第11章 傳感器輸出信號的處理技術 2

第11章傳感器輸出信號的處理技術2/3/20231學習目的掌握傳感器輸出信號的形式掌握常用典型傳感器接口電路了解干擾的來源與抗干擾技術2/3/2023211.1傳感器輸出信號的特點11.2傳感器輸出信號的檢測電路11.3輸出信號的干擾及控制技術本章小結復習思考題主要內(nèi)容返回主目錄2/3/20233傳感器使用時需與專用的測量電路有效結合才能發(fā)揮其功能，理想的傳感器電路不僅能使其正常工作，還能在一定程度上克服傳感器本身的不足，擴展其功能，使傳感器的功能得到充分的發(fā)揮。同時，為使傳感器的輸出信號能用于儀器、儀表的顯示或控制，往往要對輸出信號進行必要的加工處理。2/3/2023411．1傳感器輸出信號的特點11.1.1傳感器輸出信號的形式由于傳感器種類繁多，傳感器的輸出形式也是各式各樣的。例如，盡管同是溫度傳感器，熱電偶隨溫度變化輸出的是不同的電壓，熱敏電阻隨溫度變化輸出的是不同的電阻，而雙金屬溫度傳感器則隨溫度變化輸出開關信號。表11-1列出了傳感器輸出信號的一般形式。2/3/20235表11-1傳感器的輸出信號形式2/3/2023611.1.2傳感器輸出信號的特點①傳感器輸出的信號類型有電壓、電流、電阻、電容、電感、頻率等，通常是動態(tài)的。②輸出的電信號一般都比較弱，如電壓信號通常為μV—mV級，電流信號為nA—mA級。③傳感器內(nèi)部存在噪聲，輸出信號會與噪聲信號混合在一起，當噪聲比較大而輸出信號又比較弱時，常會使有用信號淹沒在噪聲之中。④傳感器的輸出信號動態(tài)范圍很寬。輸出信號隨著物理量的變化而變化，但它們之間的關系不一定是線性比例關系，例如，熱敏電阻值隨溫度變化按指數(shù)函數(shù)變化。輸出信號大小會受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。⑤傳感器的輸出信號受外界環(huán)境（如溫度、電場）的干擾。⑥傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣會使傳感器信號輸入到測量電路時，產(chǎn)生較大信號衰減。2/3/2023711.1.3輸出信號的處理方法根據(jù)傳感器輸出信號的特點，采取不同的信號處理方法來提高測量系統(tǒng)的測量精度和線性度，這正是傳感器信號處理的目的。另外，傳感器在測量過程中常摻雜有許多噪聲信號，它會直接影響測量系統(tǒng)的精度，因此抑制噪聲也是傳感器信號處理的重要內(nèi)容。傳感器輸出信號的處理主要由傳感器的接口電路完成。因此傳感器接口電路應具有一定信號預處理的功能。經(jīng)預處理后的信號，應成為可供測量、控制使用及便于向微型計算機輸出的信號形式。接口電路對不同的傳感器是完全不一樣的，其典型應用電路見表11-2。2/3/20238表11-2典型的傳感器接口電路2/3/2023911．2傳感器信號的檢測電路完成傳感器輸出信號處理的各種接口電路統(tǒng)稱為傳感器檢測電路。傳感器信號檢測電路是測控系統(tǒng)的重要組成部分，也是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機構之間的橋梁。不同傳感器信號檢測電路的組成和內(nèi)容差別較大。11.2.1檢測電路形式開關型傳感器:有許多非電量的檢測技術要求對被測量進行某一定值的判斷，當達到確定值時，檢測系統(tǒng)應輸出控制信號。在這種情況下，大多使用開關型傳感器，利用其開關功能，作為直接控制元件使用。使用開關型號傳感器的檢測電路比較簡單，可以直接用傳感器輸出的開關信號驅動控制電路和報警電路工作。2/3/202310模擬信號輸出的傳感器:定值判斷的檢測系統(tǒng)中，由于檢測對象的原因，也常使用具有模擬信號輸出的傳感器。在這種情況下，往往要先由檢測電路進行信號的預處理，再放大，然后用比較器將傳感輸出信號與設置的比較電平相比較。當傳感器輸出信號達到設置的比較電平時，比較器輸出狀態(tài)發(fā)生變化，由原來的低電平轉為高電平輸出，驅動控制電路及報警電路工作。當檢測系統(tǒng)要獲得某一范圍的連續(xù)信息時，必須使用數(shù)字電壓表將檢測結果直接顯示出來。數(shù)字式電壓表一般由A/D轉換器、譯碼器、驅動器組成。這種檢測電路以數(shù)字讀數(shù)的形式顯示出被測物理量，例如溫度、水分、轉速及位移量等等。接口電路則根據(jù)傳感器的輸出特點進行選擇。