自動(dòng)檢測技術(shù)第12章-檢測裝置的信號(hào)處理技術(shù)課件

1、 第一節(jié) 信號(hào)的放大與隔離第二節(jié) 信號(hào)在傳輸過程中的變換技術(shù)第三節(jié) 信號(hào)的非線性補(bǔ)償技術(shù)第十二章 檢測裝置的信號(hào)處理技術(shù) 在檢測系統(tǒng)中，被測的非電信號(hào)經(jīng)傳感器后可變換為電信號(hào)，如電壓、電流、電阻等。但傳感器輸出的電信號(hào)往往很微弱且輸出阻抗高，輸出信號(hào)在包含被測信號(hào)的同時(shí)，又不可避免地被噪聲所污染。 檢測裝置的信號(hào)處理是比較復(fù)雜的，它包括微弱信號(hào)的放大、濾波、隔離、標(biāo)準(zhǔn)化輸出、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等。 本章介紹信號(hào)的放大與隔離、信號(hào)的變換、線性化等比較重要的處理技術(shù)。第一節(jié)信號(hào)的放大與隔離 目前的放大電路幾乎都采用運(yùn)算放大器，由于其輸入阻抗高，增益大，可靠性高，價(jià)格低廉，使用

2、方便，因而得到廣泛應(yīng)用。一、運(yùn)算放大器1、反相放大器用運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相放大器電路如圖所示。根據(jù)“虛地” 原理，即，反相放大器的傳遞函數(shù)和放大倍數(shù)分別為：2、同相放大器采用同相放大器電路，可以得到較高的輸入阻抗。根據(jù)“虛地原理”，同相放大器的放大倍數(shù)為：二、測量放大器1、測量放大器的特點(diǎn) 運(yùn)算放大器對微弱信號(hào)的放大，僅適用于信號(hào)回路不受干擾的情況。然而，傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器的兩個(gè)輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，有時(shí)是完全相同的，完全相同的干擾信號(hào)稱為共模干擾。簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結(jié)構(gòu)的不對稱，抵御共模干擾的能力很差。因此，需要引入另一種形式的放大器，即測量

3、放大器，又稱儀用放大器、數(shù)據(jù)放大器，它廣泛用于傳感器的信號(hào)放大，特別是微弱信號(hào)及具有較大共模干擾的場合。 測量放大器除了對低電平信號(hào)進(jìn)行線性放大外，還擔(dān)負(fù)著阻抗匹配和抗共模干擾的任務(wù)，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點(diǎn)。2、測量放大器的組成測量放大器的基本電路如圖所示。由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中、兩個(gè)同相放大器組成前級(jí)，為對稱結(jié)構(gòu)。差動(dòng)放大器為后級(jí)。測量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計(jì)算：AD521的管腳功能與基本接法如圖所示。3、實(shí)用測量放大器（1）AD521放大倍數(shù)為：（1）AD522AD522的管腳功能如圖所示。AD522的典型電路如圖

4、所示。三、程控測量放大器 可編程增益放大器 （），它是通用性很強(qiáng)的放大器，其特點(diǎn)是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過編程進(jìn)行控制，使轉(zhuǎn)換器滿量程信號(hào)達(dá)到均一化。1、程控測量放大器原理結(jié)構(gòu)圖12-7為程控測量放大器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖12-8為實(shí)際的程控測量放大器原理圖。2、程控測量放大器的應(yīng)用智能化數(shù)字電壓圖12-9是具有量程自動(dòng)切換的數(shù)字電壓表原理圖。表中采用程控放大器和微處理器，可以很容易實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換。設(shè)的增益為、三檔。轉(zhuǎn)換器為位雙積分式。用軟件實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換的框圖如圖12-10所示。四、隔離放大器對于模擬量信號(hào)的隔離，廣泛采用隔離放大器。隔離放大器按原理分有兩種類型，一種是按變壓器耦合

