传感器输出信号处理技术.ppt

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1、8.1传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点8.2 传感器输出信号处理电路传感器输出信号处理电路8.3输出信号的干扰及控制技术输出信号的干扰及控制技术传感器输出信号处理技术传感器输出信号处理技术一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数的无源型传感器（如电阻式、电感式、电容式等），需要先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如磁电式、热电式等），需要进行放大处理。因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换

2、和处理的电路。-微弱信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。8.1传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点传感器传感器-检出功能的器件检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）特点：特点：1）输出量为电压、电流、频率）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：）输出的电信号一般较微弱：电压电压-毫伏级、微伏级；电流毫伏级、微伏级；电流-毫安级、纳安毫安级、纳安级级3）输出信号与噪声混杂在一起）输出信号与噪声混杂在一起-传感器内部噪声传感器内部噪声

3、 传感器的信噪比小、输出信号弱传感器的信噪比小、输出信号弱-信号淹没在噪声中信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性）传感器的输出特性呈线性或非线性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制电阻、电容、电感电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性）外界环境的变化会影响传感器的输出特性检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分检测系统中形式最多样、与被测对象关联

4、最密切的部分 传感器信号处理方法传感器信号处理方法检出信号检出信号适合于分析和处理的信号适合于分析和处理的信号信号调理电路信号调理电路阻抗变换阻抗变换-输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/A）转换）转换-需要电流输出时；需要电流输出时；目的：目的：4）简化后续系统的组成）简化后续系统的组成2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度）提高测量、分析的准确度信号放大信号放大-输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制-信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/D）转换）转换-需要输出数字信号时需

5、要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量8.2 传感器输出信号处理电路传感器输出信号处理电路 各种信息由传感器采集后，变换成电量信号，必须先经过一系列的变换，以适合数据采集系统的采集。n阻抗变换、信号的放大或衰减、滤波、线性化处理、数值运算、电气隔离等。n例如当传感器输出信号十分微弱时，必须采用前置放大器，提高对信号的分辨率；当传感器输出信号输出阻抗很高时，必须采用阻抗变换器、电荷放大器等以变换阻抗和放大信号：当信号合有较多的噪声成分时，必须进行滤波处理等等。n信号放大器是检测系统中广泛采用的适调电路n起放大作用；同时还可起跟随器、

6、隔离器的作用。v同相放大器输入阻抗极高，常用作信号变换电路的前置输入部分 v反相放大器有很小的输出阻抗 v隔离放大器对模拟信号进行信号变换和电气隔离的电路。8.2.1信号放大器集成运算放大器的放大特性集成运算放大器的放大特性反相比例运算放大器反相比例运算放大器RFR1RPViVoi1i2i1=i2同相比例运算放大器同相比例运算放大器RFi2R1RPViVoi1同相跟随器同相跟随器ViVo此电路是电压并联负反此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随器相同，但是电压跟随性能好。性

7、能好。返回 运算放大器的引线运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。集成放大器的符号运算放大器复习运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。理想运算放大器的条件差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大23个量级即可。输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。带宽足够宽。共模

8、抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。理理想想运运算算放放大大器器具具有有“虚虚短短”和和“虚虚断断”的的特特性性，这这两两个个特特性性对对分分析析线线性性运运用用的的运运放放电电路路十十分分有有用用。为为了了保保证证线线性性运用，运放必须在闭环运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。负反馈）下工作。理想运算放大器的特性虚短虚短 由由于于运运放放的的电电压压放放大大倍倍数数很很大大，一一般般通通用用型型运运算算放放大大器器的的开开环环电电压压放放大大倍倍数数都都在在80 80 dBdB以以上上。而而运

9、运放放的的输输出出电电压压是是有有限限的的，一一般般在在10 10 V14 V。因因此此运运放放的的差差模模输输入入电电压压不不足足1 mV，两两输输入入端端近近似似等等电电位位，相相当当于于“短短路路”。开开环环电电压压放放大倍数越大，大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。两输入端的电位越接近相等。“虚虚短短”是是指指在在分分析析运运算算放放大大器器处处于于线线性性状状态态时时，可可把把两两输输入入端端视视为为等等电电位位，这这一一特特性性称称为为虚虚假假短短路路，简简称称虚虚短短。显然不能将两输入端真正短路。显然不能将两输入端真正短路。虚断虚断 由由于于运运放放的的差差模模输输入入电电阻阻

