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YCF（中职）传感器及应用第四章教学课件 第第4章传感器的信号处理章传感器的信号处理4.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择4.3 传感器信号非线性校正及标度变换传感器信号非线性校正及标度变换4.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理4.1.1 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 1.传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点 由于上述特点，再加上传感器在使用时所处环境因素的影由于上述特点，再加上传感器在使用时所处环境因素的影响，就完全有可能影响甚至破坏传感器及其测量系统的正常响，就完全有可能影响甚至破坏传感器及其测量系统的正常工作。因此需要对信号进行处理。信号处理部分常常分为两工作。因此需要对信号进行处理。信号处理部分常常分为两个步骤，即在对信号加工之前进行预处理。在进行预处理时，个步骤，即在对信号加工之前进行预处理。在进行预处理时，要根据实际情况利用滤波、阻抗变化等手段将信号分离出来要根据实际情况利用滤波、阻抗变化等手段将信号分离出来进行放大。当信号足够大时，就可作信号的运算、转换、比进行放大。当信号足够大时，就可作信号的运算、转换、比较、取样保持等不同的加工了。最后，一般要经过放大才能较、取样保持等不同的加工了。最后，一般要经过放大才能驱动负载，或者经过模拟信号到数字信号的转换才能输入计驱动负载，或者经过模拟信号到数字信号的转换才能输入计算机，由计算机按一定的处理要求对信号进行处理。实现模算机，由计算机按一定的处理要求对信号进行处理。实现模拟信号转换成数字信号的电路系统统称为数据采集系统，而拟信号转换成数字信号的电路系统统称为数据采集系统，而数据采集系统中最重要的器件是模数据采集系统中最重要的器件是模/数转换器数转换器(A/D转换器，转换器，也称也称ADC)。下一页返回4.1 传感器信号的预处理传感器信号的预处理2.数据采集系统的组成数据采集系统的组成 数据采集系统由放大器、滤波器等在内的信号调理电路、数据采集系统由放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样多路模拟开关、采样/保持电路、保持电路、A/D转换器以及接口电路转换器以及接口电路和控制逻辑电路所组成，根据它们在电路中的位置，可分为和控制逻辑电路所组成，根据它们在电路中的位置，可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置。数据同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置。数据采集系统的典型构成形式如采集系统的典型构成形式如图图4-1所示。所示。4.1.2 传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法 根据传感器的输出信号特点，传感器的输出信号不能直接根据传感器的输出信号特点，传感器的输出信号不能直接作为进行作为进行A/D转换的输入量，必须通过各种预处理电路将传转换的输入量，必须通过各种预处理电路将传感器的输出信号转换成统一的电压信号。将信号的这一转换感器的输出信号转换成统一的电压信号。将信号的这一转换称为预处理。常用的传感器信号预处理方法有以下几种。称为预处理。常用的传感器信号预处理方法有以下几种。上一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择4.2.1 仪表放大器及选择仪表放大器及选择 经预处理后的信号，要送至经预处理后的信号，要送至A/D转换器或其他显示记录装转换器或其他显示记录装置。传感器信号的特点是电平差别很大，且叠加有很高的、置。传感器信号的特点是电平差别很大，且叠加有很高的、来自工业现场的共模噪声。因此对这些缓变、微弱的信号不来自工业现场的共模噪声。因此对这些缓变、微弱的信号不仅要进行放大，而且必须采用低噪声、低漂移、输入阻抗高、仅要进行放大，而且必须采用低噪声、低漂移、输入阻抗高、稳定性好、抗干扰能力强的直流放大器。由于一般运算放大稳定性好、抗干扰能力强的直流放大器。由于一般运算放大器输入阻抗太低，共模抑制能力受外部电阻适配精度所限，器输入阻抗太低，共模抑制能力受外部电阻适配精度所限，不能在精密测量中应用。因此在检测中常用调制型或隔离型不能在精密测量中应用。因此在检测中常用调制型或隔离型直流放大器及专门设计的测量放大器。直流放大器及专门设计的测量放大器。1.仪表放大器（仪表放大器（IA）仪表放大器又称测量放大器。它通常由三个运算放大器仪表放大器又称测量放大器。它通常由三个运算放大器 、组成，如组成，如图图4-2所示电路，其中，所示电路，其中，、组组成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为n+1，而共，而共模模下一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择增益仅为增益仅为1。将将 的差动输出信号转换为单端输出信的差动输出信号转换为单端输出信号。号。的共模抑制精度取决于四个的共模抑制精度取决于四个R3的匹配精度，通用的匹配精度，通用IA的输出电压为的输出电压为式式 、IA的两个输入端差动输入信号。的两个输入端差动输入信号。2.IA的技术指标的技术指标 仪表放大器最重要的技术指标有仪表放大器最重要的技术指标有:非线性度、偏置漂移、非线性度、偏置漂移、建立时间以及共模抑制比等。