第6章-传感器信号的处理

1、传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术（第二版）主编主编 吴旗吴旗高等教育出版社 高等教育电子音像出版社传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材本章学习的主要内容：本章学习的主要内容：第六章第六章 传感器信号的处理传感器信号的处理1. 传感器信号的预处理传感器信号的预处理2. 测量放大器测量放大器3. 信号的调制与解调信号的调制与解调4. 有源滤波器有源滤波器5. 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正6. A/D转换器

2、的选择转换器的选择传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材61 传感器信号的预处理传感器信号的预处理 一、数据采集系统的组成一、数据采集系统的组成 数据采集系统的典型构成数据采集系统的典型构成 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材数据采集系统包括：数据采集系统包括：信号调理电路信号调理电路:放大器、滤波器等；放大器、滤波器等；多路模拟开关；多路模拟开关；采样采样/保持电路；保持电路；A/D转换器；转换器；接口控制逻辑电路。接口控制逻辑电路。传感

3、器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材1信号调理电路信号调理电路 把信号调整到符合把信号调整到符合A/D转换器工作所需要的数转换器工作所需要的数值（如放大、衰减、偏移等）；值（如放大、衰减、偏移等）；滤除信号中不需要的成分；滤除信号中不需要的成分；把信号调整到进一步处理的需要，如线性修正把信号调整到进一步处理的需要，如线性修正电路、改善信噪比的电路、改善信噪比的“相加平均相加平均”电路等。电路等。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材作用：让许多独

4、立的模拟信号共享采样作用：让许多独立的模拟信号共享采样/保持电保持电路和路和A/D转换等器件。转换等器件。2多路模拟开关多路模拟开关传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 A/D转换器的转换需要一定的时间。转换器的转换需要一定的时间。提高系统的测量速度，采样时间越短越好；提高系统的测量速度，采样时间越短越好；有良好的转换精度，保持时间越长越好。有良好的转换精度，保持时间越长越好。 3采样采样/保持电路（保持电路（S/H电路）电路） 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教

5、育“十一五”国家级规划教材采样保持波形采样保持波形 采样保持原理采样保持原理 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材常用的常用的A/D转换器是逐次逼近型和双斜积分型。转换器是逐次逼近型和双斜积分型。A/D转换过程包括采样、量化和编码三个步骤。转换过程包括采样、量化和编码三个步骤。 4A/D转换器转换器接口电路的功能：接口电路的功能： 实现逻辑电平、驱动能力的匹配等。实现逻辑电平、驱动能力的匹配等。5接口电路及控制逻辑接口电路及控制逻辑 控制逻辑的功能控制逻辑的功能： 实现时序要求上的匹配。实现时序要求上的匹配。 传感器

6、与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 Log2580系列现场独系列现场独立智能数据采集系统立智能数据采集系统采样速率采样速率100kHz，16bit分辨率分辨率 输入通道：输入通道：16单端单端/8差分模拟信号，可差分模拟信号，可扩至扩至256通道通道14个可编程输入量个可编程输入量程，最大可到程，最大可到20V 可直接测试各种传可直接测试各种传感器信号感器信号 24路通用数字路通用数字I/O，16路专用数字输入，路专用数字输入，可扩至可扩至208通道通道 性能参数：性能参数： 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社

7、 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材Personal Daqs USB 接口数据采集器接口数据采集器CBook2000系列高系列高精度便携数据采集器精度便携数据采集器传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材Cerebus 多通道数据采集系统多通道数据采集系统 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、传感器信号的预处理方法二、传感器信号的预处理方法 1传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点 （1）有开关信号、模

8、拟信号（电压、电流和阻抗）有开关信号、模拟信号（电压、电流和阻抗 等）、数字信号等；等）、数字信号等； （2）信号一般比较微弱；）信号一般比较微弱； （3）输出阻抗比较高，会产生较大的信号衰减；）输出阻抗比较高，会产生较大的信号衰减； （4）动态范围很宽；）动态范围很宽； （5）输出与输入之间的关系有时是非线性的；）输出与输入之间的关系有时是非线性的；（6）输出量会受温度的影响。）输出量会受温度的影响。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材2传感器信号的预处理方法传感器信号的预处理方法 （1）阻抗变换电路）阻抗变换电路

