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1、传感器及应用 第10章,要点： 1.传感器信号的预处理方法，相敏检波的作用、特点及基本电路 2.传感器信号放大电路的特点及基本电路 3.传感器信号补偿的内容及方法 4.传感器标度变换的意义及方法 5.数据采集系统的组成、配置方案及其特点 6.A/D转换的类型及特点，采样保持器的选用 7.干扰的来源、传输途径、作用方式 8.屏蔽的类型、特点及要求，一点接地的原则及其适应性,第10章 传感器与微机的接口和抗干扰技术,主要内容, 10.1 传感器信号的预处理 10.2 传感器信号的放大电路 10.3 传感器的补偿与标度变换 10.4 数据采集 10.5 抗干扰技术,如图10-l所示，传感器与微机的接
2、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。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10-1 传感器与微机的接口框图,第10章 传感器与微机的接口和抗干扰技术,10.1 传感器的信号预处理电路 传感器的信号预处理电路随传感器的输出信号形式而不同。总结前面所学知识，将传感器按其输出方式分为模拟式、数字式、开关式等，如表10-2所示。,表10-2 传感器按输出方式分类,10.1.1 开关式输出信号的预处理 如图10-2所示，开/关式传感器信号常用具有迟滞特性的电路处理，称为鉴别器，或称脉冲整形电路，多使用施密特触发器。 另外，
3、对于触点式开关信号常用双稳态触发器或软件延时（几十毫秒）来消除机械抖动。,图10-2 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,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，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，其处理方法可以用数字计数器计数，也可以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10-3所示。,图10-3 时间间隔信号处理,10.1.2 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,模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为五
4、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。,图10-4 模拟连续输出预处理一般体系,它们的预处理一般体系可如图10-4所示。 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。,10.1.3 模拟连续式输出信号的预处理,1.电流电压转换电路 I/U转换电路如图10-5a所示，也可由运算放大器组成，如图10-5b所示。,图10-5 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,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，需要加消振电容Cf。Cf的大小
5、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100k的电阻保护。,2.模拟频率式输出信号的预处理 模拟频率式输出信号的预处理方法，一种是直接通过数字式频率计变为数字信号；另一种是用频率/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10-6所示。通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变换器。,图10-6
6、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冲经整形电路后接至数字计数器。数字编码式输出信号通常采用格雷码而不用8421二进制码，需要将格雷码转换成二进制或二-十进制码。,10.1.4 相敏检波电路 1.调制与解调的概念 调制是利用直流或低频信号来控制高频振荡的过程。原始的低频控制信号称为调制信号。受控的高频振荡信号称为载波信号。经过调制后的信号称为已调信号。载波信号的振幅、频率和相位都可受调制信号的控制，相应的调制分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。一般载波频率应大于调制信号频率10倍以
7、上，通常取20倍。 解调是从已调信号中取出（恢复）原始信号（调制信号）的过程。与调制相对应，有鉴幅（检波）、鉴频和鉴相。 如前面所讲的交流电桥，传感器参数的变化为调制信号，电桥的供电电源为载波信号，输出为调幅信号；由电感、电容、电涡流式传感器构成的谐振电路，当LC谐振电路作信号源的负载，则输出调幅信号，当LC谐振电路作信号源的振荡回路，则输出调频信号。因此，信号在经过交流放大后都需要接入相应的解调电路：检波电路、鉴频电路和鉴相电路。,2.交流电桥的调幅作用 用交流电源激励的交流电桥输出信号是一个频率和相位与激励源相同，幅度受桥臂变化信号调制的双边带调幅波。 如图10-7所示，设桥臂变化信号为R
8、=R（t），激励电源电压为ui=uimcos(t+)，则电桥输出电压为 uo=KR（t）uimcos(t+)=uomcos(t+) 式中，K为接法系数，当R1=R2=R3=R4=R0时，半桥单臂接法K=1/（4R0），半桥差动按法K=1/（2R0），全桥接法K=1/R0；uom=K uim R（t），为输出电压幅值。 可见，uom受R（t）调制。输出电压波峰的连线称为包络线，与调制信号波峰一致。调幅波高频相位是连续变化的，但在调制信号正、负半周交替时，其相位有180的突变。,图10-8 二极管相敏检波电路,3.相敏检波电路 （1）二极管相敏检波电路 如图10-8所示为二极管相敏检波电路的一般形
