传感器信号处理和接口技术

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1、第12章 传感器的信号处理与接口技术,12.1 传感器的信号预处理电路 12.2 传感器信号的放大电路 12.3 传感器的补偿与标度变换 12.4 传感器与微机的接口技术 12.5 抗干扰技术 思考与练习,12.1 传感器的信号预处理电路,如图12-1所示， 传感器与微机的接口电路主要由信号预处理电路、 数据采集系统和计算机接口电路组成。 其中， 预处理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量； 数据采集系统把模拟电压量转换成数字量； 计算机接口电路把A/D转换后的数字信号送入计算机， 并把计算机发出的控制信号送至输入接口的各功能部件； 计算机还可通过其他接口把信息数据送往显示器、

2、 控制器、 打印机等等。 由于信号预处理电路随被测量和传感器而不同， 因此传感器的信号处理技术则是构成不同系统的关键。,图12-1 传感器与微机的接口框图,由于待检测的非电量种类繁多， 传感器的工作原理也各不相同， 因此待检测物理量作用于传感器后， 传感器输出的相应信号种类亦各式各样。 总结前面所学知识， 可将传感器按下列方式分类。,12.1.1 开关式输出信号的预处理 如图12-2(a)所示， 在输入传感器的物理量小于某阈值的范围内，传感器处于“关”的状态，而当输入量大于该阈值时， 传感器处于“开”的状态，这类传感器称为开/关式传感器。实际上，由于输入信号总存在噪声叠加成分，使传感器不能在阈

3、值点准确地发生跃变， 如图12-2(b)所示。另外，无接触式传感器的输出也不是理想的开关特性， 而是具有一定的线性过渡。 因此， 为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电路， 称为鉴别器或称脉冲整形电路，多使用施密特触发器，如图12-2(c)所示。 经处理后的特性如图12-2（d）所示。,图12-2 开关量传感器特性示意图及处理方案 （a） 理想特性； （b） 实际特性； （c） 处理方案； （d） 处理后特性,12.1.2 模拟脉冲式输出信号的预处理 1. 峰值脉冲式传感器信号处理方法 不少传感器在受输入冲击时，其输出信号呈指数性衰减， 若直接进行A/D转换， 必将导致错误的结果。 因

4、此， 在传感器后面接脉冲限幅电路，使输出变成窄脉冲，方可采用脉冲峰值保持电路将脉冲扩展， 以便进行A/D转换。如图12-3所示， US为峰值脉冲式传感器输出信号波形，UC为限幅后的波形， UH为经峰值保持电路后的波形。,图12-3 脉冲峰值信号变换,2. 脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处理方法 脉宽式传感器输出脉冲的宽度受被测物理量调制，与被测量大小成正比， 例如采用脉冲调宽电路的电容传感器的输出信号。 脉冲间隔式传感器在受到一次输入作用时，便产生两个脉冲，两个脉冲的时间间隔与被测物理量成正比，例如应变式扭矩传感器，超声波测距等。这两类信号都是时间间隔信号， 在时间间隔大于微秒级时，可将其作为门

5、控信号，用数字计数器计数。 另一种方法是利用时间峰值转换电路(TAC)将时间间隔转换成电压峰值， 再进行A/D转换， 其原理如图12-4所示。,图12-4 时间间隔信号处理,12.1.3 模拟连续式输出信号的预处理 模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为五种形式： 电压、 电流、 电阻、 电容和电感。 这些参量必须先转换成电压量信号， 然后进行放大及带宽处理才能进行A/D转换。 它们的预处理一般体系可用图12-5表示。可见， 数字万用表已包括了预处理、 数据采样与A/D转换等全部功能电路。,图12-5 模拟连续输出预处理的一般体系,1. 电流/电压转换电路 用一只电阻可构成简单的电流/电压转换电