9、（2）放大电路）放大电路（3）电流电压转换电路）电流电压转换电路 （4）频率电压转换电路）频率电压转换电路（5）电桥电路）电桥电路（6）电荷放大器）电荷放大器 （7）交直流转换电路）交直流转换电路 （8）滤波电路）滤波电路 （9）非线性校正电路）非线性校正电路 （10）对数压缩电路）对数压缩电路传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材62 测量放大器测量放大器 一、仪表放大器及选择一、仪表放大器及选择 1仪表放大器仪表放大器仪表放大器原理图仪表放大器原理图传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版

10、社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材不难证明这个电路的电压放大倍数为不难证明这个电路的电压放大倍数为)21 (RRK1234uRR 放大器所采用的上述电路形式，是它具有放大器所采用的上述电路形式，是它具有输输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输入阻抗高、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出不包含共模信号等一系列优点。调节调节R1可改变放大倍数。可改变放大倍数。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普

11、通高等教育“十一五”国家级规划教材2仪表放大器的选择仪表放大器的选择主要考虑下面几个性能：主要考虑下面几个性能：（1）低噪声）低噪声 （2）高稳定性、低漂移）高稳定性、低漂移（3）高抗干扰性能）高抗干扰性能 （4）高输入阻抗）高输入阻抗（5）高共模抑制比）高共模抑制比 （6）高线性度）高线性度 （7）适宜的频率特性）适宜的频率特性 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、隔离放大器二、隔离放大器 主要功能：主要功能： 在输入信号与在输入信号与输出信号之间提供输出信号之间提供优良的欧姆隔离，优良的欧姆隔离，其中两个输入

12、端是其中两个输入端是完全浮离的。完全浮离的。隔离集成运放各引线示意图隔离集成运放各引线示意图传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 隔离方式主要采用电磁（变压器、电容）耦合和隔离方式主要采用电磁（变压器、电容）耦合和光电耦合，指标一般有以下几项：光电耦合，指标一般有以下几项：(1) 绝缘阻抗绝缘阻抗(2) 绝缘电压范围绝缘电压范围(3) 绝缘电压抑制比绝缘电压抑制比20logIMRR 输入与输出公共端电压差输出电压传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级

13、规划教材主要应用场合：主要应用场合： 高共模电压场合，例如：电力环境的测量。高共模电压场合，例如：电力环境的测量。 高电压隔离、漏电流极低，例如：医疗用监护仪。高电压隔离、漏电流极低，例如：医疗用监护仪。 对电子仪器提供保护，防止高压对仪器产生故障对电子仪器提供保护，防止高压对仪器产生故障和损坏。和损坏。 必须浮地连接的信号源，例如在低电平信号测量必须浮地连接的信号源，例如在低电平信号测量中避免地线环路和噪声的影响。中避免地线环路和噪声的影响。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材单端输入斩波放大器的原理图单端输入斩波

14、放大器的原理图三、斩波放大器三、斩波放大器 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 从广义说，从广义说，“斩波放大器斩波放大器”实际是一种直流实际是一种直流/交交流、交流流、交流/直流转换的放大器，主要解决晶体管放直流转换的放大器，主要解决晶体管放大器放大直流信号时漂移大的问题。大器放大直流信号时漂移大的问题。ZF 241型斩波稳零运放接线图型斩波稳零运放接线图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材63 信号的调制与解调信号的调制与解调 一、

15、信号调制的概念一、信号调制的概念 信号调制信号调制 调制调制 解调解调 调幅调幅 AM调频调频 FM调相调相 PM传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材调幅调幅AM原理动画演示原理动画演示传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材调频调频FM原理动画演示原理动画演示传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材调相调相PM原理动画演示原理动画演示传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教