2/3/20231111.2.2常用電路1、阻抗匹配器傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號的衰減，常常采用高輸入阻抗低輸出阻抗的阻抗匹配器作為傳感器輸入到測量系統(tǒng)的前置電路。常見的阻抗匹配器有半導體管阻抗匹配器、場效應晶體管阻抗匹配器及運算放大器阻抗匹配器。2/3/2023122．電橋電路電橋電路是傳感器檢測電路中經(jīng)常使用的電路，主要用來把傳感器的電阻、電容、電感變化轉換為電壓或電流，根據(jù)電橋供電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋。直流電橋主要用于電阻式傳感器，例如，熱敏電阻、電位器等。交流電橋主要用于測量電容式傳感器和電感式傳感器的電容和電感的變化。電阻應變片傳感器大都采用交流交流電橋，這是因為應變片電橋輸出信號微弱需經(jīng)放大器進行放大，而使用直流放大器容易產(chǎn)生零點漂移。此外，應變片與橋路之間采用電纜連接，其引線分布電容的影響不可忽略，使用交流電橋還會消除這些影響。電橋電路詳見第2章。2/3/2023133．放大電路傳感器的輸出信號一般比較微弱，因而在大多數(shù)情況下都需要放大電路。放大電路主要用來將傳感器輸出的直流信號或交流信號進行放大處理，為檢測系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號，它對檢測系統(tǒng)的精度起著關鍵作用。目前檢測系統(tǒng)中的放大電路，除特殊情況外，一般都采用運算放大器構成。圖11-1為放大器電路。2/3/202314差動放大器最突出的優(yōu)點是能夠抑制共模信號。共模信號是指在兩個輸入端所加的大小相等、極性相同的信號。理想的差動放大器對共模輸入信號的放大倍數(shù)為零，所以差動放大器零點漂移最小。來自外部空間的電磁波干擾也屬于共模信號，它們也會被差動放大所抑制，所以說差動放大器的抗干擾能力極強。圖11-1放大器基本電路2/3/2023154．電荷放大器利用壓電式傳感器進行測量時，壓電元件輸出的信號是電荷量的變化，配上適當?shù)碾娙莺?，它的輸出電壓可高達幾十伏到數(shù)百伏，但信號功率卻很小，信號源的內(nèi)阻也很大。為此，要在壓電元件和檢測電路之間配接一個放大器，放大器應具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點。目前用的較多的是電荷放大器。電荷放大器是一種帶電容負反饋的高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的運算放大器，其優(yōu)點在于可以避免傳輸分布電容的影響。電荷放大器在第二章壓電傳感器測量電路中已經(jīng)詳細講解，這里不再贅述。2/3/202316（a）（b）電荷放大器等效電路圖從上式可以看出,電荷放大器輸出電壓只與電荷Q和反饋電容有關,而與傳輸電纜的分布電容無關,說明電荷放大器的輸出電壓不受傳輸電纜長度的影響,為遠距離測量提供了方便條件.但是,測量精度卻與配接電纜的分布電容有關,例如,當

電纜分布電容如果為100pF時,要求測量精度為1%時,允許電纜的長度約為1000m，當要求的精度為0.1%時,則電纜的長度僅有100m.2/3/20231711.3輸出信號的干擾及控制技術噪聲——在傳感器電路的信號傳遞中，所出現(xiàn)的與被測量無關的隨機信號被稱為噪聲。干擾——在信號提取與傳遞中，噪聲信號常疊加在有用信號上，使有用信號發(fā)生畸變而造成測量誤差，嚴重時甚至會將有用信號淹沒其中，使測量工作無法正常進行，這種由噪聲所造成的不良效應被稱為干擾。而傳感器或檢測裝置需要在各種不同的環(huán)境中工作，于是噪聲與干擾不可避免地要作為一種輸入信號進入傳感器與檢測系統(tǒng)中。因此系統(tǒng)就不可避免地會受到各種外界因素和內(nèi)在因素的干擾。為了減小測量誤差，在傳感器及檢測系統(tǒng)設計與使用過程中，應盡量減少或消除有關影響因素的作用。2/3/20231811.3.1干擾的類型與要素類型：常見的干擾有機械干擾（振動與沖擊）、熱干擾（溫度與濕度變化）、光干擾（其他無關波長的光）、化學干擾（酸/堿/鹽及腐蝕性氣體）、電磁干擾（電/磁場感應）、輻射干擾（氣體電離、半導體被激發(fā)、金屬逸出電子）等。對由傳感器形成的測量裝置而言，形成噪聲干擾通常有3個要素：噪聲源、通道（噪聲源到接收電路之間的耦合通道）、接收電路。