9、式。它由四个二极管顺向串联成一个闭合回路，四个端点分别接变压器T1、T2的二次侧。T1、T2,均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。T1的一次侧输入调幅波ui，T2的一次侧输入参考电压ur，ur可直接取自载波，它与ui频率相同，相位相同或相反，比ui幅度大35倍。变压器的极性标定如图所示。,（2）集成模拟乘法器相敏检波电路 如图10-9所示为用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路。该电路的工作电压为30V，常用9V；信号输入端最大电压为5V；载波输入端为5V；偏置电流为12mA。,图10-9 集成模拟乘法器相敏检波电路,（3）相敏检波的特点 综上所述，相敏检波器是对调幅信号与参考信号
10、间相位敏感的检波器，它有以下特点： 相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能识别方向； 相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即能表示被测值； 相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。因此，只要在相敏检波后加入适当的低通滤波器，便可得到调制波信号。如果测量装置频率响应较低，如磁电式电流表，也可不需加滤波器。,10.2 传感器信号的放大电路,10.2.1 测量放大器 测量放大器或叫仪表放大器（简称IA），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。,图10-10 通用IA的结构,1.通用IA 通用IA由三个运算放大器A1、A2、A3组成，如图10-10所示。,2
11、.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，如图10-11所示。,图10-11 增益调控IA a）自动增益IA b）程控IA,小结： 1.开关信号、模拟脉冲信号、模拟连续信号、模拟频率信号、数字信号的预处理方法及电路。 2.传感器放大电路的特点及基本电路。 3.传感器的调制特性，相敏检波的特点。 作业：10-2、10-3、10-4、10-5。,10.3 传感器的补偿与标度变换 10.3.1 传感器的温度补偿 温度是影响
12、传感器工作的主要因素之一。根据国家部颁标准要求，在现场工作的自动化仪表应能在很宽的环境温度变化范围内正常工作，并要求其温度附加误差不能超过规定值。由于传感器实际工作环境的温度变化幅度很大，采用一系列相应的技术措施来抑制环境温度对传感器特性的影响，这些技术措施称为温度补偿。,1.温度补偿原理 对传感器进行温度补偿就是使环境温度变化引起的输出为零，包括对传感器进行零点温度漂移的补偿和灵敏度的温度补偿。 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
13、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。 例如图6-4所示的热电偶的冷端温度补偿器，以及直流放大器的差动输入等。,（3）电桥温度补偿法 如图2-4所示的不平衡电桥电路，邻边臂具有温度补偿作用。 （4）热敏电阻补偿法 在测量电路中可用热敏电阻实现传感器灵敏度和输出零点温度漂移的温度补偿。,图10-13 灵敏度补偿,灵敏度温度补偿：如图10-13所示，电桥灵敏度温度补偿的方法是在电桥电源对角线上串接热敏电阻Rt。 零电平温度补偿：根据传感器的类型和结
14、构，可采用不同的方法稳定其零点。对于测量电桥，一种十分有效的零电平温度补偿方法是在一个桥臂上引入热敏电阻。,10.3.2 传感器的非线性补偿 非线性补偿也叫非线性校正，或线性化。多数传感器都具有非线性特性，它既不利于读数和测量结果的分析处理，而且是产生测量误差的主要原因之一。因此，为了减小或消除非线性误差，必须进行非线性补偿。目前，实现非线性特性补偿的方法很多，典型的补偿原理可分为开环式、闭环式和增益控制式三种。这些补偿方法都是要求在测量回路中加入某个线性化器，利用线性化器的非线性函数去补偿传感器的非线性特性。例如，对于常用的线性化器可以用硬件电路构成，也可以用计算机软件构成。 常见的传感器非
15、线性特性可分为两种类型：指数型曲线和有理代数型曲线。,1.硬件法非线性补偿 硬件法非线性补偿是指电路补偿和机械补偿，如前面所讲到的差动结构、差动电桥等差动补偿法。电路补偿可以在模拟电路部分进行，也可以在A/D转换中进行，还可以在A/D转换之后的数字电路中进行。 模拟非线性补偿电路，如二极管阵列式开方器及各种对数、指数、三角函数等运算放大器，是用得最多和最久的线性化器，但实现高精度的补偿难度太大。 用A/D转换电路来实现非线性补偿，可以用双积分型A/D转换器组成非线性A/D转换器，通过改变基准电压或积分电路时间常数的方法来实现。 采用数字电路的线性化器，是用加减脉冲法来实现非线性补偿的。它能获得
16、较高的精度，但电路复杂。,非线性函数放大器：非线性函数放大器是一种增益与输入信号成某种函数关系的特殊放大电路。它通过分段直线逼近的方法来实现传感器非线性特性的线性化，即用一段直线来代替一段曲线，分段越多，折线越逼近实际的非线性曲线，分段数目由精度决定。因此，非线性函数放大器实质上是分段线性函数放大器。如图10-15所示为一种精密函数放大器，它能抑制二极管正向压降UD受环境温度变化对转折点电压产生的影响。该电路由反相放大器A0、求和放大器A3和转折点电路A1、A2An（需要n个转折点就需n个运放电路）组成。,图3-15 精密函数放大器 a)电路 b)渐减函数特性 c)渐增函数特性,2.软件法非线性补偿 硬件补偿不但电路比较复杂，补偿效果也不太理想。在智能仪表中，利用微处理器的函数运算与数据处理能力，通过编程产生所需的校正函数，或者直接编制成表格，以供查寻。下面介绍几种常见的软件补偿方法。 （1）校正函数法 校正函数法的原理实质是一种开环式非线性补偿。 如果已知传感器的非线性特性，则可以利用相应的校正函