6、路。 在要求较高的场合，可采用图12-6（a）所示的I/U转换电路。 该电路输入阻抗Rin10 m，输出电压UoIiRS，RS10 M，电路输出电阻Ro一般小于1 k。,I/U转换电路也可由运算放大器组成，如图12-6（b）所示。 电路的输出电压Uo=-IsRf。 一般Rf比较大，若传感器内部电容量较大时容易振荡， 需要消振电容Cf。Cf的大小随Rf用实验方法确定。 因此该电路不适用于高频。电路利用运算放大器“虚短”的原理， 若与光电池直接相接，可获得光电池的短路电流输出特性。 但是， 当运算放大器直接接到高阻抗的传感器时， 需要加保护电路。 当信号较大时， 可在运算放大器输入端用正、 反向并

7、联的二极管保护；当信号较小时，可在运算放大器输入端串联100 k的电阻保护。,图12-6 电流/电压转换电路 （a）I/U转换器； （b） 采用运放的I/U转换电路,2. 模拟频率式输出信号的预处理 模拟频率式输出信号，一种方法是直接通过数字式频率计变为数字信号； 另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号， 再进行A/D转换。 频率/电压变换器的原理如图12-7所示。 通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变换器。,图12-7 频率/电压变换器原理框图,3. 数字式输出信号的预处理 数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。 数字脉冲式输出信号可直接将输出脉

8、冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。数字编码式输出信号通常采用格雷码而不用8421二进制码，以避免在两种码数交界处产生计数错误。 因此，需要将格雷码转换成二进制或二十进制码。 传感器信号的预处理应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的电路。,12.2 传感器信号的放大电路,12.2.1 测量放大器 测量放大器又叫仪表放大器（简称IA）。它不仅能满足上述要求，而且具有精确的增益标定，因此又称数据放大器。 1. 通用IA 通用IA由三个运算放大器A1、A2、A3组成，如图12-8所示。 其中，A1和A2组成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为1+2R1/RG，而共

9、模增益仅为1。A3将A1、A2的差动输出信号转换为单端输出信号。 A3的共模抑制精度取决于四个电阻R的匹配精度。 通用IA的电压放大倍数为,（12-1）,图12-8 通用IA的结构,2. 增益调控IA 在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器共用一个IA。当切换通道时，必须迅速调整IA的增益，称增益调控IA。在模拟非线性校正中也要使用增益调控IA。增益调控IA分为自动增益IA和程控增益IA两大类。 自动增益IA基本工作过程如图12-9（a）所示。 它先对信号作试探放大、 将放大信号送至ADC， 使其转换成数字信号， 再经逻辑电路判断， 送至译码驱动装置， 用以调整IA的增益。 这种方法

10、工作速度较慢， 不适用于高速系统。,图12-9 增益调控IA （a） 自动增益IA； （b） 程控IA,3. IA的技术指标 测量放大器最重要的技术指标有： 非线性度、 偏置漂移、 建立时间以及共模抑制比等， 这些指标均为放大器增益的函数。 （1） 非线性度： 它的定义为放大器输出、 输入实际特性曲线与理想特性曲线（直线）的相对偏差。 在增益G=1时，一个12位（bit）系统的非线性度若为0.025， 则在G500时， 其非线性度可达0.1%， 相当于系统精度降低到10倍以下。,（2） 偏置漂移：它是指工作温度变化1时， 相应的直流偏置变化量。一个放大器的分辨率主要被直流偏置的不可预料性所限制

11、。 放大器的偏置漂移一般为150 V/，也与增益G有关。如一个有2 V/漂移的放大器，当G=1000、t=10时， 其输出端将产生20 mV的偏置电压。这个数字相当于12位ADC在输入范围为010 V时的八个LSB值。值得注意的是，一般厂家只给出典型值，而最大值可以是典型值的34倍。 （3） 建立时间： 放大器的建立时间定义为从输入阶跃信号起，到输出电压达到满足给定误差（典型值为0.01）的稳定值为止所需用的时间。 一般IA的增益G200，精度约为0.01， 建立时间约为50100 s， 而高增益IA在同样精度下的建立时间可达350 s。因此，在数据采集系统中决定信号传输能力的往往是IA而不是

