检测与转换技术第五章光纤传感器第六章信号的放大技术

第五章光纤传感器5.2光纤传感器光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。5.2.1基础知识1、光纤结构纤芯包层涂覆层护套

光纤通常由纤芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。涂敷层起隔离杂光的作用。外套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。

2.光纤传光原理

1)斯乃尔定理（Snell'sLaw）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。

n1n2θrθi

(a)光的折射示意图

可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为

n1sinθi=n2sinθrθi0=arcsin(n2/n1)

sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1n1n2θrθi

(b)临界状态示意图

当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有式中：θi0——临界角当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。n1n2θrθi

(c)光全反射示意图2)光纤导光原理全反射，则外介质为空气时，

3光纤特性参数：1）数值孔径以入射角小于θi0进入光纤的光线将形成全反射被引导至光纤输出端，并以近似等于入射角的角度射出。θi0称为临界角，2θi0为接受角，处于接受角之外的光线均被包层吸收而损失掉。sinθi0定义为光纤的数值孔径，用NA表示，它反映纤芯接收光量的多少，是光纤的一个重要参数。当θr2<90º时,sinθi>NA,θi>arcsin(NA),光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播。

当θr2=90º时当θr2>90º时，光线发生全反射，则sinθi0=NAθi0=arcsin(NA)θi<θi0=arcsin(NA)2）传播损耗由于光纤纤芯材料吸收、散射、以及光纤弯曲处的辐射损耗影响，光信号在光纤中的传输不可避免的要发生损耗（如同电流在导线中传输）。α为损耗率，表示光由光纤的一端传递到另一端时产生损耗的速率，通常用每km引起光功率损耗的分贝数表示。(dB/km)式中α－光线损耗Pi、Po－分别为光纤输入输出功率光纤传播损耗分类吸收损耗：

与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗：由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。辐射损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。大部分光纤传感器所用光纤一般不足4m，短者只有数毫米，因此传感器用光纤，尤其是敏感元件用特殊光纤可放宽传输损耗要求，一般传输损耗<10dB/Km的光纤均可采用，可降低成本。3）带宽如果保证光纤的输入光功率信号大小不变，随着入射光信号频率的增加，光纤的输出光功率信号会逐渐下降，即光纤对输入信号的频率有一定的响应特性，称为带宽，用带宽系数表示，定义为：一千米长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值的一半时，对用的入射光信号的频率。由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为3dB光带宽。即光功率信号衰减3dB时,输出光功率信号减少一半。

4）色散当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽作用，即光纤存在着色散。单模光纤：材料色散、波导色散多模光纤：模式色散：一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：

模式色散>材料色散>波导色散

材料色散：

材料的折射率随光波长度的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的传播速度不同而引起的色散。波导色散：

由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起色散。多模色散：

在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。4.光纤分类按传播模式种类来分单模光纤多模光纤只能传送一种模式、完全避免模态色散频带宽、容量大、传输性能好纤芯直径小8-10μm制造、连接、耦合困难纤芯直径较大传播模式较多模态色散，带宽较窄、容量小制造容易，耦合容易传播模式即光沿着光纤传播的途径和方式。5.2.2光纤传感器结构及类型1.光纤传感器结构光是一种电磁波，它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A：电场E的振幅；ω：光波的振动频率φ：光相位；t：光的传播时间被测量调制：光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。2.光纤传感器类型

（1）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为非功能型、功能型和拾光型三大类。

1）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤

2）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

例子：光纤陀螺、光纤水听器等。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器3）拾光型光纤传感器

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。

典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象（2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。

1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。内调制：发生在光纤内部，是通过光纤本身特性改变来实现光强度的调制；即光纤既是光的传导媒质，又是光的敏感元件，称之为功能型光纤传感器外调制：调制过程发生在光纤之外的环节，此时光纤只作传光媒质，称为非功能型光纤传感器光纤微弯曲位移（压力）传感器①功能型：通过改变光纤外形、折射率差、吸收特性等方式使光强变化。当光纤受微弯板作用产生弯曲时，使原沿纤芯轴线传输的传导模中的一部分泄漏到包层中，成为辐射模，使纤芯中的传导模减少。作用力越大，光纤微弯程度增加，纤芯的传导模损耗越大，从而实现对传导光波强度的调制。②非功能性：通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。光反射依靠折射率变化测液位：光传输2）偏振调制光纤传感器