10、很很大大，一一般般通通用用型型运运算算放放大大器器的的输输入入电电阻阻都都在在1 1 M 以以上上。因因此此流流入入运运放放输输入入端端的的电电流流往往往往不不足足1 A，远远小小于于输输入入端端外外电电路路的的电电流流。故故通通常常可可把把运运放放的的两两输输入入端端视视为为开开路路，且且输输入入电电阻阻越越大大，两两输输入入端端越越接接近近开开路路。“虚虚断断”是是指指在在分分析析运运放放处处于于线线性性状状态态时时，可可以以把把两两输输入入端端视视为为等等效效开开路路，这这一一特特性性称称为为虚虚假假开开路路，简简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。称虚断。显然不能将两输入端真正断路。反

11、相输入式放大电路反相输入式放大电路 运算放大器的基本电路有反相输入式、同相输入式两种。反相输入式是指信号由反相端输入，同相输入式是指信号由同相端输入，它们是构成各种运算电路的基础。反相输入式放大电路，输入信号经R1加入反相输入端，Rf为反馈电阻，把输出信号电压Uo反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。反相输入式放大电路 1)“虚地”的概念 由于集成运放工作在线性区，U+=U-、Ii+=Ii-，即流过R2的电流为零。则U+=0，U-=U+=0，说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，是“虚假接地”，简称为“虚地”。“虚地”是反相输入式放大电路的重要特点。2)电压放大倍数 由于I

12、i-=0,则If=Ii,即 上式表明：反相输入式放大电路中，输入信号电压Ui和输出信号电压Uo相位相反，大小成比例关系，比例系数为Rf/R1，可以直接作为比例运算放大器。当Rf=R1时，Auf=-1,即输出电压和输入电压的大小相等，相位相反，此电路称为反相器。同相输入端电阻R2用于保持运放的静态平衡，要求R2=R1Rf。R2称为平衡电阻。3)主要特点 （1）集成运放的反相输入端为“虚地”（U-=0），它的共模输入电压可视为零，因此对集成运放的共模抑制比要求较低。（2）由于深度电压负反馈输出电阻小（Ro0），因此带负载能力较强。（3）由于并联负反馈输入电阻小（Ri=R1），因此要向信号源汲取一定

13、的电流。同相输入式放大电路同相输入式放大电路 输入信号Ui经R2加到集成运放的同相端，Rf为反馈电阻，R2为平衡电阻（R2=R1Rf）。1)虚短的概念 对同相输入式放大电路，U-和U+相等，相当于短路，称为“虚短”。由于U+=Ui，U-=Uf，则U+=U-=Ui=Uf。由于U+=U-，则 又由于U+=U-0，所以，在运放的两端引入了共模电压，其大小接近于Ui。2)电压放大倍数R1和Rf组成分压器，反馈电压 由于Ui=Uf，则由上式可得电压放大倍数 上式表明：同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比例关系，比例系数等于(1+Rf/R1)，此值与运放本身的参数无关。如 果 把Rf

14、短 路(Rf=0)，把R1断 开(R1)，则电压跟随器运放阻抗匹配器交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流，R3=R2uoR3uiR2-+N1C1差动放大器什么是差动放大器？什么是差动放大器？差动放大器差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。差动放大器 基本电路 共模与差模输入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic差动放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效电路ud=ui1ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效电路可得uo=R4

15、(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1)ud即只对差模信号进行放大只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当R1=R2，R3+R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分输出信号中无共模信号成分电桥放大电路电桥放大电路 何谓电桥放大电路？何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转

16、换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na)反相输入R+RR2R1uoRRRu-+Nb)同相输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路-+NR2=R1uoR1uR(1+)uaubRRR线性电桥放大电路uoR3R2=R（1+）R1uuaR1ub-+N8.3输出信号的干扰及控制技术输出信号的干扰及控制技术在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流形式传送的，由于检测装置内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，不可避免地要受到各种噪声干扰，而使信号产生不同

