第10章 传感器的信号处理

1、的信号处理的信号处理 2022-2-22一、教学目标一、教学目标（1 1）了解传感器信号的非线性修正。了解传感器信号的非线性修正。（2 2）掌握传感器信号的调制、放大、转换。）掌握传感器信号的调制、放大、转换。（3 3）理解传感器的干扰抑制技术。）理解传感器的干扰抑制技术。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1 1、重点：传感器信号的调制、放大、转换、重点：传感器信号的调制、放大、转换2 2、难点：传感器信号的调制、放大、转换、难点：传感器信号的调制、放大、转换三、教学学时三、教学学时 6 6学时学时10.1 调制与解调调制与解调1 1、 调制的概念调制的概念 在被测信号上叠加一高频信号，将它

2、从低频区推在被测信号上叠加一高频信号，将它从低频区推移到高频区，提高电路的移到高频区，提高电路的抗干扰能力和信号的信抗干扰能力和信号的信噪比。噪比。以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载体称为载波信号载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为相位的信号称为调制信号调制信号。经过调制的载波信号称为经过调制的载波信号称为已调信号已调信号。已调信号一。已调信号一般都便于放大和传输。般都便于放大和传输。在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。在信号调制中常以一个高频正弦信号作

3、为载波信号。正弦信号的三要素为正弦信号的三要素为幅值幅值、频率频率和和相位相位，对这三个参，对这三个参数进行调制，分别称为数进行调制，分别称为调幅、调频调幅、调频和和调相调相，其波形分，其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。别称为调幅波、调频波和调相波。 调制的种类包含以下三种：调制的种类包含以下三种：（1）高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为）高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为调幅调幅，以以AM表示。表示。（2）高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为）高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频调频，以以FM表示。表示。（3）高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，）高频振荡的相位受缓变信号控

4、制时，称为调相，以以PM表示。表示。（a a）调频波）调频波（b b）调幅波）调幅波图图10-2 10-2 两种典型的波形两种典型的波形 从已经调制的信号中提取反映被测量从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为值的测量信号，这一过程称为解调解调。 所谓解调就是从已被放大和传输的，所谓解调就是从已被放大和传输的，且有原来信号信息的高频信号中，把且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。原来信号取出的过程。 解调的目的是为了恢复原来的信号解调的目的是为了恢复原来的信号。 将传感器的微弱信号精确地放大到所将传感器的微弱信号精确地放大到所需要的统一标准信号需要的统一标准信号

5、(直流直流15 V或或420 mA)，并达到所需要的技术指，并达到所需要的技术指标，称为标，称为信号的放大信号的放大。 10.2.1 比例放大器比例放大器1.反相比例放大器反相比例放大器ffrRAR 图图10-13 10-13 简单的反相比例放大器的内部电路图简单的反相比例放大器的内部电路图图图10-15 同相比例放大器的内部电路图同相比例放大器的内部电路图图图10-16 差动比例放大器的内部电路图差动比例放大器的内部电路图ffrRAR优点：优点：能抑制共模信能抑制共模信号，抗干扰能号，抗干扰能力强。力强。图图10-18 10-18 电源接地式电桥放大器的内部电路图电源接地式电桥放大器的内部电

6、路图图图10-20 线性放大器的内部电路图线性放大器的内部电路图图图10-2010-20实际上是在图实际上是在图10-1810-18的基础上增加了一级求和的基础上增加了一级求和电路电路A2A2和一级反相电路和一级反相电路A3A3，其电路形成的线性放大器，其电路形成的线性放大器的非线性偏差很小，常用在要求较高精度的测量电路的非线性偏差很小，常用在要求较高精度的测量电路中。中。 隔离放大器是由隔离放大电路组成的，它隔离放大器是由隔离放大电路组成的，它是一种特殊的测量放大电路，其输入回路是一种特殊的测量放大电路，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电耦合