5、的方式，另一種是利用線性光電耦合器再加相應(yīng)的補(bǔ)償?shù)姆绞健５诙?jié)信號(hào)在傳輸過程中的變換技術(shù) 目前，世界各國均采用直流信號(hào)作為統(tǒng)一信號(hào)，并將直流電壓和直流電流或作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 采用直流信號(hào)作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與交流信號(hào)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：在信號(hào)傳輸線中，直流不受交流感應(yīng)的影響，干擾問題易于解決；直流不受傳輸線路的電感、電容及負(fù)荷性質(zhì)的影響，不存在相位移問題，使接線簡單；直流信號(hào)便于轉(zhuǎn)換，因而巡回檢測系統(tǒng)都是以直流信號(hào)作為輸入信號(hào)。一、信號(hào)在傳輸過程中變換的意義二、常用的信號(hào)變換方法 變換器的作用是將電壓變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。圖12-13和圖12-4所示的就是一個(gè)及42變換的典型電路。第三節(jié)信號(hào)的非

6、線性補(bǔ)償技術(shù) 在模擬量自動(dòng)檢測系統(tǒng)中，一般采用三種方法非線性補(bǔ)償：縮小測量范圍，并取近似值；采用非線性的指示刻度；增加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)（亦稱線性化器）。增加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的方法有：硬件電路的補(bǔ)償方法。微機(jī)軟件的補(bǔ)償方法，利用微機(jī)的運(yùn)算功能可以很方便地對一個(gè)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。一、非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性的獲取方法1、解析計(jì)算法設(shè)圖12-16中所示的傳感器特性解析式為：放大器特性解析式為：要求整個(gè)檢測儀表的輸入與輸出特性為：三式聯(lián)立求解消去中間變量和可得：2、圖解法 當(dāng)傳感器等環(huán)節(jié)的非線性特性用解析式表示比較復(fù)雜或比較困難時(shí)，可用圖解法求取非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性曲線。二、非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)

7、的實(shí)現(xiàn)方法1、硬件電路實(shí)現(xiàn)方法 常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得到非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線。折線逼近法如圖12-18所示，將非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用若干個(gè)有限的線段代替，然后根據(jù)各折點(diǎn)xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計(jì)電路。可以看出，轉(zhuǎn)折點(diǎn)越多，折線越逼近曲線，精度也越高，但太多則會(huì)因電路本身誤差而影響精度。圖12-19是一個(gè)最簡單的折點(diǎn)電路圖12-20為精密折點(diǎn)單元電路二、微機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)方法1、線性插值法 用實(shí)驗(yàn)測出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進(jìn)行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。

8、假如傳感器的特性曲線曲率大，可以將該曲線分段插值，把每段曲線用直線近似，即用折線逼近整個(gè)曲線。這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對應(yīng)的輸出值。圖12-21所示是用三段直線逼近傳感器等器件的非線性曲線。圖中是被測量，是測量數(shù)據(jù)。 由于每條直線段的二個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)是已知的，例如圖中直線段的兩端點(diǎn)（，）和（，）是已知的，因此該直線段的斜率可表示為：該直線段上的各點(diǎn)滿足下列方程式：對于折線中任一直線段可以得到： 在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)先把每段直線方程的常數(shù)及測量數(shù)據(jù)存于內(nèi)存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在進(jìn)行校正時(shí)，首先根據(jù)測量值的大小，找到合適的校正直線段，從存儲(chǔ)器中取出該直線段的常數(shù)，通過計(jì)算獲得實(shí)際被測量。線性插值法的程序流程圖2、二次曲線插值法 二次曲線插值法就是用拋物線代替原來的曲線，結(jié)果比線性插值法更精確。二次曲線插值法的分段插值如圖12-23所示，圖示曲線可劃分為、三段，每段可用一個(gè)二次曲線方程來描述，即：式中每段的系數(shù)可通過下述辦法獲得。即在每段中找出任意三點(diǎn)，如圖中的，其對應(yīng)的值為，然后解聯(lián)立方程：圖12-24為二次