第六章 常用传感器原理及其测量电路

传感器常用测量电路一集成运算放大器二电桥电路三滤波器四调制与解调这些处理手段称为信号调理传感器常用测量电路信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量进行调制解调处理。目的传感器常用测量电路集成运算放大器是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。一集成运算放大器1、参数（1）开环放大倍数A=∞;（2）输入阻抗ri=∞；输出阻抗ro=0;（3）频带宽度BW=∞；（4）当UP=UN,UO=0;（5）没有温漂；传感器常用测量电路通用集成运算放大器；高输入电阻型运放；高速型运放；低失调电压运放；高精度运放；斩波稳零运放；大功率运放；2、常见集成运算放大器传感器常用测量电路信号放大分类特点放大器直流放大器交流放大器电荷放大器直流电桥交流电桥低频保留,高频截止高频保留,低频截止传感器常用测量电路A直流放大电路电压增益:1)反相放大器1RRAFv反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。3、常见放大电路传感器常用测量电路_+2)同相放大器同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:11RRAFv传感器常用测量电路B交流放大电路R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。)2/()10~3(31LLfRCC11RRAFv若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。传感器常用测量电路（1）差动输入放大电路：（2）带平衡电阻的反向输入放大电路：R1UiR2-+AU0RfC其他放大电路传感器常用测量电路)(10iifUURRUA-U1R1+U0R2R3RfA-UiC+RfU0U2U3UiC-A+U0R+-UiAU0CRR1加法电路微分电路积分电路一阶惯性环节电路（3）运算电路传感器常用测量电路（4）测量放大器电路45321210/]/)(1)[(RRRRRUUU传感器常用测量电路4电荷放大器fyiicaiCeeCCCeq)()(ffyKCCCKqe)(F+传感器常用测量电路1直流电桥●平衡条件4231RRRReye0R1R4R2R3043214231))((eRRRRRRRRey二电桥电路传感器常用测量电路令：RR1RRR3RR2RR40))(()(eRRRRRRRRRRRRe40传感器常用测量电路4/0eRResy灵敏度：043214231))((eRRRRRRRRey所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。直流电桥优点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。缺点是：传感器常用测量电路电桥的接法：半桥单臂半桥双臂全桥传感器常用测量电路041es021es0es2交流电桥电容电感传感器传感器●平衡条件4231ZZZZ传感器常用测量电路两种常见的交流电桥：a、RC电桥b、RL电桥电桥平衡条件42134231CRCRRRRR24314231RLRLRRRR应用场合：电容传感器的转换电路电感传感器的转换电路传感器常用测量电路交流电桥优点：可以调制输出电压的频率交流放大容易；缺点：调节平衡困难易受分布参数影响；传感器常用测量电路传感器常用测量电路043214231))(()(URRRRRRRRtU4电桥的应用由电桥输出可以看出，不同的桥臂上的电阻（抗）的变化对输出的影响是不同的。04424343332434322221211122121)()()()(URdRRRRRRdRRRRRRdRRRRRRdRRRRRdU+－加法特性的应用减法特性的应用三、滤波器滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分．传感器常用测量电路1滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通高通传感器常用测量电路带通带阻传感器常用测量电路2滤波器的串/并联低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器传感器常用测量电路低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器3理想滤波器理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。传感器常用测量电路fcH(f)fφ(f)002)(00|)(|ftfffAfHc其它理想滤波器的物理不可实现理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。fcH(f)传感器常用测量电路4实际滤波器理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。0fA传感器常用测量电路传感器常用测量电路5实际滤波器的技术指标0ffc1fc2A00.707A01)截止频率fc：0.707A0所对应的频率．fc1----下截止频率fc2----上截止频率0f传感器常用测量电路2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值最大波动指标：)(lg20分贝dapd0ffc1fc2A00.707A03)带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽。