《傳感器及應(yīng)用》第4章傳感器的信號處理

第4章傳感器的信號處理4.1傳感器信號的預(yù)處理4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換4.1傳感器信號的預(yù)處理4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成1.傳感器輸出信號的特點(diǎn)由于上述特點(diǎn)，再加上傳感器在使用時所處環(huán)境因素的影響，就完全有可能影響甚至破壞傳感器及其測量系統(tǒng)的正常工作。因此需要對信號進(jìn)行處理。信號處理部分常常分為兩個步驟，即在對信號加工之前進(jìn)行預(yù)處理。在進(jìn)行預(yù)處理時，要根據(jù)實(shí)際情況利用濾波、阻抗變化等手段將信號分離出來進(jìn)行放大。當(dāng)信號足夠大時，就可作信號的運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較、取樣保持等不同的加工了。最后，一般要經(jīng)過放大才能驅(qū)動負(fù)載，或者經(jīng)過模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換才能輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)按一定的處理要求對信號進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路系統(tǒng)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的器件是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器，也稱ADC)。下一頁返回4.1傳感器信號的預(yù)處理2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由放大器、濾波器等在內(nèi)的信號調(diào)理電路、多路模擬開關(guān)、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及接口電路和控制邏輯電路所組成，根據(jù)它們在電路中的位置，可分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結(jié)構(gòu)四種配置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型構(gòu)成形式如圖4-1所示。4.1.2傳感器信號的預(yù)處理方法根據(jù)傳感器的輸出信號特點(diǎn)，傳感器的輸出信號不能直接作為進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的輸入量，必須通過各種預(yù)處理電路將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號。將信號的這一轉(zhuǎn)換稱為預(yù)處理。常用的傳感器信號預(yù)處理方法有以下幾種。上一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.2.1儀表放大器及選擇經(jīng)預(yù)處理后的信號，要送至A/D轉(zhuǎn)換器或其他顯示記錄裝置。傳感器信號的特點(diǎn)是電平差別很大，且疊加有很高的、來自工業(yè)現(xiàn)場的共模噪聲。因此對這些緩變、微弱的信號不僅要進(jìn)行放大，而且必須采用低噪聲、低漂移、輸入阻抗高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的直流放大器。由于一般運(yùn)算放大器輸入阻抗太低，共模抑制能力受外部電阻適配精度所限，不能在精密測量中應(yīng)用。因此在檢測中常用調(diào)制型或隔離型直流放大器及專門設(shè)計(jì)的測量放大器。1.儀表放大器（IA）儀表放大器又稱測量放大器。它通常由三個運(yùn)算放大器、、組成，如圖4-2所示電路，其中，、組成具有對稱結(jié)構(gòu)的差動輸入輸出級，差模增益為n+1，而共模下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇增益僅為1。將的差動輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。的共模抑制精度取決于四個R3的匹配精度，通用IA的輸出電壓為式、—IA的兩個輸入端差動輸入信號。2.IA的技術(shù)指標(biāo)儀表放大器最重要的技術(shù)指標(biāo)有:非線性度、偏置漂移、建立時間以及共模抑制比等。這些指標(biāo)均為增益的放大器的函數(shù)。儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高、共模抑制比高、噪聲低、穩(wěn)定好，它主要用于微弱信號的精確測量。上一頁下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇3.儀表放大器的選擇儀表放大器應(yīng)具有如下性能要求:(1)低噪聲采用低噪聲放大器件并采取有效的較小噪聲措施，以免測量信號被淹沒在噪聲中。

(2)高穩(wěn)定性低漂移、減小溫度漂移、防止自激振蕩等。

(3)高抗干擾性能放大器的前級最易受干擾，要盡量縮短導(dǎo)線影響，采用調(diào)制的方法和妥善的屏蔽措施等。

(4)高輸入阻抗由于傳感器輸出信號很微弱，要求放大器的接人盡可能強(qiáng)化傳感器的功能，特別是當(dāng)傳感器輸出阻抗很高時，更要求放大器有高輸入阻抗。

(5)高共模抑制比一方面由于被測量本身(錐度)是差模信號，另一方面由于許多干擾為共模干擾，因此高共模抑制比有利于提高抗干擾性能。上一頁下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇(6)高線性度在較大量程內(nèi)有良好的線性。

(7)適宜的頻率特性為使放大后的信號不失真，要求它有寬頻帶。為抑制某些干擾，又要求它有合適的頻帶。

4.2.2A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)

如上節(jié)所述，A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將傳感器接口電路預(yù)處理過的模擬信號轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號，并輸入到計(jì)算機(jī)中去。1.ADC的主要類型按ADC的轉(zhuǎn)換方式，可分為比較型和積分型兩大類，其中常用的是逐次逼近型、雙積分型和V/F變換型。2.ADC的性能指標(biāo)

