1、河南工业职业技术学院电气工程系第第7 7章章 传感器与微机的传感器与微机的 接口技术接口技术掌握传感器信号的预处理方法、信掌握传感器信号的预处理方法、信号放大电路、数字采集系统号放大电路、数字采集系统掌握线性化方法、标度变换掌握线性化方法、标度变换第1页，共17页。第一讲第一讲 传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法v一、一、传感器与微机的接口传感器与微机的接口v二、二、传感器信号的预处理传感器信号的预处理第2页，共17页。一、传感器与微机的接口一、传感器与微机的接口输入接口输入接口:介于传感器与计算机之间的部分。其作介于传感器与计算机之间的部分。其作用是将传感器输出的模拟量转换成计算机
2、所能接受用是将传感器输出的模拟量转换成计算机所能接受的数字量，并按一定程序输入计算机。的数字量，并按一定程序输入计算机。传感器与计算机的接口电路组成：信号预处理电路、数据传感器与计算机的接口电路组成：信号预处理电路、数据采集系统和计算机接口电路组成。如图采集系统和计算机接口电路组成。如图7-1-1所示为传感器所示为传感器与计算机的接口框图。与计算机的接口框图。图图7-1-1传感器传感器与计算与计算机的接机的接口框图口框图第3页，共17页。u预处理电路：预处理电路：将传感器输出的非电压量转换成具有一将传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量；定幅值的电压量；u数据采集系统：数据采集系统：将
3、模拟电压量转换成数字量；将模拟电压量转换成数字量；u计算机接口电路：计算机接口电路：把把A/D转换后的数字信号送转换后的数字信号送入计算机，并将计算机发出的控制信号送至输入入计算机，并将计算机发出的控制信号送至输入接口的各功能部件。接口的各功能部件。第4页，共17页。二、传感器信号的预处理方法二、传感器信号的预处理方法1、传感器按输出的、传感器按输出的变化形式成分类变化形式成分类如图如图7-1-2所示为按所示为按输出形式分类。输出形式分类。图图7-1-2 传感器按输出方式分类传感器按输出方式分类第5页，共17页。2、传感器按输出的变化形式成分类、传感器按输出的变化形式成分类 在将传感器输出信号
4、转换成数字量之前需要进行某在将传感器输出信号转换成数字量之前需要进行某些预处理。该预处理和转换为数字量的工作内容，由传些预处理。该预处理和转换为数字量的工作内容，由传感器输出方式不同而各不相同。感器输出方式不同而各不相同。1 1）开关量信号预处理的方法）开关量信号预处理的方法 被测对象输入给传感器的物理量高于被测对象输入给传感器的物理量高于“某一定值某一定值”时，输出时，输出ON(ON(接通接通)状态，而低于该值时，就输出状态，而低于该值时，就输出OFF(OFF(断开断开)状态。这里的状态。这里的“某一定值某一定值”称为值或门限电平。称为值或门限电平。第6页，共17页。如图如图7-1-37-1
5、-3所示为这类开关传感器的理想特性。但这所示为这类开关传感器的理想特性。但这种特性并不实用，因为在传感器的输入信号中总要叠加种特性并不实用，因为在传感器的输入信号中总要叠加一些噪声成分，这些噪声成分就会改变输出的状态。图一些噪声成分，这些噪声成分就会改变输出的状态。图7-1-47-1-4为开为开/关式传感器的实用特性。关式传感器的实用特性。图图7-1-3 7-1-3 开开/关传感器的理想特性关传感器的理想特性 图图7-1-4 7-1-4 实用特性实用特性第7页，共17页。为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电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，或称为脉冲整形电
6、路，多使用施密特触路，称为鉴别器，或称为脉冲整形电路，多使用施密特触发器。发器。第8页，共17页。2 2）模拟脉冲式传感器信号预处理）模拟脉冲式传感器信号预处理 脉冲峰值式传感器是在每次被测物理量入射到传脉冲峰值式传感器是在每次被测物理量入射到传感器上时感器上时(不论是随机的还是周期性的都一样不论是随机的还是周期性的都一样)就产生脉冲就产生脉冲形式的输出信号，该信号的峰值与入射到传感器的物理量形式的输出信号，该信号的峰值与入射到传感器的物理量的值成比例。有代表性的用途是测量射线的值成比例。有代表性的用途是测量射线(带电粒子带电粒子)能量能量的传感器。的传感器。出于该峰值信息是模拟量，所以必须转
7、换成数字量后出于该峰值信息是模拟量，所以必须转换成数字量后才能输入到计算机中。转换成数字量需要使用才能输入到计算机中。转换成数字量需要使用A/DA/D转换器，转换器，这种转换需要一定的操作时间。在操作时间内如果这种转换需要一定的操作时间。在操作时间内如果A/DA/D转换转换器的模拟输入发生了变化，就会使转换后的数字信息出现器的模拟输入发生了变化，就会使转换后的数字信息出现错误。因此，传感器与错误。因此，传感器与A/DA/D转换器之间必须具有在操作时间转换器之间必须具有在操作时间内使峰值保持一定的功能。内使峰值保持一定的功能。脉冲峰值保持电路脉冲峰值保持电路就是为了实现就是为了实现这一功能而设置
