《传感器技术及应用(全彩)》工作任务6-1传感器的信号

工作任务六

传感器信号的检测及处理方法之一传感器的信号

任务描述使用传感器作检测系统的一部分，传感器的接口电路是一个重要的连接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度及灵敏度。在实际应用中，传感器接口电路位于检测系统的前端电路，起着信号预处理的连接作用。任务条件传感器接口电路的选择应根据传感器的输出信号的特点及用途确定。不同的传感器具有不同形式的输出信号因此，传感器的接口电路可能是一个放大器，也可能是一个信号转换电路及其它电路。之一传感器的信号（1）传感器信号特点：从以上的几个工作任务及其它的工作任务来看，传感器输出信号具有如下的特点：1）传感器种类繁多，传感器的输出形式也各种各样。例如在工作任务一中，同是温度传感器，热敏电阻隨温度变化输出的是不同的电阻，热电偶隨温度变化输出的是不同的电压，而双金属温度传感器隨温度变化输出开关信号，下表列出了传感器输出信号的一般形式。1.传感器信号处理输出类型输出形式传感器类例应用举例开关信号型机械触点双金属传感器双金属控制电饭锅温度模拟信号型电子开关霍尔开关集成传感器由霍尔传感器组成的测速电路电压热电偶、磁敏元件、气敏元件气敏传感器MQK-2A构成的排气扇有害气体报警电路电流光敏二极管光敏二极管组成的闪光电路电阻热敏电阻、应变片负温度系数热敏电阻在电冰箱中的温度控制电路中的应用电容电容式传感器驻极体传感器在话筒中的应用

电感电感式传感器数字信号型数字脉冲数字集成传感器数字集成温度传感器DS18B20测温电路中的应用其它频率多普勒速度传感器、谐振式传感器2）传感器的输出信号一般都比较微弱，如电压信号只有μV~mV级，电流信号为μA~mA级。3）传感器内部存在噪声，输出信号会与噪声信号混合在一起，当噪声信号比较强，而输出信号又比较弱时，常会使有用信号淹没在噪声之中。4）传感器输出的动态范围比较宽。输出信号隨着物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系，例如热敏电阻的电阻值承蒙温度变化按指数函数变化。输出信号大小会受温度的影响，各种物体均有温度系数存在。5）传感器的输出信号受外界环境（如温度、电场、磁场、雷电、电磁波等等）的干扰。6）传感器的输出阻抗都比较高。这样会使传感器信号输出到测量电路时，产生较大的信号衰减。（2）传感器信号的处理方法根据传感器输出信号的特点，采取和不同的信号处理方法来提高测量系统的测量精度和线性度，这是传感器信号处理的目的。另外，传感器在测量过程中掺杂噪声信号，它会直接影响测量系统的精度，因此抑制噪声也是传感器信号处理的重要内容。传感器输出信号的处理主要由传感器的接口电路完成。因此传感器接口电路应该具有一定的信号预处理的功能。经预处理后的信号，应成为可供测量、控制使用和便于向微处理器输出的信号。信号预处理通常包括放大、调制、解调、滤波、线性化及信号转换等。接口电路信号的预处理功能应用举例阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，便于检测电路，准确地拾取传感器的输出信号放大变换电路将微弱的传感器输出信号放大铂电阻传感器构成的数字显示温度检测控制电路电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压负温度系数热敏电阻在电冰箱中的温度控制电路中的应用电桥电路把传感器电阻、电容、电感的变化转化为电流或电压硅压阻式压力传感器的应用电路频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压由霍尔传感器组成的测速电路电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压CCD汽车前照灯配光测试原理图有效值转换电路在传感器为交流输出的情况下，转为有效值、变为直流输出磁敏三极管组成的有源负载接口电路滤波电路通过低通及带通渗滤器的噪声成分铂电阻传感器构成的数字显示温度检测控制电路线性化电路在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩

（2）传感器信号预处理电路1）阻抗匹配传感器输出阻抗都比较高，为防止信号衰减，常采用高输入阻抗低输出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。常见的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。2）电桥电路电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流，根据电桥供电电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。

直流电桥主要用于电阻式传感器，例如，热敏电阻、电位器等。交流电桥主要用于测量电容式传感器和电感式传感器的电容和电感的变化。电阻应变片传感器大都采用交流电桥，这是因为应变片电桥输出信号微弱需要经放大器放大，而使用直流放大器容易产生零点漂移。此外，应变片与桥路之间采用电缆连接，其引线分布电容的影响不可忽略，使用交流电桥还会消除这些影响。3）放大电路传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或交流信号进行放大处理，为检测系统提供高精度的模拟信号，它对检测系统的精度趁着关键的作用。目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都由运算放大器构成，如下图所示分别为反相放大器、同相放大器和差动放大器。（a）反相放大器（b）同相放大器（c）差动放大器

①反相放大器放大器输入信号由Uin和输出信号Uout通过RF反馈到输入端组成。放大倍数只取决于RF与R1的比值，输出信号与输入信号反相。②输入信号Uin直接从同相输入端输入。放大倍数也基本由RF与R1的比值决定，但输出信号与输入信号同相。③电路中要求R1＝R2，RF＝R3。一般在输入端接入大小相等，方向相反的信号Uin。同样放大倍数只取决于RF与R1的比值。差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。

共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号。理想状态下，差动放大器对共模输入信号的放大为零，所以差动放大器零点漂移。例如外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大电路所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力最强。●检测电路形式完成传感器输出信号处理的各种电路称为传感器检测电路。传感器检测电路是测控系统的重要组成部分，也是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁。不同传感器信号检测电路的组成与内容判别较大。

（1）开关型传感器许多非电量的检测技术要求对被测物理量进行定值的判断，当达到确定值时检测系统应输出控制信号。2.传感器信号处理技术在这种情况下，大多数使用开关型传感器，利用其开关功能，作为直接控制元件使用。使用开关型传感器的检测电路比较简单，非唯心直接用传感器输出的形状信号驱动控制电路和报警电路工作。

（2）模拟信号输出的传感器。由于检测对象，在需要定值判断的检测系统中，也常使用具有模拟信号输出的传感器。在这种情况下，先要由检测电路进行信号的预处理，再放大，然后用比较器将传感器输出信号与设置的比较电平相比较。当传感器输出信号彀设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，由原来的低电平转为高电平输出，驱动控制电路及报警电路工作。当检测系统要求获得某一范围的连续信号时，必须使用数字电压表将检测结果直接显示出来。数字式电压表一般由A/D转换电路、译码电路、驱动电路组成。这种检测电路以数字形式显示出被测物理量，例如温度、水分、转速及位移量等等。接口电路则根据传感器的输出特点进行选择。

●常用转换电路

（1）电压与电流转换（V/I变换）电压与电流的相互转换实质上是恒压源与恒流源的相互转换。一般恒压源的内阻远小于负载，恒流源的内阻远大于负载，因此，把电压转换为电流必须采用输出阻抗高的电流电流负反馈电路，把电流转换为电压必须采用输出阻抗低的电压负反馈电路。1）电压/电流（小电流0~10mA）转换

V/I变换器的作用是将电压信号变换为标准的电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值，电路如下图所示。

2）电压/电流（大电流4~20mA）转换

电路中，传感器与微处理器之间要进行远距离传输，更可靠的方法是使用具有恒流输出的V/I变换变换器，4~20mA的统一标准信号，即规定传感器从零到满量程的统一输出信号为4~20mA的恒定直流电流。电路如上图所示。V/I（小电流）变换电路V/I（大电流）变换电路

3）电流/电压变换把直流电流信号转换为电压信号时，最简单的V/I变换可以利用一