这些指标均为增益的放大器的建立时间以及共模抑制比等。这些指标均为增益的放大器的函数。函数。仪表放大器的优点是输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低、仪表放大器的优点是输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低、稳定好，它主要用于微弱信号的精确测量。稳定好，它主要用于微弱信号的精确测量。上一页 下一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择3.仪表放大器的选择仪表放大器的选择 仪表放大器应具有如下性能要求仪表放大器应具有如下性能要求:(1)低噪声采用低噪声放大器件并采取有效的较小噪声措低噪声采用低噪声放大器件并采取有效的较小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中。施，以免测量信号被淹没在噪声中。(2)高稳定性低漂移、减小温度漂移、防止自激振荡等。高稳定性低漂移、减小温度漂移、防止自激振荡等。(3)高抗干扰性能放大器的前级最易受干扰，要尽量缩短高抗干扰性能放大器的前级最易受干扰，要尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。(4)高输入阻抗由于传感器输出信号很微弱，要求放大器高输入阻抗由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接人尽可能强化传感器的功能，特别是当传感器输出阻抗的接人尽可能强化传感器的功能，特别是当传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。很高时，更要求放大器有高输入阻抗。(5)高共模抑制比一方面由于被测量本身高共模抑制比一方面由于被测量本身(锥度锥度)是差模信是差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制比有利于提高抗干扰性能。有利于提高抗干扰性能。上一页 下一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择 (6)高线性度在较大量程内有良好的线性。高线性度在较大量程内有良好的线性。(7)适宜的频率特性为使放大后的信号不失真，要求它有适宜的频率特性为使放大后的信号不失真，要求它有宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。宽频带。为抑制某些干扰，又要求它有合适的频带。4.2.2 A/D转换器转换器(ADC)如上节所述，如上节所述，A/D转换器的作用是将传感器接口电路预处转换器的作用是将传感器接口电路预处理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，并输入理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，并输入到计算机中去。到计算机中去。1.ADC的主要类型的主要类型 按按ADC的转换方式，可分为比较型和积分型两大类，其中的转换方式，可分为比较型和积分型两大类，其中常用的是逐次逼近型、双积分型和常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型。变换型。2.ADC的性能指标的性能指标 (1)分辨率分辨率是指的分辨率分辨率是指的N位位ADC的分辨率为粤。的分辨率为粤。ADC对对微小输入量变化的敏感度，输入满量程，模拟电压为呱微小输入量变化的敏感度，输入满量程，模拟电压为呱上一页 下一页返回4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择 (2)精度精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指精度精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指对应于一个给定的数字量，模拟量输入实际值与理论值之差。对应于一个给定的数字量，模拟量输入实际值与理论值之差。它包括量化误差、线性误差和零位误差。相对精度又称相对它包括量化误差、线性误差和零位误差。相对精度又称相对误差，是指绝对误差与满刻度值的百分比。由于单位输入满误差，是指绝对误差与满刻度值的百分比。由于单位输入满刻度值可根据需要设定，因此，相对误差也常用刻度值可根据需要设定，因此，相对误差也常用ISB表示。表示。(3)转换时间转换时间是指从模拟量输入到数字输出，完转换时间转换时间是指从模拟量输入到数字输出，完成一次转换所需要的最长时间。对大多数成一次转换所需要的最长时间。对大多数ADC来说，转换时来说，转换时间就是转换频率间就是转换频率(转换的时钟频率转换的时钟频率)的倒数。的倒数。3.ADC的选择原则的选择原则 目前所生产的目前所生产的A/D转换器具有模块化、与计算机总线兼容转换器具有模块化、与计算机总线兼容等特点。使用者不必深入了解它的结构原理，只需掌握等特点。使用者不必深入了解它的结构原理，只需掌握A/D转换器的外特性并正确选择即可。从使用的角度看，转换器的外特性并正确选择即可。从使用的角度看，A/D转转换器的外特性包括换器的外特性包括:模拟信号输入部分模拟信号输入部分;数字信号并行数字信号并行上一页返回下一页4.2 仪表放大器及仪表放大器及A/D转换器的选择转换器的选择输出部分输出部分;启动转换的外部控制信号启动转换的外部控制信号;转换完毕后由转换器发转换完毕后由转换器发出转换结束信号等。在选择出转换结束信号等。