传感器原理与应用-基础

传感器技术基础BasicKnowledgeofSensorTechnology

2023/2/31传感器技术基础

绪论

传感器技术基础2023/2/32传感器的组成及分类传感器的基本特性常用信号调理电路传感器技术基础2023/2/33传感器调理与处理显示或控制装置被测信号电信号信号调理的目的是便于信号的传输与处理。信号调理电路的功能：电压、电流调幅。构成测量电路，实现补偿、调零等功能。调制与解调、滤波及线性化处理。信号调理电路2023/2/34常用信号调理电路测量电桥信号放大电路信号转换电路滤波电路调制与解调2023/2/35测量电桥电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，也是最常见的信号调理电路之一。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo电桥的结构：四个桥臂中有一个或多个桥臂是传感器的敏感元件，其它为使电桥平衡而选择的固定阻抗元件。2023/2/36电桥的分类按电桥的激励电源分类：直流电桥：只能用来测量电阻变化。又分为恒压源电桥和恒流源电桥。交流电桥：可用来测量电阻、电感、电容变化。交流电桥功能上相当于调幅器，输出为调幅波。测量电桥2023/2/37平衡式电桥：也叫零位法测量电桥，通过自动调整桥臂的阻抗值，使电桥始终处于平衡状态。调整的阻抗值反映了被测量的变化情况。按电桥的工作状态分类：所谓电桥的平衡，是指电桥的输出电压为零的状态。电桥平衡条件：相对臂阻抗乘积相等。特点：测量精度取决于调整阻抗，因此精度不高；对电源的稳定性要求不高。电桥的分类HR1R2R3R4EG直流平衡电桥R5测量电桥2023/2/38abcdZ1Z2Z3Z4UIUo按电桥的工作状态分类：不平衡式电桥：也叫偏差法测量电桥，指电桥的初始状态是平衡状态，当电桥的工作臂阻抗变化时，电桥失衡，输出电压不为零，输出电压反映了被测量的变化。特点：输出信号能量小，易受干扰，需进行相应的补偿，如温度补偿；对电源的稳定性要求很高。电桥的分类测量电桥2023/2/39电桥的分类按工作状态（工作桥臂的个数）分类：单臂电桥：其中一个桥臂阻抗感受被测量。半桥：有两个桥臂阻抗感受被测量。接桥原则：变化方向相反接相邻臂；变化方向相同接相对臂。全桥：四个桥臂阻抗都感受被测量。接桥原则同上。测量电桥2023/2/310电桥的特点电桥输出特性：电桥放大器、解调电路ΔR/ΔL/ΔCU(u)/I(i)指示仪表能测量出微弱的阻抗变化量。可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全桥，来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏度。能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压或电流的变化。测量电桥2023/2/311直流电桥直流电桥的激励电源为直流电源，四个桥臂均为电阻，用于测量电阻、电阻率的变化。直流不平衡电桥的工作原理

电桥平衡条件：相对臂电阻乘积相等。输出特性：abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流电桥测量电桥2023/2/312直流电桥直流不平衡电桥的工作原理

abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流电桥与电桥的供电电源电压E成正比，故对电源稳定性要求很高。与桥臂电阻的阻值比有关。设R2/R1=n，则：与电桥的工作臂的个数有关。工作桥臂数目越多，输出灵敏度越大。输出电压灵敏度：测量电桥2023/2/313直流电桥电桥连接方式

直流电桥的连接方式有单臂半桥、双臂半桥和全桥式。通常为全等臂电桥，即n=1。abcdR1+ΔRR2R3R4I1I2EUo单臂电桥相对灵敏度S1为：单臂半桥输出电压：测量电桥2023/2/314直流电桥电桥连接方式