12、ADC。,（4） 恢复时间：放大器的恢复时间是指从断掉输入IA的过载信号起，到IA的输出信号恢复至稳定值时（与输入信号相应）的时间。 （5） 共模抑制比： IA的共模抑制比定义为差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac比值的对数单位，即,（12-2）,表12-1 IA的CMR要求值(dB),12.2.2 集成仪表放大电路介绍 可以用作仪表放大器的集成电路有： 集成运算放大器OP07， 斩波自动稳零集成运算放大器7650， 集成仪表放大器AD522， 集成变送器WS112、 XTR101， TD系列变压器耦合隔离放大器， ISO100等光耦合隔离放大器， ISO102等电容耦合隔离放大器， P

13、G系列程控放大器， 2B30/2B31电阻信号适配器等。 具体内容可参考相关资料。,12.3 传感器的补偿与标度变换,12.3.1 传感器的温度补偿,1. 温度补偿原理 设被测物理量为x，环境温度为T，则线性传感器的特性可表示为,y=f（x，T）=A0（T）+A1（T）x,（12-3）,式中，A0为传感器的输出零点; A1为传感器的灵敏度。它们都随环境温度T变化。,因此， 传感器的温度灵敏度可表示为,（12-4）,可见，对传感器进行温度补偿就是使ST0，包括对传感器零点温度漂移的补偿和对传感器灵敏度的温度补偿。,2. 常用温度补偿方法 1） 自补偿法 自补偿法就是利用传感器本身的一些特殊结构来

14、满足温度补偿条件。 例如组合式温度自补偿应变片， 用两种具有正、 负电阻温度特性的电阻丝栅串联制成一个应变片， 只要使两段丝栅的电阻随温度变化的增量相等， 便可实现温度补偿。,2） 并联式温度补偿法 并联式温度补偿法就是人为地附加一个温度补偿环节，该补偿环节与被补偿环节并行相连， 使补偿后的合成输出基本不随温度而变化。如图12-10所示为并联式温度补偿原理框图。 图中，yA为待补偿环节特性，yB为补偿环节特性，只要满足dB0（T）/dTdA0（T）/dT、dB1（T）/dTdA1（T）/dT、B1（T）A1（T）， 理论上就可以实现温度补偿。 但实际上并联式温度补偿只能做到近似补偿， 即在两点

15、或三点是全补偿， 而其他点不是“过补偿”就是“欠补偿”。 应用并联式温度补偿法的实例如图9-4所示的热电偶的冷端温度补偿器及直流放大器的差动输入等。 可证明热电偶的冷端温度补偿器的补偿条件为,（12-5）,国产热电偶的冷端温度补偿器电桥电源E=4 V，电桥在20时调平衡， 补偿范围有050和010两种。,图12-10 并联式温度补偿原理框图,3） 电桥温度补偿法 以应变式传感器电桥为例，如图3-6所示的不平衡电桥电路，令式（3-7）等于0并除以T，可得其温度补偿条件的表达式为,(12-6）,式中，1、3、2、4分别为R1、R2、R3、R4的电阻温度系数。,（1） 全桥的温度补偿：如图3-6（c

16、）所示，四个桥臂电阻为相同的电阻应变片即可实现温度补偿。 （2） 半桥的温度补偿： 单臂电桥的温度补偿： 如图3-6（a）所示的单臂电桥， 按如图12-11（a）所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，将R1粘贴在弹性敏感元件上，R2粘贴在附近非应变部位；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制， 即可实现温度补偿。,图12-11 电阻应变片的设置 (a) 温度补偿应变结构； (b) 差动补偿应变结构, 双臂电桥的温度补偿： 如图3-6（b）所示的双臂电桥， 按如图12-11（b）所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，粘贴在弹性敏感元件上，构成差动电桥；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，即可实现温度补偿。 由于相邻桥臂间具有温度补偿作用， 所以在热电阻测温电桥中， 采用三线制或四线制接法来消除引线电阻随环境温度变化造成的测量误差。,图12-12 灵敏度补偿,4） 热敏电阻补偿法 在测量电路中用热敏电阻可以实现传感器的灵敏度温