6项目六 传感器信号处理（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（北京理工大学版）

项目六 传感器信号处理 一、传感器信号输出的特点 一般检测系统通常由传感器、测量电路(信号转换与信号处理电路)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和处理的电路，即微弱信号放大、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。 下一页 返回 项目六 传感器信号处理 二、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。常见信号处理电路有阻抗变换、信号的放大或衰减、滤波、线性化处理、数值运算、电气隔离等。 1.信号放大器 信号放大器是检测系统中广泛采用的信号处理电路，起放大作用;同时还可起跟随器、隔离器的作用。 信写一放大器主要有: (1)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，电路如图6-1(a)所示。 (2)反相放大器。有很小的输出阻抗电路，如图6-1(b)所示。 上一页 下一页 返回 项目六 传感器信号处理 集成运算放大器是内部具有差分放大电路的集成电路，国家标准规定的符号如图6-2(a)所示，习惯的表示符号如图6-2(b)所示。运放有两个信号输入端和一个输出端。两个输入端中，标“+”的为同相输入端;标“一”的为反相输入端。所谓同相或反相是表示输出信号与输入信号的相位相同或相反。uic=(ui1 - ui2)/2称为差模或差分输入信号， uic=(ui1 + ui2)/2则称为共模输入信号，输出信号为u0，其参考点为信号地理想的运算放大器(简称为运放)具有以下特征: (1)对差模信号的开环放大倍数为无穷大。 (2)共模抑制比无穷大。 (3)输入阻抗无穷大。 上一页 下一页 返回 项目六 传感器信号处理 如果集成运放土作在线性放大状态，那么它具有以下两个特点: (1)两输入端的电压非常接近，即ui1 ≈ ui2但不是短路，故称为“虚短”。在土程中分析电路时，可以认为ui1 = ui2 。 (2)流入两个输入端的电流通常可视为零，即ui≈ 0, i+ ≈ 0，但不是断开，故称为“虚断”。在土程中分析电路时，可以认为i- = i+ =0。 3.运放阻抗匹配器 传感器输出阻抗比较高，为防止信号的衰减，常采用高输入阻抗、低输出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阻抗匹配器、场效应品体管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。 上一页 下一页 返回 项目六 传感器信号处理 4.电桥电路 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。 三、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，而使信号产生不同程度的畸变。 上一页 下一页 返回 项目六 传感器信号处理 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;而信号电平越低，对干扰的限制也越严重。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，并非一切频率的干扰所造成的效果都相同。 上一页 下一页 返回 项目六 传感器信号处理 目前常用的抗干扰措施有以下几种。 1.屏蔽技术 利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。 1)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。