双臂半桥输出电压：相对灵敏度S2为：全桥输出电压：相对灵敏度S2为：abcdR1+ΔRR3R4I1I2EUo双臂半桥R2-ΔRabcdR1+ΔRI1I2EUo全桥R2-ΔRR3+ΔRR4-ΔR测量电桥2023/2/315交流电桥直流电桥的激励电源为交流电源，四个桥臂均为阻抗，可用于测量电阻、电容和电感的变化。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo~交流电桥的平衡条件：相对臂阻抗乘积相等交流电桥功能上相当于调幅器，输出为调幅波。其后续测量电路应进行解调。测量电桥2023/2/316交流电桥交流电桥使用时的注意事项交流电桥的平衡由两个条件决定，供桥电源的稳定性将影响平衡调节，因此对交流电桥的供桥电源要求较高。电桥的供桥电源一般采用频率范围5～10kHz的音频交流电源。测量电桥2023/2/317放大电路应具有的功能：足够的放大倍数高输入阻抗，低输出阻抗高共模抑制能力低温漂、低噪声、低失调电压和电流信号放大电路主要介绍：典型放大电路电荷放大电路仪表放大电路程控增益放大电路2023/2/318典型放大电路分为直流放大电路和交流放大电路，包括反相放大电路、同相放大电路和差动放大电路，均由集成运算放大器构成。直流放大电路反相放大电路典型放大电路放大倍数为：同相放大电路放大倍数为：2023/2/319直流放大电路差动放大电路典型放大电路放大倍数为：R1+-RFR2R3UcUi1Ui2在差动放大电路中一般取R1=R2，R3=RF，则：假设放大器只有共模信号作用时，有ui1=ui2=uic，则uc=0，可见输出信号中无共模成分。差动放大电路的特点是能有效的抑制共模干扰信号，电路结构简单，但输入阻抗较低（约2R1），增益调节困难。差动放大电路是仪表放大器等放大电路的基础。2023/2/320交流放大电路交流反相放大电路典型放大电路放大倍数为：UiC1C3交流同相放大电路放大倍数为：C3C1Ui2023/2/321电桥放大电路由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。常应用于电参量式传感器。电桥放大电路有单端输入和差动输入两类。典型放大电路单端输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路线性电桥放大电路(a)

反相输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2R3uoab(b)

同相输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoabc图2.32差动输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoab图2.33

线性电桥放大电路

Z1Z2Z3Z4eA+_uoab2023/2/322电荷放大电路的输出电压与输入电荷成比例关系，也称为电荷/电压转换电路。同时也起着阻抗变换的作用，常用于压电传感器的测量电路。电荷放大电路Q传感器电缆运算放大器电荷传感器电容连接电缆的寄生电容电荷放大器的特点：优点：在一定条件下，uy与Q成正比，与Cc无关，采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。缺点：电路复杂，调整困难，价格昂贵。2023/2/323仪表放大电路仪表放大电路是专门精密差分电压的放大器。其特点是：高输入阻抗、低偏置电流、低失调和低漂移、高共模抑制比、平衡的差动输入和单端输出。2023/2/324电路的组成和原理仪表放大电路组成：三个低漂移、低失调运算放大器构成。两极结构： 第一级为两个对称的同相放大器——输入级。第二级是一个差动放大器。电路为上、下对称结构。AB2023/2/325电路的组成和原理仪表放大电路原理：对称同相放大器部分——输入级：当RG为无穷大时，运放A1、A2相当于两个电压跟随器。——提高放大器的输入阻抗差放部分：当R3=R4=Ra，R5=R6=Rb时，

uo=-(Rb/Ra)uAB

=(Rb/Ra)(uB-uA)

放大器增益：Av=-(Rb/Ra)。注意：不通过Rb、Ra调增益。AB2023/2/326电路的组成和原理仪表放大电路原理：增益的调整：当R3=R4=R5=R6，R1=R2=R时， 令ui=u1-u2，则：

uo=-uAB

=-(1+2R/RG)ui放大器增益：

Av=uo/ui=uo/(u1-u2)=-(1+2R/RG)——通过改变RG可改变仪用放大器的闭环增益仪表放大电路的设计及应用仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。

