第六章 常用传感器原理及其测量电路

1、传感器常用测量电路传感器常用测量电路 一一 集成运算放大器集成运算放大器 二二 电桥电路电桥电路 三三 滤波器滤波器 四四 调制与解调调制与解调 这些处理手段称为信号调理这些处理手段称为信号调理 传感器常用测量电路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。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能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。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪有些

2、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。声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，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。对传感器测量进行调制解调处理。 目的目的 传感器常用测量电路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。成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。 一一 集

3、成运算放大器集成运算放大器 1 1、参数、参数 （1）开环放大倍数）开环放大倍数A=; （2）输入阻抗）输入阻抗ri=；输出阻抗；输出阻抗ro=0; （3）频带宽度）频带宽度BW=； （4）当）当UP=UN,UO=0; （5）没有温漂；）没有温漂； 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 l 通用集成运算放大器；通用集成运算放大器； l 高输入电阻型运放；高输入电阻型运放； l 高速型运放；高速型运放； l 低失调电压运放；低失调电压运放； l 高精度运放；高精度运放； l 斩波稳零运放；斩波稳零运放； l 大功率运放；大功率运放； 2、常见集成运算放大器、常见集成运算放大器 传感器常用测量电路

4、传感器常用测量电路 信号放大信号放大分类分类 特点特点 放大器放大器 直流放大器直流放大器 交流放大器交流放大器 电荷放大器电荷放大器 直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥 低频保留低频保留, ,高频截止高频截止 高频保留高频保留, ,低频截止低频截止 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 A A 直流放大电路直流放大电路 电压增益电压增益: : 1) 1) 反相放大器反相放大器 1 R R A F v 反馈电阻反馈电阻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。为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源的取值应远大于信

5、号源Ui的内阻的内阻。 3 3、常见放大电路、常见放大电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 _ + 2)2)同相放大器同相放大器 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。的特点，广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基同相放大器也是最基 本的电路本的电路 ，其闭环电压增，其闭环电压增 益益Av为为: 1 1 R R A F v 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 B B 交流放大电路交流放大电路 R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流可根据交流 放大器的下限频率放大器的下限频率f

6、L来确定。来确定。 )2/()103( 31LL fRCC 1 1 R R A F v 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运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。其中电容放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及及C3 为隔直电容。为隔直电容。 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 （1）差动输入放大电路：）差动输入放大电路： （2 2）带平衡电阻的反向输入放大电路：）带平衡电阻的反向输入放大电路： R1 Ui R2 - + A U0 Rf C C 其他放大电路其他放大电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 )( 1 0 ii f UU R R U A - U

7、1 R1 + U0 R2 R3 Rf A - Ui C + Rf U0 U2 U3 Ui C - A + U0 R + - Ui A U0 C R R1 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）运算电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 （4）测量放大器电路）测量放大器电路 45321210 / )(1)(RRRRRUUU 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 4 电荷放大器电荷放大器 fyiicai CeeCCCeq)()( ff y KCCC Kq e )( F + 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 1 1 直流电桥直流电桥 平衡条件平衡条件 4231 RRR

8、R eye0 R1 R4 R2 R3 0 4321 4231 )( e RRRR RRRR e y 二 电桥电路电桥电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 令：令： RR 1 RRR 3 RR 2 RR 4 0 )( )( e RRRRR RRRRR R Re 4 0 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 4/ 0 e RR e s y 灵灵敏敏度度： 0 4321 4231 )( e RRRR RRRR e y n所需的高稳定直流电源较易获得；所需的高稳定直流电源较易获得； n电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量； n对从传感器到测量仪表的连接导

9、线要求较低，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。电桥的平衡电路简单。 直流电桥优点：直流电桥优点： n直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电 位的影响。位的影响。 缺点是：缺点是： 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 电桥的接法：电桥的接法： 半桥半桥 单臂单臂 半桥半桥 双臂双臂 全桥全桥 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 0 4 1 es 0 2 1 es 0 es 2 2 交流电桥交流电桥 电容电容 电感电感 传感器传感器 传感器传感器 平衡条件平衡条件 4231 ZZZZ 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 两种常见的

10、交流电桥：两种常见的交流电桥： a、RC电桥电桥 b、RL电桥电桥 电桥平衡条件电桥平衡条件 4 2 1 3 4231 C R C R RRRR 2431 4231 RLRL RRRR 应用场合：应用场合：电容传感器的转换电路电容传感器的转换电路电感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传感器常用测量电路 交流电桥优点：交流电桥优点： 可以调制输出电压的频率可以调制输出电压的频率 交流放大容易；交流放大容易； 缺点：缺点： 调节平衡困难调节平衡困难 易受分布参数影响；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 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 0 4321

11、4231 )( )(U RRRR RRRR tU 4 4 电桥的应用电桥的应用 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。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。 0 4 4 2 43 43 3 3 2 43 43 2 2 2 21 21 1 1 2 21 21 )()()()( U R dR RR RR R dR RR RR R dR RR RR R dR RR RR dU + 加法特性的应用加法特性的应用 减法特性的应用减法特性的应用 三、滤波器三、滤波器 滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使 信号中特定频率

12、成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地 衰减其他频率成分衰减其他频率成分 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 1 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通低通 高通高通 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 带通带通 带阻带阻 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 2 滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种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。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低通

13、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低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器 3 3 理想滤波器理想滤波器 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。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传感器常用测量电路 fc H(f) f (f) 0 0 2)( 0 0 | )(| ftf ffA fH c 其它其它 理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域

