传感器技术应用-10

1、IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日第第10章章 信号处理及系统集成信号处理及系统集成 本章的主要内容有信号转换和处理电路的工本章的主要内容有信号转换和处理电路的工作原理、主要功能，检测系统中抗干扰措施，检作原理、主要功能，检测系统中抗干扰措施，检测系统的组成等三部分。测系统的组成等三部分。 转换和处理电路的任务除了微弱信号放大、转换和处理电路的任务除了微弱信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处理功

2、能。为补偿，误差修正、量程切换等信号处理功能。为了保证检测系统的正常工作，必须采取适当的抗了保证检测系统的正常工作，必须采取适当的抗干扰措施。通过介绍几个典型检测系统来说明系干扰措施。通过介绍几个典型检测系统来说明系统集成的基本情况。统集成的基本情况。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日10.1 信号处理技术信号处理技术10.1.1 微弱信号放大微弱信号放大 1 测量放大器测量放大器 如右图所示，放大后的输出电压为： sU210RRUUsR1R2+-图10.1.1 运算放大器放大电路

3、为了克服干扰信号的影响，运算放大器一般采用差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大，以保证放大器正常工作。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日U0R1R2+-R2+-+-R3R3R4R4N2N1Ui图10.1.2 测量放大器原理图 对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运算放大器构成的测量放大器来进行放大的，经典的算放大器构成的测量放大器来进行放大的，经典的测量放大器由三个运算放大器构成，如下图所示。测量放大器由三个运算放大器构成，

4、如下图所示。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 上图中，N1、N2构成同相并联差动放大器，可以证明其证明这个电路的电压放大倍数为： 调整R1即可改变放大倍数。 测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。)21 (RRK1234uRRIVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏

5、州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 2.实用测量放大器实用测量放大器 如AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是最常用的两种单片测量放大器。 1) AD521 AD521的管脚功能与基本接法如下图所示。管脚OFFSET（1、6）用来调节放大器零点，调整方法是将该端子接到10K电位器的两个固定端，滑动端接电源负端。测量放大器计算公式为 Gs0uRRUUKiIVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日放大倍数在放大倍数在0

6、.1到到1000范围内调整，选用范围内调整，选用RS=100KRS=100K时，可以得到较稳定的放大倍数。时，可以得到较稳定的放大倍数。b)U0UiRG+IN-IN81013127116453214Rs=1000K10K图10.1.3 AD521管脚功能与基本接法a)管脚功能 b)基本接法1011121314+-+IN-INRGRGRsOFFSETOFFSETOUTPUTVRsV+COMDREFSENSEa)IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 2) AD522 AD522也是单芯片集

7、成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0.005%，杂0.1HZ到100HZ频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR120dB（K0=1000时）。 1011121314+-+IN-INRGRGDATA GUARDNULLOUTPUTV-空V+GNDREFSENSE图10.1.4 AD522管脚功能NULL AD522的管脚功能如图右所示。管脚4、6是调零端，2和14端连接调整放大倍数的电阻。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对信号的干扰。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区

8、职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 传感器输出的微弱信号经放大后，通常要进行远传感器输出的微弱信号经放大后，通常要进行远距离传输，为了避免电压信号在传输过程中的损失和距离传输，为了避免电压信号在传输过程中的损失和抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电流信号。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用流信号。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈表头，这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线表头，这也需要将直

9、流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压压电流变换器实现信号的的电流传送时，应使变换电流变换器实现信号的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（

10、第二版）2022年5月3日 10.1.2 线性化处理技术线性化处理技术 大多数传感器的输出信号和被测量之间的关大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系是非线性的。这是由于不少传感的转换原理并系是非线性的。这是由于不少传感的转换原理并非线性，其次是由于采用的电路是非线性的。可非线性，其次是由于采用的电路是非线性的。可通过缩小测量范围、采用非均匀的指示刻度及增通过缩小测量范围、采用非均匀的指示刻度及增加非线性校正环节等方法来消除其影响。加非线性校正环节等方法来消除其影响。 通常在设计测量仪表时总希望得到均匀的指通常在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，此外，如果仪表的刻度特性为线性，就示刻度，