(1)分辨率分辨率是指的N位ADC的分辨率為粵。ADC對微小輸入量變化的敏感度，輸入滿量程，模擬電壓為呱上一頁下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

(2)精度精度可分為絕對精度和相對精度。絕對精度是指對應(yīng)于一個給定的數(shù)字量，模擬量輸入實(shí)際值與理論值之差。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。相對精度又稱相對誤差，是指絕對誤差與滿刻度值的百分比。由于單位輸入滿刻度值可根據(jù)需要設(shè)定，因此，相對誤差也常用ISB表示。

(3)轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指從模擬量輸入到數(shù)字輸出，完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長時間。對大多數(shù)ADC來說，轉(zhuǎn)換時間就是轉(zhuǎn)換頻率(轉(zhuǎn)換的時鐘頻率)的倒數(shù)。

3.ADC的選擇原則目前所生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器具有模塊化、與計(jì)算機(jī)總線兼容等特點(diǎn)。使用者不必深入了解它的結(jié)構(gòu)原理，只需掌握A/D轉(zhuǎn)換器的外特性并正確選擇即可。從使用的角度看，A/D轉(zhuǎn)換器的外特性包括:模擬信號輸入部分;數(shù)字信號并行上一頁返回下一頁4.2儀表放大器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇輸出部分;啟動轉(zhuǎn)換的外部控制信號;轉(zhuǎn)換完畢后由轉(zhuǎn)換器發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號等。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時，除需要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，必須還要注意以下幾點(diǎn):數(shù)字輸出的方式;對啟動信號、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的接口要求;轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換式中、轉(zhuǎn)換時間;穩(wěn)定性及抗干擾能力等。返回上一頁4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換4.3.1傳感器信號的非線性校正在自動檢測系統(tǒng)中，利用傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成電量時，大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測量之間的關(guān)系并非線性關(guān)系。造成非線性的原因很多，主要有:目前，由于數(shù)字顯示技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及對測量范圍和測量精度要求的不斷提高，非線性校正就顯得更為現(xiàn)實(shí)與迫切。為了減小或消除非線性誤差，必須采用一些非線性校正電路，這些非線性校正電路是利用許多折線逼近所需補(bǔ)償特性曲線，只要折線段足夠多，就能以足夠高的精度構(gòu)造出任何形狀的補(bǔ)償特性。對于一些有規(guī)律的非線性關(guān)系，如開方、乘方、倒數(shù)、指數(shù)和對數(shù)特性，可以采用相應(yīng)的運(yùn)算電路進(jìn)行線性化處理。因此，下面介紹的主要是指無法用一般數(shù)學(xué)下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換表達(dá)式描述的非線性校正電路。

1.校正曲線的求取當(dāng)已知變換器的輸出特性時，可以求出相應(yīng)的校正特性。一個簡單的處理方法，就是先把校正環(huán)節(jié)的電壓增益看作是1，在已知的非線性的最大、最小值之間連一條直線;然后以此直線為對稱軸，作非線性特性的鏡像，則鏡像為所需的校正特性。如圖4-3所示。

圖4-4所示為一種斜率提升的校正電路，它是由反相放大器構(gòu)成的，當(dāng)VD,,VDZ均不通時，閉環(huán)放大器是一個負(fù)反饋放大器，隨著u;的增大，輸出電壓u。反饋增大，VD，導(dǎo)通，電路將引入正反饋，其結(jié)果使放大倍數(shù)提高。當(dāng)VDZ導(dǎo)通時，正反饋?zhàn)饔眉訌?qiáng)，放大倍數(shù)進(jìn)一步提高。因而u;-u。特性是一條斜率提升曲線，在圖中縱坐標(biāo)表示輸出電壓絕對值大小。其余校正電路可參閱有關(guān)書籍。上一頁下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換3.數(shù)字量的非線性校正非線性校正裝置也可以放置在A/D轉(zhuǎn)換之后，過去這些數(shù)字量的線性化，都是采用硬件處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，硬件處理的一種方法是采用非線性A/D轉(zhuǎn)換器，它是利用A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換機(jī)理有意識地造成其某種非線性，以補(bǔ)償傳感器的非線性。目前，已有集成化產(chǎn)品，它結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換精度高，使用方便。4.3.2標(biāo)度變換在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，各參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值。如用熱電偶測溫，溫度單位為oC，但不同熱電偶輸出電動勢不同，分度號為S的熱電偶在16000C時為16.716mV，分度號為K的熱電偶在12000C時為48.087My;又如測量壓力的彈性元件一膜片、膜盒以及彈簧管等，其壓力范圍上一頁下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標(biāo)度變換從正負(fù)幾帕到幾十甚至幾百兆帕。這些量綱不同、滿度電壓值也