偏振调制采用单模光纤。利用外界因素改变单模光纤中偏振光的偏振状态，偏振调制的机理有电光效应、磁光效应和弹光效应。应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：电光效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。自然光：在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布。可用相互垂直的光振动描述自然光。光波是一种横波：光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向v垂直。如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动，这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。偏振态调制型光纤传感器根据光波振动方向的分布和变化规律，又分为部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。.....起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化.偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.两偏振片的偏振化方向相互垂直光强为零偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器检偏器....自然光线偏振光.....检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器.....自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变检偏器偏振态调制型光纤传感器3）频率调制光纤传感器

一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行检测的传感器。光波频率调制是通过光学多普勒效应实现的。此时光纤只起传光作用，属非功能型。

光学多普勒效应：当光源和光探测器都不动时，光源发出的频率为fo的光波，经过运动体散射或反射后，由探测器接收到的光波频率fs发生变化。

多普勒频移：多普勒效应引起的光波频率变化量Δf4）相位调制传感器利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化。

光波的相位由光波长λo(真空)、介质折射率n及介质长度L决定。当光纤受到被测对象的作用而引起结构尺才的变化和内应力的变化时，将导致纤芯的折射率n或光纤的长度L发生变化，从而实现光波的相位调制。干涉测量方法

干涉测量是把光波相位变化转换为光波强度变化的测量方法。两相干光束干涉后的光强度为式中A——干涉光强度；A1、A2——两相干光强度；

——两相干光的相位差。在干涉测量时，通常取一相干光为参考，另一相干光感受被测对象的调制，调制后光相位的变化引起两相干光相位差发生变化，导致干涉光强度A的变化。通过对干涉光强度的测量，实现对两相干光相位差的测量，达到对被测对象的检测。陀螺仪（gyroscope）作为一种主要的惯性敏感器件，用于测量运载体的角速度，是构成惯性系统的基础核心器件，是决定其性能的关键。光纤陀螺(FOG)是一种基于Sagnac原理的光纤角速度传感器，与传统的陀螺相比，它内部没有机械旋转元件，工作启动时间短，稳定性好，寿命长，动态范围宽，质量轻，易于微型化，保持着较高的性价比。5.2.3光纤传感器的应用--光纤陀螺陀螺——惯性导航的关键部件MechanicalGyroMechanicalGyro

FOG的应用——军事领域

FOG的应用——军事领域惯性导航系统/全球定位系统（INS/GPS）环形激光陀螺导航系统。

FOG的应用——民用领域LCR-92µ-AHRS

AttitudeandHeadingReferenceSystem

FOG的应用——民用领域CameraStabilizerforHelicopter(JAE)1.Sagnac效应

萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。(a)系统静止(b)系统旋转(a)系统静止；(b)系统旋转如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为如(b)所示，旋转条件下，传输时间差传输光程差传输相位差(a)系统静止(b)系统旋转2.光纤陀螺实现原理

光纤陀螺本质上是一个环形干涉仪，通过采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。其实现原理如图所示。

光纤陀螺实现原理图3.光纤陀螺结构

右图给出数字闭环光纤陀螺结构示意图。系统采用偏置调制提高信号检测灵敏度；采用闭环控制降低光电检测器工作范围，提高检测精度。数字闭环光纤陀螺结构图

光纤陀螺的主要参数有标度因数非线性度、标度因数重复性、零偏稳定性、零偏重复性，随机游走系数等，在国军标“光纤陀螺测试方法”(GJB2426—95)中对这几项参数都有明确的定义。1.标度因数K(scalefactor)

陀螺仪输出量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。它是用某一特定直线的斜率表示，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求得。4.光纤陀螺的性能评价标度因数的稳定性及线性度直接影响测量值的精确性。战略级精密光纤陀螺的标度因数稳定性应≤1×106。2.标度因数非线性度Kn(scalefactornonlinearity)