按照噪聲產(chǎn)生的來源，噪聲來源可分為兩種：（１）內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是由傳感器或檢測電路元件內(nèi)部帶電微粒的無規(guī)則運動產(chǎn)生的，例如熱噪聲、散粒噪聲以及接觸不良引起的噪聲等。（２）外部噪聲外部噪聲則由傳感器檢測系統(tǒng)外部人為或自然干擾造成的。外部噪聲的來源主要為電磁輻射，當電機、開關及其它電子設備工作時會產(chǎn)生電磁輻射，雷電、大氣電離及其它自然現(xiàn)象也會產(chǎn)生電磁輻射。在檢測系統(tǒng)中，由于元件之間或電路之間存在著分布電容或電磁場，因而容易產(chǎn)生寄生耦合現(xiàn)象，在寄生耦合的作用下，電場、磁場及電磁波就會引入檢測系統(tǒng)，干擾電路的正常工作。2/3/20231911.3.2干擾控制的方法干擾噪聲的控制就是如何阻斷干擾的傳輸途徑和耦合通道。檢測裝置的干擾噪聲控制方法常采用的有屏蔽技術、接地技術、隔離技術、濾波器等硬件抗干擾措施，以及冗余技術、陷阱技術等微機軟件抗干擾措施。對其它種類干擾可采用隔熱、密封、隔振及蔽光等措施，或在轉換為電量后對干擾進行分離或抑制。削弱接收電路對干擾的靈敏度—通過電子線路板的合理布局，如輸入電路采用對稱結構、信號的數(shù)字傳輸、信號傳輸線采用雙絞線等措施來實現(xiàn)阻斷或減弱干擾的耦合通道或傳輸途徑消除或抑制干擾源—消除干擾源是最有效、最徹底的方法，但在實際中是很難完全消除的檢測裝置的干擾控制方式主要是根據(jù)噪聲干擾必須具備的3個要素（噪聲源、通道、接收電路）2/3/2023201.屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。屏蔽電場屏蔽—電場屏蔽主要用來防止元件或電路間因分布電容耦合形成的干擾。磁場屏蔽—主要用來消除元件或電路間因磁場寄生耦合產(chǎn)生的干擾，磁場屏蔽的材料一般都選用高磁導系數(shù)的磁性材料電磁屏蔽—電磁屏蔽主要用來防止高頻磁場的干擾。電磁屏蔽的材料應選用導電率較高的材料，如銅、銀等，利用電磁場在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽的屏蔽體可以不接地，但一般為防止分布電容的影響，可以使電磁的屏蔽體接地，起到兼有電場屏蔽的作用。電場屏蔽體必須可靠接地。2/3/2023212.接地電路或傳感器中的地指的是一個等電位點，它是電路或傳感器的基準電位點，與基準電位點相連就是接地。傳感器或電路接地，是為了清除電流流經(jīng)公共地線阻抗時產(chǎn)生的噪聲電壓，也可以避免受磁場或地電位差的影響。把接地和屏蔽正確結合起來使用，就可抑制大部分的噪聲。2/3/202322圖11-2單級電路的一點接地圖11-3多級電路的一點接地2/3/2023233.隔離前后兩個電路信號端直接連接,容易形成環(huán)路電流,引起噪聲干擾。這時,常采用隔離的方法,把兩個電路的信號端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。在兩個電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環(huán)路,實現(xiàn)前后電路的隔離,變壓器隔離只選用于交流電路。在直流或超低頻測量系統(tǒng)中,常采用光電耦合的方法實現(xiàn)電路的隔離。2/3/202324圖11-4變壓器隔離和光電耦合器隔離2/3/2023254.濾波濾波電路或濾波器是一種能使某一種頻率順利通過而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。因傳感器的輸出信號大多是緩慢變化的，因而對傳感器輸出信號的濾波常采用有源低通濾波器，它只允許低頻信號通過而不能通過高頻信號。常采用的方法是在運算放大器的同相端接入一階或二階RC有源低通濾波器，使干擾的高頻信號濾除，而有用的低頻信號順利通過；反之，在輸入端接高通濾波器，將低頻干擾濾除，使高頻有用信號順利通過。2/3/202326除了上述的濾波器外，有時還要使用帶通濾波器和帶阻隔濾波器。帶通濾波器的作用是只允許某一頻帶內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號都被阻斷，它常用于從許多信號中獲取所需要的信號，而使干擾信號被濾除。帶阻濾波器和帶通濾波器相反，在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號不能通過，而在其余頻率范圍，信號則能順利通過?？傊?/p>