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1、1,项目9 传感检测系统及其应用,2,9.1 传感检测系统的组成,检测与电测法 检测是人类认识世界和改造世界必不可少的重要手段。 “检测”既包括定量的测量，也包括定性的试验。 就被测对象而言，机电工业需要检测的量有电量和非电量两大类，非电量种类比电量的种类多得多。 电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法的优越性有： (1)便于采用电子技术，扩展仪器的测量幅值范围(量程)。 (2) 采用电测技术具有很宽的测量频率范围(频带)。 (3)把非电量变成电信号后，可实现远距离的自动测量。 (4)把非电量转换为数字电信号，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。,3
2、,非电量电测法与检测技术,非电量电测法的两个基本问题： 1、怎样用传感器将非电量转换为电量； 2、怎样对电量进行测量。 因此，非电量电测法同传感器技术、电子测量技术是紧密联系不可分割的。我们把传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与检测技术，简称感测技术。,4,传感器与敏感器,传感器：将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的接口。 在非电量电测量中，传感器是必不可少的转换元件。 敏感器：能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置。 敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是像传感器那样
3、把非电量转换成电量。,5,非电量的电测方法,非电量的电测方法就其转换关系而言可归纳为两大类： 1、直接法：用传感器直接将被测非电量x转换为电量y。即 yf(x) 2、间接法：先用敏感器将被测量x转换为传感器的可用非电量z，再用传感器将可用非电量z转换为电量y。设传感器的转换关系为 y(z) 敏感器的转换关系为 z(x) 由敏感器与传感器组合成的非电量x电测装置的转换关系便为复合函数 y(x)f(x) 按照传感器定义，这种敏感器与传感器的组合装置仍可称为传感器，但却不是原来的非电量z的传感器，而是被测量x的传感器。,6,1、传感检测系统的组成框图 ,7,2、传感检测系统各环节的功能 ,传感器：为
4、检测系统提供必须的原始信号。 中间转换电路：将传感器的输出信号转换成易于测量或处理的电压或电流信号。 信息传输接口：经DA、AD转换，满足微机处理、控制、显示和记录装置的要求， 信息分析处理：根据需要进行阻抗匹配、微分、积分、线性化及温度补偿等信号处理工作。 控制显示记录：控制执行机械的运行，了解掌握检测数值的大小或变化的过程。,8,自动化检测与控制系统的对比,9,普通电测仪表的组成,10,被测对象,传感器,信号 调理,多路 模拟 开关,取样 保持,检测系统,功率 放大,激励 装置,低通 滤波,A/D,显示,RAM,CPU,ROM,键盘,计算机总线,D/A,计算机检测系统基本组成框图,11,9
5、.2.1 输出信号的特点 (1) 由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。例如，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不同的电压。 (2) 热敏电阻随温度变化使电阻发生变化。 (3) 双金属温度传感器则随温度变化输出开关信号。 传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1V。传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。传感器的输出信号动态范围很宽。传感器的输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性关系。传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。,9.2 传感器检测信号处理,12,1输出信
6、号处理的目的 提高测量系统的测量精度，提高测量系统的线性度，抑制噪声。由传感器的接口电路完成，处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。 2常用的信号处理电路 1) 阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。 半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。 场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上，可作阻抗匹配器、运算放大器阻抗匹配器。,9.2.2 输出信号处理方法和电路,13,直流电桥工作原理 R1、R2、R3及R4组成电
7、桥的四个臂，输入电源加在电桥的CD端，输出信号取自电桥的AB端。当电桥的输出端与具有高输入阻抗的装置相接时，电桥相当于工作在输出端开路状态，其输出电压为 当R2R3R1R4时，输出 电压U0为零，称电桥的这种 状态为平衡状态。,2）电桥电路,14,采用交流电源供电的电桥称为交流电桥。在这种情况下桥臂所接的元件可以是电阻、电感或电容。如果交流电源是频率为f的正弦交流信号，则各桥臂的复阻抗参数设为Zl、Z2、Z3、Z4，当电桥输出端开路时，其输出电压U0为 当Z1Z4一Z2Z30时，电桥输 出电压U00，这时电桥处于平 衡状态，其平衡条件为,2交流电桥工作原理,15,电桥的测量方法,1、零测法：
8、在零测法中，有一个电桥的桥臂电阻可以人为改变。假设各桥臂电阻已调好，使电桥处于平衡状态，当桥臂的某一个电阻值如R1发生变化时，电桥失去平衡状态，而使检流计指针发生偏转。若R2是一个可调电阻，而使电桥重新回到平衡状态，这时检流计也将回到零位。因此，由R2的变化量即可得到R1的变化数值。 2、偏差测量法： 在偏差测量法中，电桥原处于平衡状态，若R1变化，则电桥失去平衡，输出端电压将不再为零，从而使检流计发生偏转而显示某一读数，这一读数反映了电阻R1的变化大小。,16,电桥的分类与应用,1、电桥的分类 按电源分类： 直流电桥、交流电桥。 按工作方式分类：平衡电桥、不平衡电桥。 按接入方式分类：单臂电