在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差与最大输出量之比。3.标度因数重复性Kr(scalefactorrepeatability)

在同样条件下及规定间隔时间内，重复测量陀螺仪标度因数之间的一致程度。以各次测试所得标度因数的标准偏差与其平均值之比表示。4.零偏B(bias)

当输入角速度为零时，陀螺仪的输出量。以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速率表示。5.零偏稳定性Bs(biasstability)

当输入角速率为零时，衡量陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差的等效输入角速率表示，也可称为零漂。6.零偏重复性Br(bias)

在同样条件下及规定间隔时问内，重复测量陀螺零偏之间的一致程度。以各次测试所得零偏的标准偏差表示。7.随机游走系数RWC(randomwalkcoefficient)

由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系数。单位为。随机游走的主要误差源是光源输出功率振荡、探测器及信号处理电路的噪声引起的相对亮度噪声，散粒噪声、探测器、放大器及电路噪声，D／A噪声等。5.2.4光纤传感器的应用：光纤位移传感器透射式反射式光纤温度传感器反射式相位变化振幅变化光纤压力传感器相位调制偏振态调制强度调制反射型强度调制光纤加速度传感器加速度有各种形式．如直线加速度，曲线加速度及振动加速度等。光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度。当低频振动时，Δx与惯性力成比例．即与物体的振动加速度成比例。当振动频率提高到振动子的固有振动频率时，产生共振。这时距离x与加速度不存在比例关系。如果振动频率再进一步提高．重物就停止振动，呈现相对静止状态。只有位移。易燃易爆场合控制室光纤各类油罐参数检测压力容器参数检测核工业环境参数检测煤矿中CH4等参数检测高电压、强磁场场合控制室光纤高压变压器高压电动机强电磁干扰电气设备微波设备实时在线检测取样送检样品光谱仪被测物传统光谱仪物质成分检测光纤光纤光谱仪被测物光纤光谱仪物质成分检测光纤转速传感器非接触测量方式LEDPIN光纤点式光纤液位控制器适用于高、低液位报警密封加油控制LEDPIN液体LEDPIN液体光纤液位控制器光纤温度传感器LEDPINn1n2n2'随温度变化n2'折光型光纤高温温度传感器PIN1PIN2滤波器1智能仪表滤波器2光纤高温炉黑体辐射腔蓝宝石光纤光谱型光纤气体成分传感器R,θ光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器混气室N2O2流量计光纤光谱传感器光源出口待测气体white室探测器信号处理分布式检测时域变换技术传统分布测量检测仪表S1S2S3Sn电缆OTDR技术用于分布检测光纤S1T1S2T2S3T3SnTn分布式检测时域变换技术OTDR(OpticalTimeDomainReflectmeter)光时域反射仪光纤多点测温传感器光纤温度报警器第6章信号放大技术6.1信号的干扰与噪声6.1.1基本概念1.干扰与噪声什么是噪声？什么是信噪比？有用信号功率PS与噪声功率PN

之比，或有用信号电压US与噪声电压UN

之比。

S/N=10lg(PS/PN)=20lg(US/UN)（dB）测量中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。2、噪声源及干扰源

(1)机械干扰

机械振动或冲击使电子元件发生震动，改变系统的电气参数而造成的影响。处理办法：选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。

橡胶海绵软垫橡胶垫脚及弹簧

频率、振幅均可调节

将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅下，产品指标是否变化。固定振动试验台(2)湿度及化学干扰用绝缘漆浸渍过的控制变压器浸漆可防止水分进入线圈内部湿度增加到大于65%

物体表面附着厚度为0.01~0.1um水膜渗入材料内部

降低绝缘强度

漏电、击穿和短路潮湿加速金属材料腐蚀原电池化学干扰电压高温度潮湿

使霉菌生长

引起有机材料霉烂某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象。保护措施：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。仪器设备的防潮试验（续）“步入式”恒温恒湿房（参考江苏省计量测试技术研究所资料）