11、此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的，从而能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节。线性，这就是非线性校正环节。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 1 .非线性校正的方法非

12、线性校正的方法 测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。 具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用下面的框图表示。理可用下面的框图表示。 图10.1.5 开环式非线性校正框图传感器放大器线性化器xu1u2u3IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月

13、3日 要解决的关键问题有两个：解决的关键问题有两个： 一是在给定一是在给定u u0 0-x x线性关系的前提下，根据已线性关系的前提下，根据已知的知的u u1 1-x x非线性关系和非线性关系和u u1 1- u u2 2线性关系求出线线性关系求出线性化器应当具有的性化器应当具有的u u1 1与与u u2 2非线性关系。二是设计适非线性关系。二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。当电路实现线性化器的非线性特性。 1) 1)解析计算法解析计算法设图上中传感器特性解析式为：设图上中传感器特性解析式为：方大器特性的解析式为：方大器特性的解析式为： 要求测量工具有的刻度方程为：要求测量工具有的刻度

14、方程为：将以上三式联立，消去中间变量将以上三式联立，消去中间变量u u1 1和和x x，就可以得就可以得到线性化器非线性特性的解析式：到线性化器非线性特性的解析式：根据上式即可设计线性化器的具体电路。根据上式即可设计线性化器的具体电路。)(11xfu 12Kuu 12Kuu )(012sUKfu IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 2) 图解法图解法 当传感器等环节的当传感器等环节的非线性特性用解析式表非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难示比较复杂或比较困难时，可用图解法求取线时

15、，可用图解法求取线性化器的输入性化器的输入-输入特性输入特性曲线，见右图，作图步曲线，见右图，作图步骤如下。骤如下。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 I. 将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1（x）。）。 II. 将放大器线性特性作于第二限，将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。 III. 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。 IV. 将将x轴轴n段，段数段，段数n由精度要求

16、决定。由点由精度要求决定。由点1、2、3、n各作各作x轴垂线，分别与轴垂线，分别与 V.u1=f(x)曲线及第四象限中的曲线及第四象限中的u0=sx直线交于直线交于10、12、13、1n及及4142434n各点。以后以各点。以后以第一象限中这些点作第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限轴平行线与第二象限u2=Ku1直线交于直线交于21、22、23、2n各点。各点。 VI. 由第二象限各点作由第二象限各点作x轴垂线，再由第四象限轴垂线，再由第四象限各点作各点作x轴平行线，两者在第三象限的轴平行线，两者在第三象限的 VII. 交点连线即为校正曲线交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)。这也是这也是

17、线形化器的非线性特性曲线。线形化器的非线性特性曲线。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 对测量仪表中非线性环对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理可由图反馈补偿法，其原理可由图10.2.3给出的框图表示。给出的框图表示。 在放大器上增加非线性在放大器上增加非线性反馈之后，使反馈之后，使u0与与u1之间之间出现非线性关系，用以补偿出现非线性关系，用以补偿传感器非线性，从而使整台传感器非线性，从而使整台仪表输入仪表输入-输出特性输出特性xu

18、0j具具有线性特性。有线性特性。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 2.非线性校正电路非线性校正电路 求出线性化器的输入求出线性化器的输入-输出输出特性曲线之后，就是如何用适特性曲线之后，就是如何用适当的电路来实现它。显然在这当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线性元件，类电路中需要有非线性元件，例如将二极管或三极管置于运例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成对算放大器的反馈回路中构成对数运算放大器，就能对输入信数运算放大器，就能对输入信号进行对数运算，它可用于射号

