传感器与检测技术传感器信号处理电路及抗干扰措施

1、1传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系主讲教师：徐和根xuhegen第十二章 传感器信号处理电路 及抗干扰措施12.1传感器信号处理电路的基本要求12.2 阻抗匹配12.3信号放大12.4 信号变换12.5 信号滤波12.6 线性化处理12.7 噪声干扰与抑制信号的选取与抗干扰能力 要求电路本身是低噪声的；采用恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地； 被测信号的调制和解调。稳定性 温漂：处理的结果在一次运行中发生渐变长期稳定性：由于元器件老化、插接件弹性疲劳、氧化等原因 短期稳定性：示值重复性。12.1 传感器信号处理电路基本要求线性度检测的非线性由传感器、传感器电路、显示

2、执行机构这三部分的非线性度产生。频率特性与响应速度随着科技的发展，对于快速变化的过程进行动态测量的要求越来越多。分辨率适当提高传感器电路的分辨率有利于减小误差、方便读数；模拟电路中，为了提高分辨率应适当提高放大器放大倍数；数字电路中，为了减小量化误差必须增加数字量的位数，以减小最低位所对应的被测量。输入输出阻抗输入级的输入阻抗与传感器的输出阻抗相匹配，使放大器的输出信噪比达到最大值；传感器电路的输出阻抗应与它所驱动的显示执行机构或微机接口的阻抗相匹配。12.2 传感器的阻抗匹配由于不匹配节点的存在，传输信号的能量在此将会出现反射损耗现象，那么它的后级得到的信号能量将小与前级的输出能量，这就将影

3、响信号的有效传输，严重时后即将无法工作，前级将可能毁坏，这特别显著的体现在RF系统中。 阻抗匹配的定义阻抗匹配(Matching) 输出、输入阻抗的共轭匹配 输出阻抗：Ro=X+jY 输入阻抗：RI=X-jY 即要求输出、输入阻抗互为共轭复数RoRI电阻匹配： 输出、输入电阻的匹配 在直流电路中我们通常需要电阻的匹配（如右图），这样我们会得到最大的功率（请同学们自己推导）传输特性。RSRLVS要求： RL= RSPo RL曲线 PoRLRSRL RS对于传感器：1. 输出功率通常微弱，不匹配导致功率损失。2. 高频系统中不匹配产生反射波，产生噪声。因此，电路需要阻抗匹配。不同的传感器的输出阻抗

4、不一样；输出阻抗大用高输入阻抗运算放大器匹配电容式传感器、压电陶瓷、光敏二极管（100M）输出阻抗小用变压器匹配动圈式传声器（30-70）电感式传感器例：自举型高输入阻抗放大器求：输入阻抗Ri=?解：根据虚地原理所以：输入阻抗：令Rf1=R2 Rf2=2R1 则：当R=R1时，输入阻抗无穷大12.3 微弱信号放大一、运算放大器输出电压： 下一节特点：1. 结构简单2. 高输入阻抗，较低输出阻抗二、测量放大器A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在

5、许多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。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。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为而当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为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。 三、程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoRUiR四、隔离放大器主要功能：在输入信号与输出信号之间提供优良的欧姆隔离，其中两个输入端是完全浮离的。特点：具有保护系统硬件不受高共模电压损坏的能力；没有外偏流流入引线，泄漏电流很低

6、，解决了噪声拾取问题；具有非常高的共模抑制力。隔离集成运放各引线示意图耦合方式：变压器耦合 利用变压器耦合实现载波调制，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽被限制在1KHz以下。光电耦合 利用LED光电耦合的方法实现载波调制，其隔离性能不如变压器耦合，但可获得10KHz的带宽。主要应用场合： 高共模电压场合，例如：电力环境的测量。 高电压隔离、漏电流极低，例如：医疗用监护仪。 对电子仪器提供保护，防止高压对仪器产生故障和损坏。 必须浮地连接的信号源，例如在低电平信号测量中避免地线环路和噪声的影响。12.4 信号变换电路1.电流电压变换电路(电流放大器)+EfRf8e0iiZiei2. 电荷