8、的。这一功能而设置的。第9页，共17页。脉冲宽度式传感器中，每当被测物理量入射到传感脉冲宽度式传感器中，每当被测物理量入射到传感器时器时(不论是随机的还是周期性的不论是随机的还是周期性的)就产生一个脉冲状的就产生一个脉冲状的输出信号，该脉冲信号的宽度与入射到传感器上的物理输出信号，该脉冲信号的宽度与入射到传感器上的物理量的大小成比例。量的大小成比例。脉冲间隔式传感器中每当被测物理量入射到传感器脉冲间隔式传感器中每当被测物理量入射到传感器上时，就产生两种脉冲信号，每种产生一个脉肿，二者产牛上时，就产生两种脉冲信号，每种产生一个脉肿，二者产牛的时刻差的时刻差(时间间隔时间间隔)与入射到传感器的物理
9、量大小成比例。与入射到传感器的物理量大小成比例。脉冲宽度式和脉冲间隔式传感器脉冲宽度式和脉冲间隔式传感器第10页，共17页。其处理方法分为两种。一种方法是直接对时钟信号其处理方法分为两种。一种方法是直接对时钟信号进行数字计数，使它转换成数字信息；另一种方法是将进行数字计数，使它转换成数字信息；另一种方法是将时间信息转换成峰值信息，再通过时间信息转换成峰值信息，再通过A/D转换器将峰值转转换器将峰值转换成数字信息。时间峰值转换器换成数字信息。时间峰值转换器(Time to Amplitude Converter，简称，简称TAC)在巾场上也以单片形式销售。在巾场上也以单片形式销售。第11页，共1
10、7页。3 3）模拟连续式传感器信号预处理）模拟连续式传感器信号预处理图图7-1-7 7-1-7 模拟连续输出预处理的一般体系模拟连续输出预处理的一般体系第12页，共17页。模拟连续式传感器随输入给传感器的被测物则量模拟连续式传感器随输入给传感器的被测物则量x x的变化，传感器输出的电量的变化，传感器输出的电量s s是连续变化的。这里的电是连续变化的。这里的电量可以是电阻、电压、电流、电感或电容。量可以是电阻、电压、电流、电感或电容。u电阻式传感器常用交、直流电桥将电阻变化转换为电压变化；电阻式传感器常用交、直流电桥将电阻变化转换为电压变化；通过通过A/DA/D转换将电压值转换为数字量。转换将电
11、压值转换为数字量。u电感式和电容式传感器常用交流电桥或谐振电路进行预处理。电感式和电容式传感器常用交流电桥或谐振电路进行预处理。交流电桥的输出为调幅信号，谐振电路的输出有调幅和调频两交流电桥的输出为调幅信号，谐振电路的输出有调幅和调频两种，差动变压器的输出也是一个调幅信号，它们要经过检波或种，差动变压器的输出也是一个调幅信号，它们要经过检波或鉴频才能变成直流电压信号，再进行鉴频才能变成直流电压信号，再进行A/DA/D转换。调频信号可以直转换。调频信号可以直接用数字频率计计数。接用数字频率计计数。第13页，共17页。4 4）频率变化式传感器信号的预处理）频率变化式传感器信号的预处理 模拟频率变化
12、式传感器模拟频率变化式传感器多用于多普勒效应测速计多用于多普勒效应测速计(如棒球的如棒球的测速枪及交通速度管制的多普勒雷达等测速枪及交通速度管制的多普勒雷达等)中，由于输入到传感器中，由于输入到传感器的被测物理量值的大小不同，传感器产生的连续周期信号的频率的被测物理量值的大小不同，传感器产生的连续周期信号的频率将会模拟地变化。将会模拟地变化。脉冲重复频率式传感器脉冲重复频率式传感器产生脉冲信号，在单位时间产生脉冲信号，在单位时间内所产生的脉冲个数随着输入到传感器的被测物理量值的大小不同而内所产生的脉冲个数随着输入到传感器的被测物理量值的大小不同而变化。变化。这种传感器多用于利用光的非接触式转速
13、表等方面这种传感器多用于利用光的非接触式转速表等方面。这两种。这两种传感器所产生的信息基本上都是单位时间内波的数量传感器所产生的信息基本上都是单位时间内波的数量(频率频率)或或脉冲的个数。由于二者的内容是等价的，所以可以把它们当脉冲的个数。由于二者的内容是等价的，所以可以把它们当作频率来处理。作频率来处理。第14页，共17页。因此，如果将这些传感器都看作频率变化式传感器，因此，如果将这些传感器都看作频率变化式传感器，则用数字频率计计数，即转换成数字信息；或者利用频则用数字频率计计数，即转换成数字信息；或者利用频率电压转换电路把频率转换成电压，再经率电压转换电路把频率转换成电压，再经A/DA/D
14、转换即成，转换即成，如图如图7-1-87-1-8所示。所示。图图7-1-8 7-1-8 频率变化式传感器信号的预处理频率变化式传感器信号的预处理第15页，共17页。5 5）数字电量式传感器信号的预处理）数字电量式传感器信号的预处理 数字脉冲式传感器是将传感器产生的脉冲信号直数字脉冲式传感器是将传感器产生的脉冲信号直接作为输出信息。接作为输出信息。图图7-1-9 7-1-9 数字脉冲式传感器的预处理数字脉冲式传感器的预处理第16页，共17页。数字编码式传感器的特点是传感器的输出本身就是数字数字编码式传感器的特点是传感器的输出本身就是数字代码形式，这种传感器简称为代码式化感器。代码式传感器多代码形式，这种传感器简称为代码式化感器。代码式传感器多用于位置测量。用于位置测量。图图7-1-10 7-1-10 数字编码式传感器的预处理数字编码式传感器的预处理第17页，共17页。