16、育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、电桥调幅的原理二、电桥调幅的原理 iRUKU0K接法系数接法系数传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材）（），（tUUtRRmicos）（）（tUtRKUmcos0 当当时：时： 从信号调制角度说，电桥激励电压从信号调制角度说，电桥激励电压Ui是调是调制过程的载波，电桥的输入制过程的载波，电桥的输入R是调制过程的调是调制过程的调制信号，电桥的输出制信号，电桥的输出Uo是调制过程的调制波。是调制过程的调制波。 传感器与自动检测技术吴旗主编

17、高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材电桥调幅波的解调常用相敏检波器，其过程如下：电桥调幅波的解调常用相敏检波器，其过程如下：调幅波经过相敏检波后，反映出调制信号的幅调幅波经过相敏检波后，反映出调制信号的幅值和极性值和极性 。 再通过低通滤波器，可得到与信号一致，但放再通过低通滤波器，可得到与信号一致，但放大了的信号，达到了解调的目的。大了的信号，达到了解调的目的。 三、电桥调幅波的解调三、电桥调幅波的解调 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二极管相敏检波器的结构和输出

18、、输入的关系二极管相敏检波器的结构和输出、输入的关系 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（a）载波）载波（b）调制信号）调制信号（c）调幅）调幅（d）解调解调（e）输出波输出波调制波在调制和调制波在调制和解调时各瞬时波形图解调时各瞬时波形图传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材Y6D-3型动态应变仪调制过程各环节的波形型动态应变仪调制过程各环节的波形 四、应用举例四、应用举例 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出

19、版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材64 有源滤波器有源滤波器 按通过的频率范围分按通过的频率范围分低通滤波（低通滤波（LPF）高通滤波（高通滤波（HPF）带通滤波（带通滤波（BPF）带阻滤波（带阻滤波（BEF）按性质分按性质分无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材各类滤波器的特性图各类滤波器的特性图传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一

20、五”国家级规划教材则则 有源滤波器往往由多节串联。中心频率是各节中心有源滤波器往往由多节串联。中心频率是各节中心频率的几何平均值，即：频率的几何平均值，即： ，nnffff210iiCRf21innnnCCCRRRf212102/1nnmRRRR21nnmCCCC21mmCRf210 Ci的几何均值的几何均值 ， 其中其中 ， 代入得代入得 ， 令令Ri的几何均值的几何均值 ，传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、一、 有源带通滤波器（简称有源有源带通滤波器（简称有源BPF）基本形式基本形式电电 路路 形形 式式正

21、反馈型正反馈型超前滞后超前滞后BPF滞后超前滞后超前BPF文氏电桥文氏电桥BPF负反馈型负反馈型双双T型型BPF桥桥T型型BPF(复合反馈复合反馈BPF)桥桥T型型BPF有源带通滤波器的形式有源带通滤波器的形式 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材1 正反馈型正反馈型 把无源把无源BPF接入运放的正反馈回路中组成有源接入运放的正反馈回路中组成有源BPF 无源带通滤波器电路无源带通滤波器电路传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材滞后超前型有源带

22、通滤波器电路滞后超前型有源带通滤波器电路属于哪类无属于哪类无源源BPF？传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材文氏电桥型有源带通滤波器电路文氏电桥型有源带通滤波器电路传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材2负反馈型负反馈型无源带阻滤波器（无源带阻滤波器（ BEF ）电路）电路双双T桥桥T桥桥T把无源把无源BEF接入运放的负反接入运放的负反馈回路中，组成有源馈回路中，组成有源BPF。 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像

23、出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材T 型有源带通滤波器电路图型有源带通滤波器电路图传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二阶压控型二阶压控型BPF另外可直接由低通和高通串联组成带通。另外可直接由低通和高通串联组成带通。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材1正反馈型正反馈型 把无源把无源BEF接入运放正反馈回路，组成有源接入运放正反馈回路，组成有源BEF 。 双双 T 型有源型有源BEF电路电路 二、有源带阻滤波器（简称有源二