7、-电压变换电路要求放大器的输入阻抗非常高；（为什么？）利用绝缘性好的电容和高增益的运算放大器来实现。Q+AU08CfU0 = - Q / Cf3. 阻抗变换电路输出电压:采用平衡电桥平衡条件：z2z4=z1z3 将传感器输出的电压或电流信号高低变成单位时间内脉冲数的多少称作对信号进行前处理。这样就大大提高了信号传输的抗干扰能力，解决了长距离传输的问题。这种方法只适用于实时性要求不是太高的场合。4.电压脉冲数变换电路（a） V/F 转换方框图+单稳频率输出-Vs+VINS1-0.6V比较器积分器CINTCos+IinR1N1mA1088+5V5.脉冲数电压变换电路脉冲数-电压变换电路即频率-电压

8、转换器，简称 F/V 转换器；由于转换的阈值和增益可调，且具有很低的非线性误差，它在电机转速控制、电源频率监视器和VCO 稳定电路方面都具有广泛的应用；VCO（压控振荡器）：主要利用它的结电容随反偏压变化而变化的特性,通过改变变容二极管两端的电压便可改变电容的大小,从而改变振荡频率。+1+滤波器84相加点3频率输入+15VEos校准12-15V频率输入精密电荷分配器CeRosRF9满刻度校准输出Cc滤波电容RH10K100K1K+VsA188A2(2)应用举例+8增益调节传感器258892131634模拟地Fi双扭线（010）kHz（010）kHz差动线驱动器差动线接收器F/VV/F模拟仪表仪

9、用放大器FVC在两线制数据传输系统中的应用12.5 滤波电路作用： 滤除各种外接干扰所引起的噪声以及多余的不需要的信号，提高信噪比(S/N)。分类：无源滤波器、有源滤波器模拟滤波器、数字滤波器低通、高通、带通、带阻、全通理想滤波器低通高通带通带阻一、低通滤波器无源低通滤波器缺点 ：带负载能力差；无放大作用；特性不理想，边沿不陡。有源低通一阶滤波器传递函数中出现 的一次项，故称为一阶滤波器。RR1RFC+-+幅频特性：相频特性：有放大作用3. 运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路的特点：2. =o 时1. =0 时有源低通二阶滤波器传递函数注意 ：由于C引入了正反馈，所以

10、KA不能太大 (KA3)。 否则失去稳定性。【例】设计一个截止频率f0=2kHz，品质因素Q=2的低通滤波器。【解】按上述所求，有：若选C=0.1uF,则：R=795.8;由于KA=2.5,若R1=5.1K,则：Rf=7.65K有源滤波器的优点不使用电感元件，体积小重量轻；有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响；除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。有源滤波器的缺点不宜用于高频、高电压、大电流；可靠性较差使用时需外接直流电源二、高通滤波器R1RF+-+高通滤波器R幅频特性：0

11、o12.6 非线性校正的方法具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用下图所示的框图表示。 传感器将被测量物理量转换成电量u1，这种转换通常是非线性的。电量u1经放大器放大后成为电量u2，放大器一般是线性的。引入线性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整台仪表的输出u0和输入之间具有线性关系。这里解决的关键问题显然有两个： 一是在给定u0线性关系的前提下，根据已知的u1非线性关系和u2线性关系求出线性化器应当具有的u1u2非线性关系。二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上求取线性化器非线形特性的方法有两种，分述如下。 1.解析计算法设上图中所示的传感器特性解析

12、式为 （12-1）放大器特性的解析式为 （12-2）要求测量工具有的刻度方程为 （12-3）将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就得到线性化器非线性特性的解析式 （12-4）根据式（12-4）即可设计线性化器的具体电路。12.6.1 求取线性化器非线形特性的方法2 .图解法 当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，我们可用图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线。图解法的步骤如下（见下图）。 1)将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1（x）。 2)将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。 3) 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。 4)将x轴n段，