19、进行对数运算，它可用于射线测厚仪的非线性校正电路中。线测厚仪的非线性校正电路中。由于折线可以分段逼近任意曲由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正线，从而就可以得非线性校正环节所需要的特性曲线。环节所需要的特性曲线。 图10.1.8 折线逼近法xx4x3x2x103214y折线逼近法如上图所示。将非线性折线逼近法如上图所示。将非线性校正环节所需要的特性曲线用若干校正环节所需要的特性曲线用若干有限的线段代替，然后根据各转折有限的线段代替，然后根据各转折点点xi和各段折线的斜率和各段折线的斜率ki来设计电路。来设计电路。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职

20、业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程：根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程：xky101xx)(121xxkxky12xxx)()(231221xxkxxkxky23xxx)()()()(12112331221nnnnnxxkxxkxxkxxkxky式中，式中，xi为折线的各转折点，为折线的各转折点，ki为各线段的斜率，为各线段的斜率，可以可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技

21、术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日左图是一个最简单的折点电路，其中左图是一个最简单的折点电路，其中E决定了转折点决定了转折点偏置电压，二极管偏置电压，二极管V作开关用，其转折电压为作开关用，其转折电压为式中，式中，UD为二极管正向压降。为二极管正向压降。右图是另一种折点电路，其转折电压为右图是另一种折点电路，其转折电压为 由上式可知转折电压不仅与由上式可知转折电压不仅与E E有关，还有二极管正向有关，还有二极管正向压降压降U UD D有关。有关。)1 (21211RRURREUDDUEU1图10.1.9 简单折点电路RVUEIU10UI图10.1.10

22、 另一种折点电路RUiEU10RLVR1U0U0UiIVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日U010U0UiU02U03+-NR1R2Rf2Rf1Rf3U0R2R3UiV2V1E2E3图10.1.11 用折点单元构成非线性校正电路a) 校正曲线 b) 电路 上图是用于上图是用于EU-2型热电偶在型热电偶在013000范围内的非范围内的非线性校正电路原理图。测量范围分线性校正电路原理图。测量范围分5 5段，用段，用5 5段折线逼段折线逼近校正曲线，图中只画了三段折线和相应的电路。近校正曲线，

23、图中只画了三段折线和相应的电路。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 当输出电压当输出电压U0U01二极管二极管V1导通，导通，Rf2接入。这接入。这时接成的非线性电路反馈电阻为时接成的非线性电路反馈电阻为Rf1/Rf2。当当U0U02时，时，V2又不导通，反馈电阻又不导通，反馈电阻Rf3接入，接入，以后随着，以后随着U0的继的继续增加，续增加，RF4、Rf5（图中未画出）相继接入电路。图中未画出）相继接入电路。 电路中，当选定电路中，当选定R1（这里这里R1=1K）并使并使R2R1

24、，且运算放大器为理想放大器时，则可求得各段反馈电阻。且运算放大器为理想放大器时，则可求得各段反馈电阻。第三段折线引入正反馈，第三段折线引入正反馈，可以用右图表示。可以用右图表示。RfnR1+RfnRfnR1+RfnR2R2+Rf3+-NU0Ui图10.1.12 引入正反馈的电路框图IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 上述电路简单，但精度不高。因为所用二极管上述电路简单，但精度不高。因为所用二极管不是理想开关，正向特性曲线的非线性和正向导通不是理想开关，正向特性曲线的非线性和正向导通压

25、降的温度漂移都会影响转换精度。下图为精密折压降的温度漂移都会影响转换精度。下图为精密折点单元电路，它是由理想二极管电路与基准电源点单元电路，它是由理想二极管电路与基准电源E组成。由图可知，当组成。由图可知，当Ui与与E之和为正时，运算放大之和为正时，运算放大器的输出为负，器的输出为负，V V2 2导通，导通，V V1 1截止，电路输出为截止，电路输出为零。零。当当Ui与与E之和为负时，之和为负时，V V1 1导通，导通，V V2 2截止，电路组成一截止，电路组成一个反馈放大器，输出电压随个反馈放大器，输出电压随Ui的变化而改变，有的变化而改变，有ERRURRUfif210IVT电子工程系电子工