24、、有源带阻滤波器（简称有源BEF）传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材2负反馈型负反馈型 把无源把无源BPF接入运放的负反馈回路，组成有源接入运放的负反馈回路，组成有源BEF 文氏电桥型文氏电桥型BEF电路电路 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材改进文氏电桥改进文氏电桥BEF电路电路 同样可由低通和高通并联得到带阻。同样可由低通和高通并联得到带阻。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“

25、十一五”国家级规划教材三、三、 有源低通滤波器（简称有源有源低通滤波器（简称有源LPF）一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材超前滞后超前滞后BPF构成构成的两节有源的两节有源LPF电路电路 有源有源LPF的滤波特性的滤波特性传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 滞后超前滞后超前BPF构成构成的两节有源的两节有源HPF电路电路 有源有源HPF的滤波特性的滤波特性四、有源高通滤波器（简称有源四、有源高通滤波

26、器（简称有源HPF）传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材65 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 要解决要解决非线性非线性问题，在模拟量自动检问题，在模拟量自动检测系统中可采用三种方法：测系统中可采用三种方法： 缩小测量范围，取近似值缩小测量范围，取近似值采用非均匀的指示刻度采用非均匀的指示刻度增加非线性校正环节增加非线性校正环节传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、校正曲线的求取一、校正曲线的求取 为了避免作图过为了避免作图过

27、程中特性进入程中特性进入第二或第四象限，第二或第四象限，作特性时应适作特性时应适当地选取当地选取x、y坐标坐标的比例尺。的比例尺。 校正特性的求取图校正特性的求取图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、模拟量的非线性校正二、模拟量的非线性校正将校正特性曲线用连将校正特性曲线用连续有限的折线来代替续有限的折线来代替校正特性折线逼近法校正特性折线逼近法 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材xky101xx)(121xxkxky12xxx)(

28、)(231221xxkxxkxky23xxx)()()()(12112331221nnnnnxxkxxkxxkxxkxky22tgk nntgk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，11tgk 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：传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但太多了则会电路本身误差而影响精度。也越高。但太多了则会电路本

29、身误差而影响精度。在校正电路中通常采用运算放大器，当输入电压在校正电路中通常采用运算放大器，当输入电压为不同范围时，相应改变运算放大器的增益，从为不同范围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放而获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。大器。 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 提升校正特性的获得例图提升校正特性的获得例图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材非线性校正装置也可以放置在非线性校正装置

30、也可以放置在A/D转换之后，可以转换之后，可以采用硬件、软件处理来实现。采用硬件、软件处理来实现。用软件进行传感器特性的非线性补偿用软件进行传感器特性的非线性补偿 有三种方法：有三种方法：计算法、查表法和插值法。计算法、查表法和插值法。 三、数字量的非线性校正三、数字量的非线性校正 数字量软件非线性校正数字量软件非线性校正 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材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数学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。表达式时，就可以采用计

31、算法进行非线性补偿。2查表法查表法 当被测量与输出量没有确定的关系、计算非常当被测量与输出量没有确定的关系、计算非常复杂或不能用某种函数表达式进行拟合时，可采用复杂或不能用某种函数表达式进行拟合时，可采用查表法。查表法。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材特别指出：特别指出：3插值法插值法 插值法就是用一段简单的曲线，近似代替这段插值法就是用一段简单的曲线，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。在实时控制系统中，采用硬件处理是较合适的。在实时控制系统中，采用硬件处理是较合适的。如果时间足够时，应尽量采用软件方法，可简化如果时间足够时，应尽量采用软件方法，可简化硬件电路。硬件电路。总之，应根据系统的具体情况来决定非线性补偿总之，应根据系统的具体情况来决定非线性补偿方法，有时也可采用硬件和软件兼用的方法。方法，有时也可采用硬件和软件兼用的方法。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材66 A/D转换器的选择转换器的选择 大多数