13、段数n由精度要求决定。由点1、2、3、n各作x轴垂线，分别与u1=f(x)曲线及第四象限中的u0=sx直线交于11、12、13、1n及4142434n各点。以后以第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限u2=Ku1直线交于21、22、23、2n各点。 5)由第二象限各点作x轴垂线，再由第四象限各点作x轴平行线，两者在第三象限的 交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)。这也是线形化器的非线性特性曲线。 对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理可由图7-7给出的框图表示。 在放大器上增加非线性反馈之后，使u0与u1之间出现非线性关系，用以补偿传感器非线性，从而使整台仪表输入-输

14、出特性xu0j具有线性特性。图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线12.6.2 非线性校正电路 当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入-输出特性曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线性元件或者利用某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成的对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线性校正电路中。目前最常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入-输出特性曲线。由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正环节（线性化器）所需要的特性曲线。

15、折线逼近法如图所示。将非线性校正环节所需要的特性曲线用若干有限的线段代替，然后根据各转折点xi和各段折线的斜率ki来设计电路。折线逼近法 根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程： 式中，xi为折线的各转折点，ki为各线段的斜率， ， ， 。 可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但太多了则会电路本身误差而影响精度。在校正电路中通常采用运算放大器，当输入电压为不同范围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。12.6.3 非线性特性软件线性化处理 对测量系统非线性环节的线性化处理，除了采用前述的硬件电路来实现外，在有微机的只能化检测系统中可利

16、用软件功能方便地实现非线性的线性变化。这种方法精度高，成本低，应用灵活。 设某传感器非线性校正曲线如图7-14所示。它是一个非线性函数关系。我们将输入量x按一定要求分为N个区间，每个xk都对应一个输出yk。把这些（xk,yk）编制成表格存贮起来。实际的输入量xi一定会落在某个区间（xk-1，xk）内，即xk-1xi xk.软件法的含义是用一段直线近似地代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似插值公式计算出yi这种方法称为线性插值法。 由图7-15可以看出，通过M1、M2两点的直线斜率k为： ；而yi的计算公式为： (7-7)12.7 传感器电路的噪声与抑制12.7.1、传感器电路的构成被测对象传

17、感器差分放大低通滤波A/D变换计算机测量结果外来噪声模拟噪声处理数字噪声处理12.7.2、传感器的噪声来源传感器和电路元件产生的噪声电阻产生的噪声(热噪声：自由电子随机热运动）晶体管产生的噪声（散粒噪声+1/f噪声）放大器产生的噪声接触噪声（接触面导电率不一样）开关器件产生的噪声寄生振荡干扰（布线不合理）外部噪声源引起的噪声雷电、大气电离、宇宙射线、其他电磁波；电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热。12.7.3 干扰的耦合方式1、静电耦合（电容性耦合） 由于两个电路之间存在着分布电容，当其中一个电路的电位发生变化时，该电路的电荷就会通过分布电容传送到另一个电路。结论：（1）干扰源的频率越高，静电

18、耦合引起的干扰越严重；（2）降低接收电路输入阻抗，可减少静电耦合干扰；（3）通过合理布线，减少分布电容C，减少静电耦合干扰。干扰噪声是通过耦合通道与检测系统发生作用的。2、电磁耦合（互感性耦合） 当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流产生变化就会通过磁场耦合到另一个电路。3、共阻抗耦合 当一个电路的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压。通过电源内阻的共阻抗耦合干扰减小电源内阻各电路接去耦滤波电路通过公共地线的共阻抗耦合干扰采用一点接地 电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在有互感，使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一个电路。2、电磁耦合（互感性耦合）523、共

19、阻抗耦合 当一个电路的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压。通过电源内阻的共阻抗耦合干扰减小电源内阻各电路接去耦滤波电路通过公共地线的共阻抗耦合干扰采用一点接地图中Zc表示两个电路之间的共有阻抗，In表示噪声源的噪声电流，UN表示被干扰电路的干扰电压。4、漏电流耦合 由于测量电路内部存在漏电阻产生漏电流引起的干扰。例：设直流放大器输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V,绝缘电阻R=1010，求耦合干扰Eo=?。12.7.4 共模与差模干扰各种噪声源产生的噪声，必然要通过各种耦合方式进入检测装置，对其产生干扰。根据噪声进入信号测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干