AB2023/2/327程控增益放大电路放大电路的增益调整有手动、自动和程控三种方法。程控增益放大电路是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为可编程增益放大电路，简称PGA。可编程增益放大器一般由放大器、可变反馈电阻网络可控制接口组成。程控放大器与普通放大器的区别在于反馈电路网络可变，且受控于控制接口的输出信号。不同控制信号将产生不同反馈系数，从而改变放大器闭环增益。2023/2/328单运放程控增益放大电路由多路模拟开关AD7501和单运放组成的程控增益放大电路如图。R1A+_R21R3uiuo图2.37

单运放程控增益放大电路A2A1A0COMI0I1I2I77501R21R22R23R28……(2)

仪表放大器程控增益放大电路集成仪表放大器AD620和多路模拟开关AD7502组成的程控增益放大电路如图。图2.38

AD620组成的程控增益放大电路AD620+_uoVEEVCC+_uiA1A0I0I1I2I37502Rg1Rg2Rg3Rg46184532(3)

集成程控增益放大器

集成程控增益放大器是将运算放大电路、电阻网路、模拟开关和译码电路等集成在一起，制成的单片集成电路。如美国国家半导体公司生产的LH0084。程控增益放大电路2023/2/329传感器能将非电量转换成电参量或电量，电参量有电阻、电感、电容、频率和相位等多种形式。电量有电压、电流、电荷等形式。信号转换电路是将各类信号进行相互转换的电路。信号转换电路主要介绍：阻抗与电压的转换电压和电流的相互转换2023/2/330阻抗与电压的转换阻抗/电压变换电路包括将电阻、电感和电容参数转换到电压的信号转换电路。电阻/电压转换电路

电阻/电压转换电路，实际上是一种电阻计，由输出电压值指示电阻值。电阻的测量方法是：让恒定的电流流过未知阻值的电阻Rx，然后测量其两端的电压，求出Rx的阻值。电容/电压转换电路电容检测的方法有两种：一是把电容作为一个阻抗元件，按照电阻与电压转换的方式进行变换；二是利用电容的充放电特性进行变换。运算放大电路法+_图2.40

电容/电压转换电路ARfCfCxCs1Cs2Ruoui2023/2/331阻抗与电压的转换当谐振频率等于电源的频率时，输出最大。谐振电路的输出随电容C变化的曲线如图所示。

电容/电压转换电路谐振电路法图2.41

谐振电路LCxC1(a)uiucLCxC1(b)ucR~e谐振电路法适用于电感系数到电压的转换电路，即自感/电压转换电路。ucCabcd谐振电路的特性曲线电容转换为电压的方法还有脉冲调宽电路法、直流极化电路法和调频电路法等其他方法。

2023/2/332电压和电流的相互转换为了抑制外界干扰，常把传感器输出的电压信号经V/I转换电路转换成具有恒流特性的电流信号输出，然后在接收端再由电流/电压转换还原成电压信号。电压/电流转换电路

电压/电流转换电路(也叫V/I转换器)就是把电压信号转换成满足线性关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源。其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。负载浮地的V/I转换电路简单的V/I转换电路2023/2/333电压/电流转换电路

负载浮地的V/I转换电路输出端加入晶体管驱动的V/I转换电路目的：降低功耗、增大输出电流。负载接地的V/I转换电路负载RL一端接地。当R1=R2，R3=R4+R7时，输出电流：差动输入的V/I转换电路当R1=R3，R2=R4时，输出电流：R为输出采样电阻。电压和电流的相互转换2023/2/334电流/电压转换电路在测试系统中，有一些环节(如记录仪和继电器等)需要用电压信号驱动，而且电流不能直接由A/D转换器转换，因此必须先将其转变成电压信号，然后才能转换。电流/电压转换电路也叫I/V转换器，用于将输入电流信号转换成满足线性关系的电压信号输出。基本转换电路高输入阻抗电路反相输入型uoR3R1R4A+_(b)

同相输入型R2iR2A+_iuo(a)