在选择A/D转换器时，除需要满足用户转换器时，除需要满足用户的各种技术要求外，必须还要注意以下几点的各种技术要求外，必须还要注意以下几点:数字输出的方式数字输出的方式;对启动信号、转换结束信号的接口要求对启动信号、转换结束信号的接口要求;转换精度和转换式转换精度和转换式中、转换时间中、转换时间;稳定性及抗干扰能力等。稳定性及抗干扰能力等。返回上一页4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换4.3.1 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电量时，在自动检测系统中，利用传感器把被测量转换成电量时，大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并非线性关系。大多数传感器的输出电量与被测量之间的关系并非线性关系。造成非线性的原因很多，主要有造成非线性的原因很多，主要有:目前，由于数字显示技术的广泛应用，以及对测量范围和目前，由于数字显示技术的广泛应用，以及对测量范围和测量精度要求的不断提高，非线性校正就显得更为现实与迫测量精度要求的不断提高，非线性校正就显得更为现实与迫切。切。为了减小或消除非线性误差，必须采用一些非线性校正电为了减小或消除非线性误差，必须采用一些非线性校正电路，这些非线性校正电路是利用许多折线逼近所需补偿特性路，这些非线性校正电路是利用许多折线逼近所需补偿特性曲线，只要折线段足够多，就能以足够高的精度构造出任何曲线，只要折线段足够多，就能以足够高的精度构造出任何形状的补偿特性。对于一些有规律的非线性关系，如开方、形状的补偿特性。对于一些有规律的非线性关系，如开方、乘方、倒数、指数和对数特性，可以采用相应的运算电路进乘方、倒数、指数和对数特性，可以采用相应的运算电路进行线性化处理。因此，下面介绍的主要是指无法用一般数学行线性化处理。因此，下面介绍的主要是指无法用一般数学下一页返回4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换表达式描述的非线性校正电路。表达式描述的非线性校正电路。1.校正曲线的求取校正曲线的求取 当已知变换器的输出特性时，可以求出相应的校正特性。当已知变换器的输出特性时，可以求出相应的校正特性。一个简单的处理方法，就是先把校正环节的电压增益看作是一个简单的处理方法，就是先把校正环节的电压增益看作是1，在已知的非线性的最大、最小值之间连一条直线，在已知的非线性的最大、最小值之间连一条直线;然后以此然后以此直线为对称轴，作非线性特性的镜像，则镜像为所需的校正直线为对称轴，作非线性特性的镜像，则镜像为所需的校正特性。如特性。如图图4-3所示。所示。图图4-4所示为一种斜率提升的校正电路，它是由反相放大所示为一种斜率提升的校正电路，它是由反相放大器构成的，当器构成的，当VD,VDZ均不通时，闭环放大器是一个负反均不通时，闭环放大器是一个负反馈放大器，随着馈放大器，随着u;的增大，输出电压的增大，输出电压u。反馈增大，。反馈增大，VD，导，导通，电路将引入正反馈，其结果使放大倍数提高。当通，电路将引入正反馈，其结果使放大倍数提高。当VDZ导导通时，正反馈作用加强，放大倍数进一步提高。因而通时，正反馈作用加强，放大倍数进一步提高。因而u;-u。特性是一条斜率提升曲线，在图中纵坐标表示输出电压绝对特性是一条斜率提升曲线，在图中纵坐标表示输出电压绝对值大小。其余校正电路可参阅有关书籍。值大小。其余校正电路可参阅有关书籍。上一页 下一页返回4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换 3.数字量的非线性校正数字量的非线性校正 非线性校正装置也可以放置在非线性校正装置也可以放置在A/D转换之后，过去这些数转换之后，过去这些数字量的线性化，都是采用硬件处理技术来实现的，硬件处理字量的线性化，都是采用硬件处理技术来实现的，硬件处理的一种方法是采用非线性的一种方法是采用非线性A/D转换器，它是利用转换器，它是利用A/D转换器转换器的转换机理有意识地造成其某种非线性，以补偿传感器的非的转换机理有意识地造成其某种非线性，以补偿传感器的非线性。目前，已有集成化产品，它结构紧凑，转换精度高，线性。目前，已有集成化产品，它结构紧凑，转换精度高，使用方便。使用方便。4.3.2 标度变换标度变换 在多路数据采集系统中，各参数都有不同的量纲和数值。在多路数据采集系统中，各参数都有不同的量纲和数值。如用热电偶测温，温度单位为如用热电偶测温，温度单位为oC，但不同热电偶输出电动势，但不同热电偶输出电动势不同，分度号为不同，分度号为S的热电偶在的热电偶在1 6000C时为时为16.716mV，分度号为分度号为K的热电偶在的热电偶在1 2000C时为时为48.087 My;又如测又如测量压力的弹性元件一膜片、膜盒以及弹簧管等，其压力范围量压力的弹性元件一膜片、膜盒以及弹簧管等，其压力范围上一页 下一页返回4.3 传感器信号非线性校正及标度传感器信号非线性校正及标度变换变换从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压值也不同的信号经变送器转换成值也不同的信号经变送器转换成0一一5V的标准信号，又经的标准信号，又经A/D转换成转换成00一一FFH(8位位)的数字量。为了进行显示、记的数字量。为了进行显示、记录、打印及报警等，必须把这些数字量转换成与被测量相应录、打印及报警等，必须把这些数字量转换成与被测量相应的量纲，这就是标度变换。对一些线性仪表，标度变换公式的量纲，这就是标度变换。对一些线性仪表，标度变换公式为为上一页返回图图4-1数据采集系统的构成数据采集系统的构成返回图图4-2仪表放大器结构图仪表放大器结构图返回图图4-3校正特性的求取校正特性的求取返回图图4-4提升校正特性的获得提升校正特性的获得返回