17、程度的畸变。噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声有自然界噪声源(如电离层的电磁现象产生的噪声)和人为噪声源(如电气设备、电台干扰等)；内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等。在检测装置中常用的干扰抑制技术，是根据具体情况，对干扰加以认真分析后，有针对性地正确地使用，往往可以得到满意的效果。在对具体问题进行分析时，一定要注意到信号与干扰之间的辩证关系。也就是说，干扰对测量结果的影响程度，是相对信号而言的。如高电平信号允许有较大的干扰；而信号电子越低，对干扰的限制也越严。通常，干扰的频率范围也是很宽的，但是，对于一台具体的测量仪器，并非一切频率的

18、干扰所造成的效果都相同。例如对直流测量仪表，一般都具有较大的惯性，即仪表本身具有低通滤波特性，因此它对频率较高的交流干扰不敏感；对于低频测量仪表，若输入端装有滤波器，则可将通带频率以外的干扰大大衰减。但是，若对工频干扰采用滤波器，会将50Hz的有用信号滤掉。因此，工频干扰是低频检测装置最严重的问题，是不易除去的干扰，对于宽频带的检测装置，在工作频带内的各种干扰都将起作用。在非电量的检测技术中，动态掼f量应用日趋广泛，所用的放大器、显示器、记录仪等的频带越来越宽，因此，这些装置的抗干扰问题也日趋重要。目前常用的抗干扰措施有如下几种。常用的干扰抑制技术常用的干扰抑制技术1.1.屏蔽技术屏蔽技术 利

19、用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是用导磁性良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种方法主要是防止静电或电磁干扰，称之为屏蔽。静电屏蔽静电屏蔽 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止两绕组间的静电耦合，就是静电屏蔽的范例。电磁屏蔽电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽

20、层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用，低频磁屏蔽低频磁屏蔽在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少磁阻。2.接地技术接地技术1)保护接地线，出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地用的地线。2)信号地线，它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，除特别

21、情况之外，一般与真正大地是隔绝的。信号地线分为两种：模拟信号地线及数字信号地线，因前者信号较弱，故对地线要求较高，而后者则要求可低些。3)信号源地线，它是传感器本身的信号电位基准公共线。4)交流电源地线。在检测装置中，上列四种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的相互干扰。通常在检测装置中至少要有三种分开的地线，如图所示。若设备使用交流电源时，则交流电源地线应和保护地线相连。图中三条地线应连在一起并通过一点接地。使用这种接地方式可以避免公共地线各点电位不均匀所产生的干扰。为了使屏蔽在防护检测装置不受外界电场的电容性或电阻性漏电影响时充分发挥作用，应将屏蔽线接到大地上。但是大地各处电位很不一致，

22、如果一个测量系统在两点接地，因两接地点不易获得同一电位，从而对两点(多点)接地电路造成干扰。这时地电位是装置输入端共模干扰电压的主要来源。因此，对一个测量电路只能一点接地。3.3.信号的滤波信号的滤波 滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分衰减其他频率成分滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通低通高通高通带通带通带阻带阻2 滤波器的串滤波器的串/并联并联 低低通通滤滤波波器器和和高高通通滤滤波波器器是是滤滤波波器器的的两两种种最最基基本本的的形形式式，其其它它

23、的的滤滤波波器器都都可可以以分分解解为为这这两种类型的滤波器。两种类型的滤波器。3 3 理想滤波器理想滤波器 理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。fcH(f)fQ(f)3.3.实际滤波器实际滤波器 理理想想滤滤波波器器是是不不存存在在的的，实实际际滤滤波波器器幅幅频频特特性中通带和阻带间没有严格界限性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。，存在过渡带。0fA4.4.恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实实际际滤滤波波器器频频率率通通带带通通常常是

24、是可可调调的的，根根据据实实际际滤滤波波器器中中心心频频率率与与带带宽宽之之问问的的数数值值关关系系，可可以以分为两种。分为两种。2)2)恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 1)1)恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 5.3信号的滤波信号的滤波 5.5.滤波器的应用滤波器的应用超门限报警超门限报警 案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警 案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律 动手做：动手做：调节计算机调节计算机mp3播放器等播放器等软件中的声音均衡器，试软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情验其对音乐信号的滤波情况。况。