体积：25m3

，温度调节范围：（-40～+80）℃，湿度调节范围：（30～90）%RH

可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、交变湿热试验。(3)热干扰

热量、温度波动、不均匀温度场对检测装置干扰体现在以下几个方面：

元件参数的变化（温漂）；接触热电势干扰；寿命和耐压等级降低。克服热干扰的防护措施：

低温漂元件；软、硬件温度补偿措施；低功耗、低发热元件；仪器前置输入级远离发热元件；加强散热、采用热屏蔽等。

（4）

固有噪声干扰固有噪声：电路中，电子元件本身产生的具有随机性、宽频带的噪声。固有噪声源：电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。

固有噪声体现：从喇叭或耳机中反映出来；更多反映在输出电压的无规律跳变上。（五）电、磁噪声干扰

电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场。

电磁干扰的来源：

电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源。

自然界干扰源：地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱30MHz以下，对检测系统的影响较大。

人为干扰源：有意发射干扰源和无意发射干扰源。

X光机产生大功率高频干扰

闪电产生电磁场干扰雷达会产生大功率高频干扰

变电站会产生50Hz的高次谐波干扰电吹风机干扰电视机的演示

两种途径：

通过共用的电源插座；以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收。3.干扰的传导模式串模干扰(差模干扰)是指叠加在被测信号上的噪声电压。串模干扰信号与被测信号在检测回路中所处的地位相同，两者相加作为输入信号，干扰了系统真正需要检测的输入信号值。

共模干扰

是两个信号端相对参考点所共有的。被测信号的参考地和检测系统的参考地之间往往存在一定的电位差，这个电位差反映在两个信号输入端A和B上是两个大小相等，极性相同信号，这种信号称为共模干扰。4.干扰噪声耦合方式耦合是指信号由第一级向第二级传递的过程，一般不加注明时往往是指交流耦合。传导耦合：在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁干扰通过连接电路从干扰源传输电磁干扰至敏感设备。辐射耦合：电磁干扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，干扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射。传导耦合(+)辐射耦合例如

传输线的辐射/辐射源的传输线响应

电磁骚扰的耦合途径分类电磁干扰耦合模型

C：电容耦合

L：电感耦合

Z：共阻抗耦合

NC：近场耦合

FR：远场辐射电容耦合：又称电场耦合或静电耦合，指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应。是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式，使得一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一个电路。在上述情况，两电路都必须连接参考地，这样耦合路径才能完整。但是如果电路未接地，并不意味着没有耦合通路，未接地电路与地之间存在杂散电容，该电容与直接耦合电容串联。互感耦合：又称磁场耦合。是由两电路间的磁场相互作用所引起的。两个电路存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。值得注意是两个电路之间有无直接连接对耦合没有影响。无论两个电路对地是隔离还是连接的，感应电压都是相同的。公共阻抗耦合：发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声。常见的公共阻抗有公共地阻抗和电源阻抗两种。6.1.2干扰与噪声的抑制技术噪声传播三要素：干扰源，干扰传输通道和对干扰敏感的接收电路。抑制干扰的措施：**消除或抑制干扰源：**切断干扰传递途径：**削弱接收电路对干扰的敏感性：

屏蔽的目的是隔断场的耦合，即抑制场的干扰。屏蔽的种类：静电屏蔽，电磁屏蔽，磁屏蔽。1.静电屏蔽在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。利用金属导体的这一性质，并加上接地措施，则静电场的电力线应在接地金属导体处中断，从而起到隔离电场的作用。用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。2.电磁屏蔽--防止高频电磁场的干扰采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电磁场在屏蔽金属内部产生电涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而达到屏蔽的效果。屏蔽的结构形式：屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等屏蔽。3.磁屏蔽利用高导磁材料作屏蔽层，将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体内，防止低频磁通干扰。选材：低磁通、高磁导率的铁磁材料。为提高效果采用多层屏蔽：第一层：用低导磁率的铁磁材料，使场强降低；第二层：用高导磁率的铁磁材料，发挥屏蔽作用。6.1.3接地技术1.”地”的种类信号地：是指信号的大小及极性的参考点位。系统地：是指系统中电流的公共回路和电压0位参考点。机壳地：是指机壳的电位值。大地：是指地球，也是绝对零位电位点。地：在一个电路或系统中用作电压参考的点或等位面接地两种含义:连接到系统基准地（接虚地）;