26、程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 3.非线性特性软件线性化处理非线性特性软件线性化处理 设某传感器非线性校正曲线如右图所示。它是设某传感器非线性校正曲线如右图所示。它是一个非线性函数关系。将输入量一个非线性函数关系。将输入量x按一定要求分为按一定要求分为N个区间，每个个区间，每个xk都对应一个输出都对应一个输出yk。把这些把这些（xk,yk）编制成表格存贮起来。实际的输入量编制成表格存贮起来。实际的输入量xi一定会落在某个区间（一定会落在某个区间（xk-1，xk）内，即内，即xk-1xi0.5。对于一台

27、多级放大器，各放大级之间会通过电源的内阻对于一台多级放大器，各放大级之间会通过电源的内阻抗产生耦合干扰。因此，多级放大器的级间及供电必须抗产生耦合干扰。因此，多级放大器的级间及供电必须进行退耦滤波，可采用进行退耦滤波，可采用R-C退耦滤波器。由于电解电容退耦滤波器。由于电解电容在频率较高时呈现电感特性，所以退耦电容常由两个电在频率较高时呈现电感特性，所以退耦电容常由两个电容并联组成。一个为电解电容，起低频退耦作用；另一容并联组成。一个为电解电容，起低频退耦作用；另一个为小容量的非电解电容，起高频退耦作用。个为小容量的非电解电容，起高频退耦作用。 LC2RIVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区

28、职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日10.4.6 光耦合器光耦合器 使用光耦合器切断地环路电流干扰是十分有效的。使用光耦合器切断地环路电流干扰是十分有效的。其原理如下图所示。由于两个电路之间采用光束来耦其原理如下图所示。由于两个电路之间采用光束来耦合，所以能把两个电路的地电位完全隔离开。这样两合，所以能把两个电路的地电位完全隔离开。这样两电路的地电位即使不同也不会造成干扰。光电耦合对电路的地电位即使不同也不会造成干扰。光电耦合对数字电路很适用，但在模拟电路中，因其线性度较差数字电路很适用，但在模拟电路中，因其线性度较差而应用

29、较少。而应用较少。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日10.4.7 脉冲电路中的噪声抑制脉冲电路中的噪声抑制 1.积分电路积分电路 下图下图是是积分电路消除干扰脉冲的原理图。当脉冲电积分电路消除干扰脉冲的原理图。当脉冲电路以脉冲前沿的相位作为信息传输时，通常用微分电路路以脉冲前沿的相位作为信息传输时，通常用微分电路取出前沿相位。但是，这时如果有噪声脉冲存在，其宽取出前沿相位。但是，这时如果有噪声脉冲存在，其宽度即使很小也会出现在输出中。如果再使用积分电路，度即使很小也会出现在输出中。如

30、果再使用积分电路，由于脉冲宽度大的信号由于脉冲宽度大的信号输出大，而脉冲宽度小输出大，而脉冲宽度小的噪声脉冲输出也小，的噪声脉冲输出也小，所以能将噪声干扰所以能将噪声干扰滤除掉。滤除掉。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 2.脉冲干扰隔离门脉冲干扰隔离门 可以用硅二极管的正向压降对幅度较小的干可以用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。如下图所示。电路中的二极管最好选用开通过。如下图所示。电路中的二极

31、管最好选用开关管。关管。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 3.相关量的利用相关量的利用 有脉冲干扰和信号的脉冲列，如下图所示。此有脉冲干扰和信号的脉冲列，如下图所示。此脉冲干扰幅值之高、时间之长都超过正常的脉冲信脉冲干扰幅值之高、时间之长都超过正常的脉冲信号，因此用上述方法是不能抑制的。号，因此用上述方法是不能抑制的。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 下面介绍两种利

