第六章 常用传感器原理及其测量电路演示幻灯片

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。,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,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,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:,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。,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：,C其他放大电路,传感器常用测量电路,（3）运算电路,传感器常用测量电路,（4）测量放大器电路,传感器常用测量电路,4电荷放大器,传感器常用测量电路,1直流电桥,平衡条件,二电桥电路,传感器常用测量电路,令：,传感器常用测量电路,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：,传感器常用测量电路,2交流电桥,电容,电感,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,应用场合：,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,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。,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,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。,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。,0,f,A,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,0,f,1)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,0,f,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：,0,f,3)带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽。,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,或:,0,f,5）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,c）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：,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；,0,f,8）品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数。,传感器常用测量电路,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,2)一阶RC高通滤波器,传感器常用测量电路,3)RC带通滤波器,传感器常用测量电路,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：,可见，其增益由,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：,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：,传感器常用测量电路,产品,LineDa:LTC1564,MAXIM: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,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f1xm(t)时,二极管的导通与截止全由载波信号y(t)决定。,调幅波,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,工作原理：调幅波与载波y(t)同相载波电压为正均为正（原信号x(t)为正）载波电压为负,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,工作原理：调幅波与载波y(t)异相载波电压为正均为负（原信号x(t)为负）载波电压为负,传感器常用测量电路,例：动态应变仪,传感器常用测量电路,4频率调制与鉴频,调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,波形特征：(1)调频波的振幅变化规律与载波频率一致(2)调频波频率（即变化快慢）与调制信号波形变化一致,