7、电耦合 。 在隔离放大器中信号的耦合方式主要有两在隔离放大器中信号的耦合方式主要有两种：一种是通过种：一种是通过光电耦合光电耦合，称为光电耦合，称为光电耦合隔离放大器；另一种是通过隔离放大器；另一种是通过电磁耦合电磁耦合，即，即经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放大器。离放大器。 图图10-27 变压器耦合隔离放大器的原理图变压器耦合隔离放大器的原理图图图10-28 光电耦合隔离放大器的原理图光电耦合隔离放大器的原理图图图10-29 典型的数字控制系统框图典型的数字控制系统框图1.A/D转换的概念和原理转换的概念和原理 1）A/D转换的概念转换的概念 模

8、拟信号到数字信号的转换称为模拟信号到数字信号的转换称为A/D 转换。转换。 能将模拟信号转换成数字信号的元件能将模拟信号转换成数字信号的元件称为称为A/D转换器，简称为转换器，简称为ADC。图图10-31 A/D转换的数据处理过程转换的数据处理过程 一般的一般的A/D转换过程是通过采样、保持、量转换过程是通过采样、保持、量化和编码这四个步骤完成的化和编码这四个步骤完成的 图图10-33 A/D10-33 A/D转换的过程转换的过程1.D/A转换的概念和原理转换的概念和原理 1）D/A转换的概念转换的概念 模拟信号到数字信号的转换称为模拟信号到数字信号的转换称为D/A转换。转换。 能把数字信号转

9、换成模拟信号的元件称为能把数字信号转换成模拟信号的元件称为D/A转换器，简称为转换器，简称为DAC。 把输入数字量中每位都按其权值分别转换把输入数字量中每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。成模拟量，并通过运算放大器求和相加。 REFo2nUUD式中，式中，U UREF REF 为参考电压（为参考电压（V V）；）；U Uo o为输出模拟量为输出模拟量（V V）；）；D D为数字量。为数字量。 在自动检测系统中，使用检测元件把被检在自动检测系统中，使用检测元件把被检测量转换成电量的时侯，被检测量与大多测量转换成电量的时侯，被检测量与大多数检测元件的输出电量往往不呈线性关系，

10、数检测元件的输出电量往往不呈线性关系，从而导致非线性输出。导致非线性输出的从而导致非线性输出。导致非线性输出的原因很多，常见的有：原因很多，常见的有：（1）检测元件变换原理导致的非线性。）检测元件变换原理导致的非线性。 （2）测量转换电路导致的非线性）测量转换电路导致的非线性 这些问题的解决有以下三种方法：这些问题的解决有以下三种方法：（1）缩小测量范围，取近似值。）缩小测量范围，取近似值。（2）采用非线性指示刻度。）采用非线性指示刻度。（3）加非线性校正环节。）加非线性校正环节。图图10-44 校正特性的求取方法校正特性的求取方法图图10-45 校正特性折线逼近法校正特性折线逼近法 用软件进

11、行传感器特性的非线性补偿的优点：用软件进行传感器特性的非线性补偿的优点：（1）采用这种方法省去了复杂的补偿硬件电路，简）采用这种方法省去了复杂的补偿硬件电路，简化了装置。化了装置。（2）采用这种方法可以发挥计算机的智能作用，提）采用这种方法可以发挥计算机的智能作用，提高了检测的准确性和精度。高了检测的准确性和精度。（3）适当改变软件内容就可对不同的传感器特性进）适当改变软件内容就可对不同的传感器特性进行补偿，也可利用一台微机对多个通道、多个参行补偿，也可利用一台微机对多个通道、多个参数进行补偿。数进行补偿。 采用软件实现数据线性化，一般可分为计算法、采用软件实现数据线性化，一般可分为计算法、查