9、桥、差动电桥。,17,2、电桥的应用,（1）平衡状态的应用 平衡状态的应用基于零测法，由于电桥的平衡工作状态，使得电源电压Us波动及指示仪表的误差(除零位误差外)等，均不影响测量结果，可以获得较高的测量精度。 用零测法时，为避免分布参数的影响，电桥电源应采用直流电源或频率较低的交流电源。为得到较高的准确度，Rl、R2、R3应选用高精度电阻，指零仪表应选用高灵敏度的电流表或检流计。 零测法实质上是用标准电阻与被测电阻Rx相比较，用指零仪表指示被测量与标准量是否相等(平衡)，从而求得被测量。因此这种方法又称为比较测量法。只要指零仪表的灵敏度足够高，零位式测量法的测量准确度几乎等于标准量的准确度，这
10、是它的重要优点，常用在实验室作为精密测量的一种方法。,18,（2）不平衡状态的应用,电桥不平衡状态的应用基于偏差测量法，将阻抗参数值随被测非电量变化的阻抗式传感器接入电桥，初始状态即被测非电量为0时，让电桥平衡即输出电压为0，当被测非电量变化而不为0时，引起阻抗参数值变化，使电桥不平衡即输出电压不为0。 被测非电量越大，电桥输出电压也越大。这样就把被测非电量变化转换成电桥电压的变化。只要测得电桥电压，就可求得非电量。 采用这种不平衡的工作状态，既可测量静态值又可测量动态值，其测量精度受检流计的精度及电源稳定性的影响，但能满足一般实际测量的要求。,19,1电桥的灵敏度 电压的相对变化量与电阻的相
11、对变化量之比，即 2电桥的非线性误差 线性化的输出电压Uos与电桥实际输出电压U0之差的比值，即,电桥的工作特性指标,20,电桥调零 ,电桥调零通常采用串联调零和并联调零两种方法。 图a为串联调零电路，微调电位器Rw串联在桥路中，这种方式多用在桥臂参数及值较大的场合，调零电位器的阻值 RwR。 图b为并联调零电路，微调电位器Rw并联在电桥输出端，这种方式多用在桥臂参数R值较小的场合，并要求RwR。,21,调制与解调,直流放大电路存在的特殊问题零点漂移 在生产和科学实验中所需测量的电信号多为微弱的、变化缓慢的非周期信号，需要进行放大和某些处理后才能送到显示仪及计算机等。对于微弱的、变化缓慢的、类
12、似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大，会出现零点漂移现象，零点漂移将影响测量的精度。 零点漂移：随着时间的推移，u0偏离起始值U0而作缓慢的不规则的变化，这种现象称为“零点漂移”，简称“零漂”或“温漂”。,22,产生零点漂移的原因,产生零点漂移的主要原因是直流放大器中的晶体管参数随温度变化而变化。 由于PN结温与工作电流、环境温度、散热情况有关，是不规则的，因而uo的变化也是缓慢而不规则的了，这就是零点漂移产生的主要原因。 阻容耦合放大电路级间有耦合电容隔直，第一级的零漂(一般很小)不能加到第二级放大，因而输出端的零漂很小，可以不考虑。直接耦合放大电路第一级零漂可直接加至第二级放大，因
13、而级数愈多、放大倍数愈高、输出端的零漂就愈大。在加入信号以后，如果无法区分哪个是信号输出，哪个是零漂时，放大电路就不能正常工作了。因此克服零漂，提高电压放大倍数是直流放大器的主要研究内容。,23,克服零点漂移的方法,1.补偿法 利用元件的温度特性补偿三极管参数随温度的变化，使三极管静态工作电流Ic稳定。最常用的方法是利用特性完全相同的两只三极管组成对称电路相互补偿，即所谓的差动放大电路。 2采用调制式直流放大器 即先将直流信号调制成幅度随直流信号变化的交流信号，然后进行交流放大(零漂可以忽略)，最后再经解调检出放大了的直流信号。这种模式，电路复杂，成本较高，但在第四代运放中常有应用。,24,调
14、制式直流放大器的工作流程,25,调 制 ,将直流信号变换成交流信号的过程，称为调制。 在T时间内，输出电压是具有正负值的矩形交流电压，如果开关S按照一定时间规律断开和闭合，则会输出连续的矩形交流电压信号u0，其波形如图所示。经调制的输出电压频率是开关S每秒钟开断次数，实现调制的必备条件是开关元件和控制开关的信号。,26,常用的晶体管调制器,27,解 调 ,直流信号被调制成交流信号后，若再将该交流信号还原成直流信号，称为解调。 ui为矩形交流输入信号。其负载两端电压为直流电压信号Uo，其波形如图b所示。,28,滤 波 器,滤波器：一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的装置。其滤波方
15、式有无源滤波、有源滤波和数字滤波。 无源、有源滤波器性能比较 无源滤波器电路简单，带负载能力差。用于检测系统对滤波要求不太高的场所。 有源滤波器与无源滤波器相比，具有如下优点： 1)不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性度等方面具有明显的优越性，便于集成化。 2)由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。 3)可以使低频截止频率达到很低范围。,29,1一阶RC低通滤波器的频率特性 输出电压与输入电压的比值称为电路的频率特性。 其中， T()随变化的特性称为幅频特性： ()随变化的特性称为相频特性：,无源滤波器,30,一阶高通滤波器的频率特性为： 其中：
16、幅频特性： 相频特性：,2一阶高通滤波器的频率特性,31,3带通滤波器,带通滤波器用于通过某一频段的信号，而将此频段以外的信号加以抑制或衰减。其频率特性为：,32,有源滤波器,1一阶低通滤波器的频率特性,33,2二阶低通滤波器,固有角频率 ： 等效品质因数：,34,3一阶高通滤波器,频率特性 ： 幅频特性：,35,滤波器的频率特性(设R1=R2=R，Cl=C2=C) 固有角频率 等效品质因数,4二阶高通滤波器,36,带通滤波器的频率特性： 通频带宽度B为两个通频带的 截止频率之差： 带通滤波器品质因数Q：,5带通滤波器,37,带阻滤波器的频率特性： 通频带宽度B： 带阻滤波器品质因数Q：,6带阻滤波器,38,数
