1、目 录阻抗匹配器阻抗匹配器电桥电路电桥电路放大电路放大电路噪声的抑制噪声的抑制52346传感器与微机的连接传感器与微机的连接1传感器的信号处理传感器的信号处理 传感器的接口电路对于传感器和检测系统是一个非常重要的连接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。在实际应用中，传感器接口电路位于传感器和检测电路之间，起着信号处理与连接作用。传感器接口电路的选择是根据传感器的输出信号的特点及用途确定的，不同的传感器具有不同的输出信号，因此，传感器的接口电路可以是一个放大器，也可以是一个信号转换电路或别的电路。3 3 传感器的接口电路传感器的接口电路3.1传感器的信号处理方法及作传感器的信号处理
2、方法及作用用3.1.1 传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点3.1.2 传感器信号的处理方法传感器信号的处理方法3.2 传感器与检测电路的一般结传感器与检测电路的一般结构形式构形式3.2 传感器与检测电路的一般结传感器与检测电路的一般结构形式构形式3.2 传感器与检测电路的一般结传感器与检测电路的一般结构形式构形式3.3 阻抗匹配器阻抗匹配器 传感器的输出阻抗都比较高，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。常见的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。图3-4a是半导体管阻抗匹配器，图3-4b是场效应管阻抗匹配
3、器，图3-4c是运算放大器阻抗匹配器。3.3 阻抗匹配器阻抗匹配器3.4 电桥电路电桥电路 电桥电路是传感器接口电路中经常使用的电路，是要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流信号。根据电桥供电电源不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器，例如热电阻、电位器等。交流电桥主要用于测量电容式传感器和电感器的变化。3.4.1 直流电桥及其特性直流电桥及其特性 直流电桥的基本电路如图3-5所示。直流电桥在应用中常出现误差，消除误差通常采用补偿法，其中包括零点平衡补偿、温度补偿和非线性补偿等。3.4.1.1 零点平衡补偿零点平衡补偿 图3-6给出了两种平衡补偿电路，图
4、3-6(a)为串联补偿、调节RP使其达到平衡状态。图3-6(b)为并联补偿，其中R5、R6、RP的作用是供零点调节变得平稳。3.4.1.2 温度补偿温度补偿 电桥的温度补偿一般采用热敏电阻并联补偿方法，如图3-7所示。其中RT为热敏电阻，r1和r2为温度系数较小的电阻。3.4.1.3 非线性补偿非线性补偿 电桥的相对非线性误差可用下式来确定，即 （3-6）式中：UOUT 电桥实际输出电压；UOL 电桥理想输出电压。当电桥的相对非线性误差满足不了测试要求时，必须予以消除。通常采用差动电桥来消除非线性误差。图3-8给出了应变片式传感器差动电桥，图(a)为半桥差动电桥，图(b)为全桥差动电桥。3.4
5、.1.3 非线性补偿非线性补偿3.4.2 交流电桥交流电桥3.4.2.1 电容式传感器配用的交流电桥电容式传感器配用的交流电桥图3-9为电容式传感器配用的两种交流式电路。图(a)为单臂接法的桥路，当电容式传感器输入的被测物理量x=0时，输出Cx=C0，交流电桥平衡，此时 （3-8）而当x0时，传感器输出为Cx=C0+C，交流电桥失去平衡，UOUT 0，则可按电桥输出电压的大小来测量被测物理量x。3.4.2.1 电容式传感器配用的交流电桥电容式传感器配用的交流电桥3.4.2.1 电容式传感器配用的交流电桥电容式传感器配用的交流电桥图(b)为差动式交流电桥电路，由变压器T的次级绕组和差动式电容传感
6、器组成，其空载时的输出电压为 （3-9）式中：U 变压器次级总电压量 C0 电容式传感器的初始电容 C 电容式传感器的输出电容的变化 2L 变压器次级绕组等效电感3.4.2.2 感应式传感器配用的交流电桥感应式传感器配用的交流电桥图3-10所示为电感式传感器配用的电桥电路。其中Z1和Z2为螺管式差动传感器两个线圈的阻抗，另外两个桥臂为变压器次级绕组。因为电桥有两桥臂为传感器的差动阻抗，所以这种桥路又称差动交流电桥，它常用于电感式测微仪传感器的接口电路。3.5 放大电路放大电路 传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大都数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或交流信号进行放