32、用相关量抑制干扰的方法，一是如下面介绍两种利用相关量抑制干扰的方法，一是如下图下图a所示，其原理是：找出脉冲信号相关量所示，其原理是：找出脉冲信号相关量(同步脉冲同步脉冲)，以此量与脉冲信号同时作用到与门上，当两输入皆有信以此量与脉冲信号同时作用到与门上，当两输入皆有信号时，才能使与门打开送出脉冲信号，这样就抑制了脉号时，才能使与门打开送出脉冲信号，这样就抑制了脉冲中的干扰。冲中的干扰。二是如下图二是如下图b b所示，即为延迟环节法，要所示，即为延迟环节法，要使延迟的时间恰好与脉冲信号周期相同，才能有效地抑使延迟的时间恰好与脉冲信号周期相同，才能有效地抑制干扰。制干扰。 IVT电子工程系电子工

33、程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日10.5 典型检测系统简介典型检测系统简介10.5.1 单片机自动测温系统单片机自动测温系统 典型的单片机控制的测温系统，它由三大部分典型的单片机控制的测温系统，它由三大部分组成：组成：(1)测量放大电路；测量放大电路；(2)A/D转换电路；转换电路；(3)显显示电路。示电路。 1.硬件设计硬件设计 硬件电路如下页图所示。硬件电路如下页图所示。 (1) 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 本系统使用镍铬本系统使用镍铬镍硅热电偶，测温范围为镍硅热电偶，测温范围为0655，冷端

34、采用补偿，冷端采用补偿电桥法，利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶电桥法，利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 (2) 测量放大电路测量放大电路 见下页图所示，从热电见下页图所示，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏，且其中包含工频、偶

35、输出的信号最多不过几十毫伏，且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大需要放静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大器，它有很强和高输入阻抗，因此宜采用测量放大器，它有很强的抑制共模信号的能力。的抑制共模信号的能力。 (3) A/D(3) A/D(模数模数) )转换电路转换电路 经过测量放大器经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为放大后的电压信号，其电压范围为0 05V5V，此信号，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行为模拟信号，计算机无法接受，

36、故必须进行A/DA/D转转换。在此选用换。在此选用ICL7109ICL7109芯片。芯片。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 (4) ICL7109与与89C51的接口的接口 本系统采用直本系统采用直接接口方式，接接口方式，7109的的MODE端接地，使端接地，使7109工作工作于直接输出方式。振荡器选择端于直接输出方式。振荡器选择端(即

37、即OS端，端，24脚脚)接接地，则地，则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部的时钟振荡器以晶体振荡器工作，内部时钟等于时钟等于58分频后的振荡器频率，外接晶体为分频后的振荡器频率，外接晶体为6MHz，则时钟频率，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间。积分时间=2048时间周期时间周期=20ms，与，与50Hz电源周期相同。电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制积分时间为电源周期的整数倍，可抑制50Hz的串的串模干扰。模干扰。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5

38、月3日 (5)显示电路显示电路 采用采用3位位LED数码管显示数码管显示器，数码管的段控用器，数码管的段控用P1口输出，位控由口输出，位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。控制。7407是是6位的驱动门，它是位的驱动门，它是一个集电极开路门，当输入为一个集电极开路门，当输入为“0”时输出为时输出为“0”；输入为；输入为“1”时输出断开，须接上位电路。时输出断开，须接上位电路。共用两片共用两片7407，分别作为段控和位控的驱动。，分别作为段控和位控的驱动。数码管选共阳极接法，当位控为数码管选共阳极接法，当位控为“1”时，该数时，该数码管选通，动态显示用软件完成，以节省硬件码管选通，动态显示用软