B传感器常用测量电路4）倍频程选择性W指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。传感器常用测量电路11()220lg()ccfAWAf22(2)20lg()ccAfWAf或:0ffc1fc2A00.707A05）中心频率fn：上下两截频间的频率fc1,fc2的集合平均值。传感器常用测量电路6）恒带宽、恒带宽比滤波器实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。b)恒带宽比带通滤波器a)恒带宽带通滤波器传感器常用测量电路常数Bfffffccccn12212常数QfBfffnccn121c）倍频程滤波器倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。传感器常用测量电路fc2与fc1是带通滤波器的上、下截止频率，它们可以用下列关系式表示：122cncff当n=1时，称为倍频程滤波器；当n=1/3时，称为1/3倍频程滤波器；0ffc1fc2A00.707A08）品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数。B传感器常用测量电路BfQn6RC无源滤波器在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器传感器常用测量电路传感器常用测量电路xyyeedtdeRC121)(fjfHfarctgfffA2)()2(11)(2RC令：2)一阶RC高通滤波器传感器常用测量电路xyyedteRCe1122)(fjffHfarctgffffA21)()2(12)(23)RC带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联传感器常用测量电路2122211221)()2(11)2(12)(farctgfarctgfffffA应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。传感器常用测量电路7有源滤波器如果在低通滤波器后面接一个放大器：212121()11|()|()1CRRHjjRCRRHjff可见，其增益由211RR确定，而与时间常数RC无关。传感器常用测量电路通常利用一个运放可以构成一个二阶滤波器，其电路为：21110412313050()()()iVVVYVVYVYYVYVY0131234534()()iVYYHsVYYYYYYY该种类型滤波器被称为无限增益多路反馈型滤波器.下面推导其传递函数.传感器常用测量电路根据Y1到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：222()2nnnAHsSS131311..YYRR55YCS441YR22YCS1325134342253411.()11111()1nRRHsCSCSRRRRRCCRR传感器常用测量电路产品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx传感器常用测量电路传感器常用测量电路8滤波器的应用超门限报警案例：旅游索道钢缆检测传感器常用测量电路由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警传感器常用测量电路案例：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出的电压信号中包含三种成分：（1）表面坡度信号x1(t)f1（2）表面粗糙度信号x2(t)f2（3）高频电气干扰x3(t)f3且f1f2f3V0=x1(t)+x2(t)+x3(t)我们对V0进行频谱分析：为了准确地测量粗糙度信号，我们可以让V0分别通过一个低通滤波器和一个高通滤波器，分别滤掉f3和f1，这样f2就不失真的通过。传感器常用测量电路案例：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传感器常用测量电路四调制与解调1目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。传感器常用测量电路“调制”与“解调”的过程:人飞机的参数（如重量、速度等）控制飞机（载体）载有人的飞机调制人解调低频信号高频信号（载波）载波的参数（如幅度、频率、相位）已调波还原低频信号装载卸载传感器常用测量电路用被传送的低频信号去控制高频信号（载波）的参数（幅度、频率、相位），实现低频信号搬移到高频段。是调制的反过程。即：把低频信号从高频段搬移下来，还原被传送的低频信号。调制：解调：传感器常用测量电路为什么要通过调制来发送信号？天线尺寸的限制只有天线实际长度与电信号的波长可比拟时，电信号才能以电磁波形式有效辐射。可实现的回路带宽低频信号频率变化范围很大，很难做出参数在如此宽范围内变化的天线和调谐回路。区别不同的音频信号有利于接收来自不同发射机的信号（因为不同发射机有不同的载波频率）。传感器常用测量电路2种类调制信号x(t)0t载波信号)2cos()(ftAtzz(t)0t传感器常用测量电路调制的方式:控制调制低频信号高频信号（载波）载波的参数已调波幅度调制（简称“调幅”，AM）频率调制（简称“调频”，FM）相位调制（简称“调相”，PM）幅度频率相位角度调制相角传感器常用测量电路3调幅及其解调调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．解调是利用检波、滤波或其它技术从以调幅波中恢复出缓变信号的过程。)cos()]([)(fttxAty20缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号传感器常用测量电路