12、表法和插值法。查表法和插值法。 1.计算法计算法：当传感器的输入量与输出量之间有确定的：当传感器的输入量与输出量之间有确定的数学表达式时，就可以采用计算法进行非线性补偿。数学表达式时，就可以采用计算法进行非线性补偿。2.查表法查表法：把被测量的变化分成若干等分点，把等分：把被测量的变化分成若干等分点，把等分点和相对应的输出数值组成一张表格，存放在计算机点和相对应的输出数值组成一张表格，存放在计算机的存储器中，通过查表程序，直接从表中查出其对应的存储器中，通过查表程序，直接从表中查出其对应的输出量的数值。的输出量的数值。3.插值法插值法：插值法就是用一段简单的曲线，近似代替：插值法就是用一段简单

13、的曲线，近似代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似曲线公式计算这段区间里的实际曲线，然后通过近似曲线公式计算出输出量。出输出量。 10.5.1 干扰的产生干扰的产生 1.干扰干扰影响检测系统正常工作的各种内部和外影响检测系统正常工作的各种内部和外部因素的总和称为干扰，有时也称干扰部因素的总和称为干扰，有时也称干扰为噪声。为噪声。2.噪声噪声噪声对检测装置的影响必须与有用信号共噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。同分析才有意义。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（S S/ /N N）来表示，它是指在信号通道中，）来表示，它是指在信号通道中，有用信

14、号功率有用信号功率P PS S与噪声功率与噪声功率P PN N之比，或有之比，或有用信号电压用信号电压U US S与噪声电压与噪声电压U UN N之比。信噪比之比。信噪比常用对数形式来表示，单位为常用对数形式来表示，单位为dB.dB. 在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。噪声对测量结果的影响。 （1 1）噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收）噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，与有用信号无关。干扰是相对有用者的影响，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值，与有用信号而言的，只有噪声达到一定数值，与有用信

15、号一起进入智能仪器并影响正常工作才能形信号一起进入智能仪器并影响正常工作才能形成干扰。成干扰。（2 2）噪声与干扰互为因果关系，噪声是干扰之）噪声与干扰互为因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，它们之间是一个从量变因，干扰是噪声之果，它们之间是一个从量变到质变的过程。到质变的过程。（3 3）干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声）干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下难以消除，只能减弱。在一般情况下难以消除，只能减弱。干扰干扰外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰射线辐射干扰射线辐射干扰 温度干扰温度干扰 化学干扰化学干扰 湿度干扰湿度干扰 机械干扰机械干扰 光干扰光干扰 电磁干扰电磁干

16、扰 电源电路干扰电源电路干扰 元件干扰元件干扰 负载回路干扰负载回路干扰 信号通道干扰信号通道干扰 数字电路干扰数字电路干扰 电磁干扰主要是指任何可能引起装置、电磁干扰主要是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低的电磁现象。它是设备或系统性能降低的电磁现象。它是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，通常是由电磁辐射发生源（如马噪音，通常是由电磁辐射发生源（如马达和机器）产生的。达和机器）产生的。 闪电产生电磁场干扰闪电产生电磁场干扰 电吹风机产生的电吹风机产生的电磁波干扰以两电磁波干扰以两种途径到达电视种途径到达电视机：一是通过共机：一是通过共用的电源插座，

17、用的电源插座，二是以空间电磁二是以空间电磁场传输的方式由场传输的方式由电视机的天线接电视机的天线接收。应设法切断收。应设法切断这些干扰途径。这些干扰途径。 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。1）光电隔离）光电隔离光电隔离是以光作为

18、媒介在隔离元件的两端光电隔离是以光作为媒介在隔离元件的两端之间进行信号传输的，所用的元件是光电耦之间进行信号传输的，所用的元件是光电耦合器。具有较强的隔离和抗干扰能力。合器。具有较强的隔离和抗干扰能力。变压器隔离是利用隔离变压器将模拟信号电路变压器隔离是利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就是把模拟信号的与数字信号电路隔离开，也就是把模拟信号的接地点与数字信号的接地点断开，以使共模干接地点与数字信号的接地点断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电，切断两部分的地线联组互相独立的电源供电，切断两部分的地线联系。系。电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电联系，因此，可利用继电器线圈接收电接的电联系，因此，可利用继电器线圈接收电信号，而利用继电器的触点控制和传输电信号，信号，而利用继电器的触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