39、件完成，以节省硬件成本。成本。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 2.软件设计 （1）ICL模块 从A/D转换器读取结果的模块，它连续读3次，读出3个结果分别存放于内部30H35H单元(双字节存放)。 （2）WAVE数字滤波模块 它是将ICL模块输出的3个结果排序，取中间的数作为选用的测量值。此模块可以避免因电路偶然波动而引起的脉冲量的干扰，使显示数据平稳。 （3）MODIFY模块 它是补偿热电偶冷端器25时的量值，相当于仪表中的零点调到25，称此模块为零点校正模块(此温度为室温)

40、。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 （4）YA查表模块查表模块 它是核心模块。表格数据是按它是核心模块。表格数据是按一定规律增长的数据一定规律增长的数据(0655)，表格中电压值与温度，表格中电压值与温度值一一对应，表格中的电压值是热电偶输出信号乘以放值一一对应，表格中的电压值是热电偶输出信号乘以放大倍数大倍数(150)以后的结果，变成十六进制数进行存放，低以后的结果，变成十六进制数进行存放，低位在前，高位在后，因而它的数据地址可以代表温度值。位在前，高位在后，因而它的数据地址可以

41、代表温度值。 （5）查表法）查表法 采用二分查找法，采用二分查找法，DP先找对半值同转先找对半值同转换数据比较，看属哪一半，修改表格上下限值，再进行换数据比较，看属哪一半，修改表格上下限值，再进行对半比较，经过若干次后，直到找到数据为止。对半比较，经过若干次后，直到找到数据为止。 （6）DIR 采用动态采用动态3位显示，显示时间由实验测位显示，显示时间由实验测定，各模块设计完成后要进行测试，尽量使其内聚性强、定，各模块设计完成后要进行测试，尽量使其内聚性强、模块间耦合性强，并采用数据耦合。模块间耦合性强，并采用数据耦合。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学

42、院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日10.5.2 盐浴炉温度控制系统盐浴炉温度控制系统 盐浴炉温度控制系统用盐浴炉温度控制系统用S型热电偶型热电偶检测温度信号，有冷端补偿，温度信检测温度信号，有冷端补偿，温度信号通过放大、采样保持、模数转换再号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为控制盐浴炉温度，控制周期为2s。可。可按预设温度曲线进行加热，并可实时按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。显示加温曲线。 IV

43、T电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日1）系统总体方案）系统总体方案 本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温本系统采用晶闸管调功实现盐浴炉的温度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的度控制，即通过控制晶闸管导通与关断的周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸周波数比率，从而达到调功的目的。晶闸管的触发由单片机控制，通过单片机编程管的触发由单片机控制，通过单片机编程可方便地实现按预定温度曲线进行加热。可方便地实现按预定温度曲线进行加热。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技

44、术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、盐浴炉炉温由热电偶感应，通过信号放大、采样保持、采样保持、A/D转换，再由单片机进行数据转换，再由单片机进行数据处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度处理及线性化校正，以实现盐浴炉实际温度的检测和显示。其系统总体框图如下：的检测和显示。其系统总体框图如下：IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日2 2）温度检测电路温度检测电路 盐浴炉常用温度在盐浴炉常用温度在8001500之间

45、，之间，热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直热电偶是测温的一次仪表，对它的选择将直接影响检测精度。目前测温常选用接影响检测精度。目前测温常选用K型镍铬型镍铬-镍硅热电偶，它具有较好的温度镍硅热电偶，它具有较好的温度-热电势线性热电势线性度，便于后续数据处理，但它不宜长期在度，便于后续数据处理，但它不宜长期在1300左右的高温下使用。因此，这里选用左右的高温下使用。因此，这里选用S型铂铑型铂铑-铂热电偶，其测温范围为铂热电偶，其测温范围为01600，它与它与K型相比，有较高的精度，但它的线性型相比，有较高的精度，但它的线性度较差。度较差。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏

46、州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 为此，采取每为此，采取每10分一段，分一段，8001500之间共之间共分分70段，在每一段中取各段中点的热电势率段，在每一段中取各段中点的热电势率K作为作为各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差各段诸点热电热率的平均值。该近似修正方法误差小，不超过放大电路和小，不超过放大电路和A/D转换等环节所产生的误转换等环节所产生的误差。热电偶温度检测与放大电路如下图。差。热电偶温度检测与放大电路如下图。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）

47、传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 其中其中ViVi为热电偶感应的热电势输入，为热电偶感应的热电势输入，经自稳零高精度运放经自稳零高精度运放ICL7650ICL7650放大后，放大后，V V0101=(R=(R4 4+R+R5 5) )* *Vi/RVi/R4 4 再由第二级运放再由第二级运放A741A741放大后放大后V V0202=(R=(R8 8+R+R7 7) )(R(R4 4+R+R5 5) )Vi/RVi/R4 4R R5 5 最后，为实现阻抗变换匹配需射极跟最后，为实现阻抗变换匹配需射极跟随器，也由随器，也由A741A741实现。实现。A/D转换选用转换选用ADC080

48、9，数字量送单片机，进行数值处，数字量送单片机，进行数值处理后得实际炉温，送理后得实际炉温，送LED显示。显示。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 3 3）过零检测及晶闸管触发电路过零检测及晶闸管触发电路 本系统采用双向晶闸管，即可控硅本系统采用双向晶闸管，即可控硅作为输出功率控制部件，通过可控硅调作为输出功率控制部件，通过可控硅调压来实现交流调功。触发有两种方法，压来实现交流调功。触发有两种方法，即移相触发和过零触发。移相触发是通即移相触发和过零触发。移相触发是通过改变电压调节导通

49、角来实现调压，但过改变电压调节导通角来实现调压，但改变电压波形。过零触发不改变电压的改变电压波形。过零触发不改变电压的波形而只改变电压全波通过的次数。波形而只改变电压全波通过的次数。过过零检测及晶闸管触发电路见下图。零检测及晶闸管触发电路见下图。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日10.5.3 超声波汽车测距告警装置超声波汽车测距告警装置

50、1.概述概述 超声波测距告警装置主要用于机场、货运码头超声波测距告警装置主要用于机场、货运码头等车辆较多的场合，以避免相互间的碰撞和挂擦。等车辆较多的场合，以避免相互间的碰撞和挂擦。要求能及时提醒驾驶员注意周围车辆情况，及早采要求能及时提醒驾驶员注意周围车辆情况，及早采取有效措施，防止发生事故，也可用于车辆行驶中取有效措施，防止发生事故，也可用于车辆行驶中车距的保持和控制，以防止追尾。车距的保持和控制，以防止追尾。 2 工作原理工作原理 如后面图所示，整个系统由超声波发射、超声波如后面图所示，整个系统由超声波发射、超声波接收、接收、8031单片机和声光报警、距离显示等组成。单片机和声光报警、距

51、离显示等组成。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组成。器、功率放大器及超声换能器组成。 单脉冲发生器在振单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自

52、单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。率放大后，通过超声换能器发射超声波。 接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器组成。接收到的超声波反射信号经超声换能器转换、放组成。接收到的超声波反射信号经超声换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示器显示车辆与飞机之间的距离，当该距离小于设定的示器显示车辆与飞机之间的距离，当该距离小于设定的告警距离时，启动报警系统报警。告警距离时，启动报警系统报警

53、。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调，为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调，如下图所示。如下图所示。V1为被放大后的含有干扰的接收信号，为被放大后的含有干扰的接收信号，经门限检测电路与门限电压经门限检测电路与门限电压V0比较后输出脉冲比较后输出脉冲V2。单稳电路单稳电路1和单稳电路和单稳电路2 相互配合与或非门共同构相互配合与或非门共同构成一个可以重新触发的单稳电路，通过此单稳电路，成一个可以重新触发的单稳电路，通过此单稳电路，实现对脉

