工程应用的需要。多敏感功能。智能传感器将原来分散的、各自独立的、仅能敏感单一参量的传感器集成为具有多敏感功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全而反映被测量物质的综合信息。微处理器的引入使传感器成为硬件和软件的结合体，能根据输入信号值进行一定程度的判断和决策制定，实现自校正和自我保护功能。非线性补偿、零点漂移和温度补偿等软件技术的应用，使传感器具有很高的线性度和测量精度。网络接口技术的应用使传感器能方便地接