20、扰分为差模干扰与共模干扰。 5512.7.4.1 差模干扰 差模干扰又称串模干扰、正态干扰、常态干扰、横向干扰等，它使检测仪器的一个信号输入端子相对另一个信号输入端子的电位差发生变化，即干扰信号与有用信号按电压源形式串联起来作用于输入端。因为它和有用信号叠加起来直接作用于输入端，所以它直接影响测量结果。差模干扰可用图10.3.1所示两种方式表示，图a为串联电压源形式；图b为并联电流源形式。图中es及Rs为有用信号源及内阻：Un表示等效干扰电压In表示等效干扰电流，Zn为干扰源等效阻抗Ri为接收器的输入电阻。 图a表示用热电偶作敏感元件，进行测温时，由于有交变磁通穿过信号传输回路产生干扰电动势，

21、造成差模干扰；图b表示高压直流电场通过漏电流对动圈式检流计造成差模干扰。针对具体情况可以采用双绞信号传输线、传感器耦合端加滤波器、金属隔离线、屏蔽等措施来消除差模干扰。 12.7.4.2 共模干扰 共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等，它是相对于公共的电位基准点(通常为接地点)，在检测仪器的两个输入端子上同时出现的干扰。虽然它不直接影响测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。在实际测量过程中，由于共模干扰的电压一般都比较大，而且它的耦合机理和耦合电路不易搞清楚，排除也比较困难，所以共模干扰对测量的影响更为严重。 造成共模干扰的原因很多，常见

22、的共模干扰耦合有下面几种：在检测装置附近有大功率的电气设备，因绝缘不良或三相动力电网负载不平衡，零线有较大电流时，都存在着较大的地电流和地电位差，这时，若检测系统有两个以上接地点，则地电位差就会造成共模于扰。如图a所示热电偶测温系统，热电偶的金属保护套管通过炉体外壳与生产管路接地，而热电偶的两条温度补偿导线不接指示仪表外壳，但仪表外壳接大地，地电位差造成共模干扰。当电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到检测系统的信号回路，形成干扰；图b表示动力电源通过漏电阻R对热电偶测温系统形成共模干扰。在交流供电的电气测量装置中，动力电源会通过电源变压器的一次、二次侧绕组间的杂散电容、整流滤被

23、电路、信号电路与地之间的杂散电容到地构成回路，形成工频共模干扰，如图c所示。12.7.5 噪声的抑制与抗干扰措施噪声的抑制途径消除或抑制干扰源减少接收电路对干扰的灵敏度阻断干扰的传输途径和耦合方式对信号进行降噪/抗干扰处理传感器和电路器件内部产生的噪声的抑制（1）为减少电路元件的热噪声，应使放大器的外部电阻尽量小；（2）当使用双极型晶体管的前置放大器来放大传感器的输出信号时，选取 IC值尽可能小；（3）选用 Vna、Ina 小的运算放大器来组成传感器电路；（4）对于开关噪声，设置相应的伪电路，用差分来消除开关噪声。降低噪声的信号处理方法（1）滤波（只能去除带外噪声）； （2）调制/解调（基于噪

24、声是随机的原理）（3） 信号相关处理（基于噪声是随机的原理） 外部噪声的抑制外部噪声是通过静电耦合和电磁耦合串入传感器电路具体方法：屏蔽、接地、浮空、隔离、滤波1、屏蔽技术（1）静电屏蔽用一个金属罩（铜、铝）把信号源或测量电路包封起来并接地，使屏蔽盒内的电力线不会传到外部，当然也避免了外部电场对电路的影响，起到抑制干扰源的作用。(为什么要用导体?)（2）驱动屏蔽将被屏蔽导体的电位，经严格的1:1电压跟随器去驱动屏蔽层导体的电位，而使两者电位相等，可以有效地抑制由于分布电容引起的静电耦合干扰。 （3）电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 (为什么仅适用于高频电磁干扰?)（4）低频磁屏蔽电磁屏蔽对低频磁场干扰的抑制效果很差。在低频磁场干扰下，需采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高