14、内的脉冲响应函数 h(t)为为 sinc函函 数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。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，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单位脉时刻单位脉 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。不可实现。 fc H(f) 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 4 4 实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特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。性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。 0 f A 传

15、感器常用测量电路传感器常用测量电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 5 5 实际滤波器的技术指标实际滤波器的技术指标 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 1)截止频率截止频率fc：0.707A0所对应的频率所对应的频率 fc1-下截止频率下截止频率 fc2-上截止频率上截止频率 0 f 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 2)纹波幅度纹波幅度d：绕绕幅频特性均值幅频特性均值A0波动值波动值 最大波动指标：最大波动指标：)(lg20分分贝贝da p d 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 3)带宽带宽B： 上下两截频间的频率范围称为带宽。上下两截频间的频率范围称为带宽。 B

16、传感器常用测量电路传感器常用测量电路 4）倍频程选择性）倍频程选择性W 指在上截止频率指在上截止频率fc2与与2fc2之间幅频特性的衰减值，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。即频率变化一个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/oct表示（表示（Octave，倍频）。，倍频）。 衰减越快（即衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。值越大），滤波器的选择性越好。 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 1 1 () 2 20lg () c c f A W A f 2 2 (2) 20lg () c c Af W A f 或或: : 0 ffc1fc2 A0

17、0.707A0 5）中心频率）中心频率fn：上下两截频间的频率上下两截频间的频率fc1,fc2的集合的集合 平均值平均值。 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 6 6）恒带宽、恒带宽比滤波器）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，可以际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以 分为两种。分为两种。 b) b) 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 a) a) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 常数常数 Bff ff f cc cc n 12 21 2 常

18、数常数 Qf B fff n ccn 1 21 c c）倍频程滤波器）倍频程滤波器 倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。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传感器常用测量电路 fc2与与fc1是带通滤波器的上、下截止频率，它们是带通滤波器的上、下截止频率，它们 可以用下列关系式表示：可以用下列关系式表示： 12 2 c n c ff 当当n=1时，称为倍频程滤波器；时，称为倍频程滤波器； 当当n=1/3时，称为时，称为1/3倍频程滤波器；倍频程滤波器； 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 8）品质因数）品质因数Q： 中心频率和带宽之比称为品质因数中心频率和带宽之比称为品质

19、因数 。 B 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 B f Q n 6 RC6 RC无源滤波器无源滤波器 在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为这一领滤波器。因为这一领 域中信号频率相对来说不高。而域中信号频率相对来说不高。而RCRC滤波器电路简滤波器电路简 单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标 准阻容元件。准阻容元件。 1) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 xy y ee dt de RC 12 1 )( fj fH farctgf f f

20、A 2)( )2(1 1 )( 2 RC 令：令： 2) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 xyy edte RC e 1 12 2 )( fj f fH f arctgf f f fA 2 1 )( )2(1 2 )( 2 3) RC3) RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联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传感器常用测量电路 2 1 2 2 2 1 1 2 2 1 )( )2(1 1 )2(1 2 )( farctg f arctgf ff f fA 应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级

21、耦合时的应注意，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相互影响，因为后一级成为前一级的“负载负载”，而前一级又，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。有源滤波器由的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放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。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传感器

22、常用测量电路 7 7 有源滤波器有源滤波器 如果在低通滤波器后如果在低通滤波器后 面接一个放大器：面接一个放大器： 2 1 2 1 2 1 () 1 1 |()| ()1 C R R H j j RC R R H j f f 可见，其增益由可见，其增益由 2 1 1 R R 确定，而与时间常数确定，而与时间常数RC无关。无关。 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 通常利用一个运放可以构成通常利用一个运放可以构成 一个二阶滤波器，其电路为：一个二阶滤波器，其电路为： 2 11104123 1 305 0 ()()() i V VV YVV YV YY VYV Y 01 3 123453 4 (

23、 ) () i VYY H s VYYYY YYY 该种类型滤波器被称为无限该种类型滤波器被称为无限 增益多路反馈型滤波器增益多路反馈型滤波器.下面下面 推导其传递函数推导其传递函数. 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 根据根据Y1到到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、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，高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：以二阶低通为例： 2 22 ( ) 2 n nn A H s SS 13 13 11 .Y Y RR 55 YC S 4 4 1 Y R 22 YC S 13 25 13434 2 2534 11 . ( )

24、1111 1 () 1 n RR H s C SC S RRRR R C C R R 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 产品产品 LineDa: LTC1564 MAXIM: MAX74xx 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 8 8 滤波器的应用滤波器的应用 超门限报警超门限报警 案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤 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传感器常用测量电路

25、 案例：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，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：传感器输出的电压信号中包含三种成分： （1）表面坡度信号表面坡度信号 x1(t) f1 （2）表面粗糙度信号表面粗糙度信号 x2(t) f2 （3）高频电气干扰高频电气干扰 x3(t) f3 且且 f1 f2 xm(t) 时时,二极管的导通与截止全由载波二极管的导通与截止全由载波 信号信号y(t)决定。决定。 调幅波调幅波 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 A A 5 5 4 4 1 1 2 2 3 3 B B C C d d . . . . . . . . )(tx m 1 D 2 D 3 D 4 D f R f u c )(ty 3）相敏检波相敏检波 工作原理：工作原理： 调幅波与载波调幅波与载波y(t)同相同相 载波电压为正载波电压为正 均为正均为正 （ 原信号原信号x(t)为正）为正） 载波电压为负载波电压为负 yxm 传感器常用测量电路传感器常用测量电路 A A 5 5 4 4 1 1 2 2 3