7、大处理，为检测系统提供高精度的模拟输入信号，它对检测系统的精度起着关键作用。目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，都采用运算放大器构成放大电路。3.5.1 反相放大器反相放大器 图3-11是反相放大器的基本电路。输入电压Uin通过电阻Ri加到反相输入端，其同相端接地，而输出端电压UOUT通过电阻RF反馈到反相输入端。反相放大器的输出电压，可由下式确定，即 (3-11)式中的负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数只取决于RF与Ri的比值，具有很大的灵活性，因此反相放大器广泛应用于各种比例运算中。3.5.1 反相放大器反相放大器 3.5.2 同相放大器同相放大器 图3-12是同相放大器的基本
8、电路。输入电压Uin直接从同相输入端加入，而输出端电压UOUT通过RF反馈到反相输入端。3.5.2 同相放大器同相放大器 同相放大器的输出电压，可由下式确定，即 （3-12）从上式可以看出，同相放大器的增益也同样取决于RF与Ri的比值，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值也比反相放大器多1。3.5.3 差动放大器差动放大器 图3-13是差动放大器的基本电路。两个输入信号U1和U2分别经R1和R2输入到运算器放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压则经RF反馈到反相输入端。电路中要求R1=R2、RF=R3差动放大器的输出电压，可由下式确定，即 （3-13）3.5.3 差动放大器
9、差动放大器差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。3.5.4 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器，其优点在于可避免传输电缆分布电容的影响。图3-14是一种用于压电传感器的电荷放大器的等效电路。3.5.4 电荷放大器电荷放大器 实际使用的电荷放大器由电荷转换级、适调放大级、低通滤波器组成，如图3-15所示。3.5.5 传感器与放大电路配接的示传感器与放大电路配接的示例例3.5.5.1 应变片电桥的配接放大电路应变片电桥的配接放大电路 图3-16是应变片测量电桥与配接的放大电路。其中应变式传感器作为电桥的一个臂，在电桥的输出端接入一个阻抗高、共
10、模抑制作用好的放大电路。3.5.5.2 PN结温度传感器配接的放大电结温度传感器配接的放大电路路 图3-17是PN结温度传感器配接的放大电路。传感器使用硅半导体三极管，基本上为衡流其中PN结温度特性为-2.2mV/。放大电路中的电位器RP1和R3用来调节输出电压与温度的对应关系，RP2和R4用来调节放大倍数。3.5.5.3 热电偶传感器配接的放大电路热电偶传感器配接的放大电路 图3-18是热电偶传感器配接的放大电路。其中热电偶产生的电动势为放大电路的输入信号。3.5.5.4 光敏二级管放大电路光敏二级管放大电路 图3-19是光敏二级管配接的放大电路。利用光敏二级管作为光电转换元件，配接运算放大
11、器可得到较大的输出电压幅度。放大器接成反相放大器，其中光敏二级管VD代替了反相放大器基本电路中的R1(见图3-11)。当有光照射光敏二极管产生电流I放大器的输出电压为 (3-17)3.5.5.5 光电池配接的放大电路光电池配接的放大电路 图3-20是硅光电池配接的放大电路。硅光电池在短路时，其短路电流和光照近似为正比关系，为此可以将它接到放大电路的两个输入端之间。利用两端电位差接近于零的特点，可以得到输出电压有如下的关系，即 (3-18)3.6 噪声的抑制噪声的抑制 在非电量的检测及控制中，往往混入一些干扰的噪声信号，它们会使测量结果产生很大的误差，这些误差将导致控制程序的紊乱，从而造成控制系