54、冲序实现对脉冲序 列的延时积累，其输出为列的延时积累，其输出为V3，V3经经积分器积分后输出积分器积分后输出V4，最后经整形电，最后经整形电 路整形后输路整形后输出出V5 ，并送入单片机处理。，并送入单片机处理。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 3.软件设计软件设计 系统上电初始化后，先使安装在车辆四侧的超声系统上电初始化后，先使安装在车辆四侧的超声波收发装置处于发射状态并输出调制编码，同时开始波收发装置处于发射状态并输出调制编码，同时开始计时，在调制编码发送完毕后，使收发装置处于

55、计时，在调制编码发送完毕后，使收发装置处于 接收接收状态，并巡回检测四侧接收装置是否接收到返回信号。状态，并巡回检测四侧接收装置是否接收到返回信号。当某一侧检测到返回信号时，就结束计时，并保存计当某一侧检测到返回信号时，就结束计时，并保存计时时间，同时接收返回信号编码，并将其与发送编码时时间，同时接收返回信号编码，并将其与发送编码进行比较，进行比较， 若两者相符，则计算车辆与飞机间的距离，若两者相符，则计算车辆与飞机间的距离，并显示距离。然后将计算机所得的距离与设定并显示距离。然后将计算机所得的距离与设定 的告警的告警距离进行比较，若小于告警距离就发出报警，否则返距离进行比较，若小于告警距离就

56、发出报警，否则返回重发。回重发。IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日若四侧接收装置均若四侧接收装置均没有检测到返回信没有检测到返回信号，则判断接收限号，则判断接收限时是否已到，时是否已到， 若接若接收限时未到，则继收限时未到，则继续巡回检测接收装续巡回检测接收装置，否则返回发射置，否则返回发射状态重发编码。软状态重发编码。软件设计流程图如右件设计流程图如右图所示。图所示。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测

57、技术（第二版）2022年5月3日10.6 热电偶温度表的设计与制作热电偶温度表的设计与制作热电偶温度表由配套热电偶、外壳和核心测量电路等热电偶温度表由配套热电偶、外壳和核心测量电路等组成，其核心电路由三大部分组成：组成，其核心电路由三大部分组成：(1)测量放大电路；测量放大电路；(2)A/D转换电路；转换电路；(3)显示电路。一般用单片机作为信显示电路。一般用单片机作为信号处理和控制的核心，若对电路稍作改进也可变成温号处理和控制的核心，若对电路稍作改进也可变成温度控制器或兼具温度控制与报警双重功能。度控制器或兼具温度控制与报警双重功能。10.6.1 温度表硬件电路设计温度表硬件电路设计 1、热

58、电偶温度传感器及其冷端补偿方法的选择、热电偶温度传感器及其冷端补偿方法的选择 可根据测量温度高低来选择，尽量选用贱金属型可根据测量温度高低来选择，尽量选用贱金属型热电偶，以降低成本。如铁热电偶，以降低成本。如铁康铜型热电偶，被测温康铜型热电偶，被测温度范围可达度范围可达0400，冷端补偿采用补偿电桥法，采，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。化而引起的热电势变化值。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二

59、版）2022年5月3日 2、测量放大电路及其芯片、测量放大电路及其芯片 实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏（十毫伏（30mV），且其中包含工频、静电和磁），且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。入阻抗，因此宜采用测量放大电路。 实际电路中实际电路中A1、A2采用低漂移高精度运放采用低漂移高精度运放OP-07芯片，其输入失调电压温漂芯片，其输入失调电压温

60、漂VIOS和输入失和输入失调电流温漂调电流温漂IIOS都很小，都很小，OP-07采用超高工艺和采用超高工艺和“齐纳微调齐纳微调”技术，使其技术，使其VIOS、IIOS、VIOS和和IIOS都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。波和微弱信号的精密放大等。 IVT电子工程系电子工程系I苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年5月3日 3、A/D(模数模数)转换电路及其芯片转换电路及其芯片 经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围经过测量放大器放大后的电