连接到大地（接实地）。用途上分：抑制干扰接地;安全接地。2.接地方式（1）单点、多点接地（2）混合接地6.2仪用放大器和隔离放大器6.2.1运算放大器应用基础1.集成运算放大器集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，一般由四部分组成。左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图从实物外形图上可看出，μA741集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：1μA7412876543空脚正电源端输出端调零端调零端反相输入端同相输入端负电源端集成运放的电路图符号∞＋＋－U0U+U-同相输入反相输入∞＋＋－+12V输出6513724-12V调零电位器外部接线图（1）理想运算放大器的三个基本特性：①输入的偏置电流为零；②开环差动电压增益为无穷大；很大:104~107③差动输入阻抗为无穷大。几十k

几百k

（2）理想运算放大器电路的两条设计定则：①理想运算放大器两个输入端之间的电压为零(等电位点)；“虚短”

u+－u-

②理想运算放大器两个输入端都没有电流流入或流出。“虚断”

i+=i-

（3）技术指标①开环增益：在标准的电源电压和规定的负载电阻条件下，放大器开环时输出电压与输入电压之比。②输入失调电压：输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，而施加在输入端的补偿电压叫输入失调电压。③输入偏置电流：当输出电压为零时，流入放大器两个输入端的电流平均值即为输入偏置电流输入失调电流：是指在上述情况下二个输入端电流的差值。④温度漂移：放大器的温漂主要由输入失调电压和输入失调电流引起，输入失调电压温漂是对集成运放电压漂移特性的度量输入失调电流温漂是对放大器电流漂移的度量。⑤最大差模输入电压：放大器的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。⑥最大共模输入电压：超过值，将导致运放共模抑制比显著下降。⑦差模输入电阻：运放开环时，两个输入端差模电压的变化量与由它所引起的电流变化量之比，称为差模输入电阻，其值一般在几十千欧到几十兆欧左右。⑧开环输出电阻。运放开环时，其输出级输出电阻，表示运放的负载驱动能力。⑨全功率带宽。在正弦电压作用下，如运放接成单位增益，且处于全功率输出状态，这是继续增加正弦电压频率，当输出信号失真到规定值时对应的正弦频率为全功率带度，用表示。（4）理想运算放大器及其分析依据1、理想运算放大器

Au

，CMRR

，rid

，ro02、电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)-Uo(sat)ud=u+－u-

uo线性区非线性区线性区：uo

=Au（u+－

u－

）非线性区：u+>u－

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u－

时，uo

=－Uo(sat)

3、理想运放工作在线性区的特点∵uo

=Auo（u+－

u－

）∴①差模输入电压约等于0

即u+=u－

称“虚短”②输入电流约等于0

即i+=i－

0称“虚断”

电压传输特性

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou-。u+i+i-+Uo(sat)-Uo(sat)线性区ud=u+－u－

uo4、理想运放工作在非线性区的特点①输出只有两种可能+Uo(sat)或－Uo(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u－

时，uo

=

－Uo(sat)

不存在“虚短”现象

②i+=i－

0仍存在“虚断”现象电压传输特性

+Uo(sat)-Uo(sat)非线性区ud

=u+－u－

uo2.常用运算放大器反向放大器结论：

Af为负值，即uo与ui极性相反。∵ui加在反相输入端。

Af

只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。

|Af

|可大于1，也可等于1或小于1。∵

u-=u+=0，∴反相输入端“虚地”。uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––2.常用运算放大器同向放大器结论：①Af为正值，即

uo与ui极性相同。∵ui

加在同相输入端。②Af只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。

Af≥1，不能小于1。④u-=u+≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1加法器反相加法运算++∞...ui2