12、统中的执行机构产生误动作。因此在传感信号的处理中，噪声的抑制是非常重要的。噪声抑制也是传感器信号处理的重要内容之一。3.6.1 噪声产生的原因噪声产生的原因 所谓噪声就是测量系统中混入的无用信号，按噪声声源的不同，噪声可分为内部噪声和外部噪声。内部噪声是由传感器或检测电路元件内部带电微粒的无规则运动产生的。例如热噪声、散粒噪声以及接触不良引起的噪声。外部噪声是由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成的。外部噪声的来源主要为电磁辐射，当电机、开关及其它电子设备工作时会产生电磁辐射，雷电、大气电离及其它自然现象也会产生电磁辐射。3.6.2 噪声的抑制方法噪声的抑制方法噪声的抑制方法主要有以下几种：1
13、、选用质量好的元器件；2、屏蔽；3、接地；4、隔离；5、滤波.3.7 传感器与微机的连接传感器与微机的连接3.7.1传感器与微型机算机结合的传感器与微型机算机结合的重要性重要性 1.促进自动化水平的提高；2.有利于新产品的开发；3.提高企业管理水平；4.为技术改造开辟新的领域。3.7.2 检测信号在输入微型计算机检测信号在输入微型计算机前的处理前的处理 传感技术和微型计算机技术是构成现代检测技术和控制系统不可缺少的两个方面。微型计算机对数椐具有很强的处理能力，它可以对各种传感器的输出信号进行处理、分析和储存，然后将处理、分析的结果输出，用于驱动显示、记录设备以及反馈控制。虽然如此，在传感器将输
14、出信号输入给计算机前仍要进行必要的信号处理。3.7.2.1 接点开关型传感器接点开关型传感器 这类传感器的输出信号是由开关接点的通、断形成的，将这种信号输入给微型计算机是比较容易的，但要注意信号的抖动现象。如图3-25所示。3.7.2.1 接点开关型传感器接点开关型传感器3.7.2.2 无接点开关型传感器无接点开关型传感器 在无接点开关型传感器中，传感器输出的开关信号不存在抖动现象，也不是数字信号，而具有模拟输出特性。如图3-27所示。3.7.2.3 模拟输出型传感器模拟输出型传感器 模拟输出型传感器输出的是模拟信号，微型计算机是无法进行处理的，必须把传感器输出的模拟信号转换成数字量输入给计算
15、机，由计算机对信号进行分析处理。模拟输出型传感器按其输出特性可分为电压输出变化型、电流输出变化型及阻抗输出变化型三种。3.7.2.3 模拟输出型传感器模拟输出型传感器3.7.3 A/D模数接口电路模数接口电路 A/D模数接口电路的作用是将由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，并输入给微型计算机。A/D模数接口电路是由A/D转换器承担的。选择A/D转换器时，需要考虑它的精度、转换时间和价格。3.7.3.1 比较型比较型A/D转换器转换器 比较型A/D转换器一般由比较器、D/A数模转换器、时序电路和输出寄存器等组成，如图3-31所示。3.7.3.2 积分型积分型A/D转
16、换器转换器 积分型A/D转换器是先将输入的模拟电压转换成相应的时间间隔，然后采用计数器测量间隔的时间。在积分型A/D转换方式中，有单积分、双积分和多级积分等形式，其中应用最多的是双积分方式，其线形和噪声消除特性好，而且价格低。图3-32是双积分型A/D转换器的工作原理。3.7.3.2 积分型积分型A/D转换器转换器 3.7.4 采样保持电路及模拟多路转换采样保持电路及模拟多路转换器器 当使用一个A/D转换器对多路的模拟信号数字化时，必须使用模拟多路转换器及采样保持电路，如图3-33所示。3.7.5 电压频率转电路电压频率转电路 电压频率转换器也是模数转接口电路的一种，它将电压或电流转换成脉冲系列，该脉冲序列的瞬时周期精确的与模拟量成正比。虽然VF转换器是一种模拟模拟转换器电路，但由于频率可用数字方法进行测量，从而可以容易实现模数转换。VF转换电路的形式较多。但积分式VF转换电路应用最广泛。图3-34是积分式VF转换电路的工作原理图。3.7.5 电压频率转电路电压频率转电路3.7.6 动态应变数据采集分析系统动态应变数据采集分析系统 以XL3402C动态应变数据采集分析系统为例来说明连接过程。3.7.6 动态应变数据采集分析系统动态应变数据采集分析系统 USB2001采集器的信号输入接线采用DB37标准D型插座。