反相输入型i1R1Rs同相输入型电压和电流的相互转换2023/2/335滤波电路（也称滤波器）就是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。滤波电路的作用：滤除测试系统中由于各种原因引入的噪声和干扰；滤除信号调制过程中的载波等无用信号；用于分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分；对系统的频率特性进行补偿。滤波电路2023/2/336对于一个滤波器，能通过它的频率范围称为该滤波器的频率通带；被它抑制或极大地衰减的频率范围称为频率阻带；通带与阻带的交界点称为截止频率。滤波器的分类滤波电路按处理的信号的形式分类：模拟滤波器数字滤波器按采用的元件分类：有源滤波器无源滤波器按信号选通的频率范围分类：低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按滤波器传递函数的阶次分类：一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器2023/2/337滤波器的基本参数滤波电路增益A0：

指通带内的幅频特性的幅值。0fA(ω)A0d0.707A0fc1fc2B通带截止频率fp：通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截止频率fr:阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。转折频率fc:信号增益下降到(即下降了3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为截止频率。带宽B:B=fc2-fc1，两截止频率之间的频率范围。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。中心频率f0:品质因数Q:Q=f0/B波纹幅度d:绕幅频特性均值A0波动值2023/2/338滤波器的基本参数滤波电路0fA(ω)A00.707A0fc1fc2B倍频程选择性W:表征过渡带幅频特性衰减的快慢程度。指在上截止频率fc2与2fc2之间或下截止频率fc1与(1/2)fc1之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。滤波器因数（矩形系数）λ：滤波器-60dB与-30dB带宽之比。2023/2/339常见滤波器滤波电路模拟滤波器一般用传递函数H(s)表示输入与输出间的传递关系。而频率特性函数H(jω)表示滤波器对在输入正弦信号幅值不变的条件下，输出信号随频率变化的关系。

无源滤波器无源RC低通滤波器

2023/2/340常见滤波器滤波电路无源滤波器无源RC高通滤波器

无源RC带通滤波器

图2.48无源RC带通滤波器及幅频特性(a)ui(t)uo(t)R1C1R2C2(b)A(f)f10

当R2>>R1时，后面的低通滤波器对前面的高通滤波器影响较小，可以忽略两级耦合时的负载效应，无源RC带通滤波器可以看作是低通和高通滤波器的串联，滤波器的传递函数H(s)为：2023/2/341常见滤波器滤波电路有源滤波器有源滤波器一般由集成运算放大器和RC网络组成，RC网络实现滤波作用，集成运算放大器将负载端和滤波网络隔离，可以提高增益和带负载能力。

有源低通滤波器

有源高通滤波器有源带通滤波器2023/2/342调制与解调为什么要进行调制与解调？传感器输出一般是一些缓变且较弱的电信号，无论在放大器选择，还是传输方面都有诸多不便。调制与解调的目的是解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题，提高电路的抗干扰能力、传输能力及有效地提高信噪比。2023/2/343调制与解调调制：就是使一个信号（高频载波）的某些参数（幅值、频率或相位）在另一低频信号（调制信号）的控制下发生变化的过程，输出已调制波。解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程。分类：按被调制信号（载波）形式：连续波调制和脉冲调制。按调制信号的形式：模拟调制和数字调制。按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可分为：2023/2/344调制与解调分类：按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可分为：以简谐信号为载波：调幅（幅值调制AM）载波信号的幅值受调制信号控制调频（频率调制FM）载波信号的频率受调制信号控制调相（相位调制PM）载波信号的相位受调制信号控制2023/2/345调制与解调分类：按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可分为：以脉冲信号为载波：脉幅调制（PAM）：调制脉冲的幅度。当脉冲幅度用一组二进制码表示时称为脉冲编码调制。（PCM）脉宽调制（PDM）：调制脉冲的宽度。脉位调制（PPM）：调制脉冲的重复频率。2023/2/346调制与解调幅度调制与解调幅度调制（调幅）：使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化，输出已调制波的过程。线性调幅时域分析：就是用被测低频缓变信号与高频信号相乘，使载波的幅值随着调制信号而变。2023/2/347调制与解调幅度调制与解调线性调幅频域分析：实现信号的频谱搬移。方法一：方法二：幅度调制2023/2/348调制与解调幅度调制与解调