传感器与检测技术第6章-现代检测技术课件

1、第6章 现代检测技术现代检测技术定义是:指采用先进的传感技术、信息处理技术、建模与推理等技术实现用常规仪表、方法和手段无法直接获取的对待测参数的检测。特点：从待测参数的性质看，主要用于非常见的参数的测量。 从应用的领域（对象）看，主要用于复杂设备（对象）、复杂过程的影响性能质量等方面的综合性参数的测量，如高速运动机械的故障分析、油品质量的检测等。从使用的技术或方法看，主要利用了新型的传感技术或传感器。 Contents传感器的补偿与标定6.1检测信号的调理电路6.2抗干扰技术6.3传感检测新技术6.4图6.1 实际传感器的几种典型输入输出特性曲线6.1传感器的补偿与标定6.1.1 传感器的补偿

2、传感器使用中的一个问题就是线性化及其补偿。线性化及补偿就是在使用传感器进行实际测量时, 对传感器的输入-输出特性进行补偿，也称线性化处理。 典型的输入-输出特性曲线图6.1为几种典型的输入-输出特性曲线6.1.1 传感器的补偿电桥电路传感器的补偿图6.3使用了反馈式线性补偿方法，可从图6.2a可知电桥输入电压为：图6.2 电桥电路a）电桥有一个桥臂电路 b）电桥有两个桥臂电路图6.3 利用反馈技术影响传感器电桥输入电压的原理电路图(6-1) 式中，X为传感器电阻的变化量。放大器的输出电压为： (6-2) (6-6)再由 得：则 可消除非线性误差。6.1.2 传感器的标定6.1.2 传感器的标定

3、传感器的标定，是指在明确输入和输出关系的前提下，利用某种标准或标准器对传感器进行刻度。如温度传感器的标定。 晶体管温度传感器的输出具有好的线性关系，原则上只要做两点定标即可。晶体管温度传感器具有非线性，要进行线性化补偿。经常选用的定标温度有水冰点0（273。15K）、沸点100（373。15K）和室温（300K）。 6.2 检测信号的调理电路6.2.1 测量电桥按照电桥所采用的电源不同可分为：直流电桥和交流电桥 按照输出测量方式不同可分为：不平衡电桥和平衡电桥 6.2.1 测量电桥直流电桥（1）电桥的工作原理图6.4是直流电桥的基本形式。 、 、 、 称为桥臂电阻， 为供桥直流电压源。当电桥输

4、出端 、 接入输入阻抗较大的仪表或放大器时，可视为开路，此时桥路电流：a、b之间与a、d之间的电位差：输出电压： 图6.4 直流电桥 (6-7) (6-8) (6-9) (6-10) (6-11) 6.2.1 测量电桥满足 直流电桥的平衡。当桥臂电阻 （如电阻应变片）产生 变化时，输出电压：当 时称为全等臂电桥。此时式（6-13）可写成：一般情况下 ，忽略分母中的 项，则： (6-12)(6-13)(6-14)(6-15)6.2.1 测量电桥 电桥在初始时处于平衡状态，当各桥臂电阻发生不同程度的微小变化时，电桥失去平衡，此时输出电压：为电桥输出电压与各桥臂电阻变化量的一般关系式。由于 ，忽略分

5、母中的 项和分子中的 高次项，对于最常用的全等臂电桥，可写为： (6-16)(6-17)6.2.1 测量电桥（2）直流电桥主要的特点：所需的高稳定度直流电源较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。 但直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。（3）电桥的连接方式电桥分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥三种连接方式，如图6-5所示。6.2.1 测量电桥图6.5 直流电桥的连接方式a) 单臂电桥 b) 差动电桥 c) 差动全桥6.2.1 测量电桥单臂电桥：如图6.5a所示，当 时，电桥输出电压

6、：差动半桥：如图6.5b所示，当 、 且 ， 电桥输出电压：差动全桥：如图6.5c所示 当 、 、 、 ， 且 ， 电桥输出电压：定义电桥的灵敏度为电桥的输出电压与电桥一个桥臂的电阻变化率之比值，即(6-18)(6-19)(6-20)(6-21)图6.7 电桥连接方式图6.6 用补偿块实现温度补偿a) 试件 b) 补偿块6.2.1 测量电桥（4）电桥的加减特性与应用 例6-1 桥路温度补偿。图6.6采用两片相同的应变片 和 。 贴在试件的测点上和补偿块上。 和 处于相同温度场中，并按图6.7接入电桥的相邻臂上。当试件受力且环境温度变化 时，应变片 的电阻变化率： 6.2.1 测量电桥 应变片

7、(为温度补偿片)只有受温度变化引起的电阻变化率 因为 由式(6-17)可知 结果消除了温度的影响，减少了测量误差。这种桥路补偿法在常温测量中经常采用。例6-2 利用加减特性提高半桥测量的灵敏度。测量如图6.8所示的纯弯试件时，应变片 和 分别贴于试件上下两表面，并按图6.7所示电桥接线。弯矩 作用下： 和 由温度引起的电阻变化率相同 由式(6-17)可得图6.8 半桥测量6.2.1 测量电桥6.2.1 测量电桥 例6-3 图6.9a对例6-2改进，应变片和贴在上表面，和贴在对称于中性层的下表面，并按图6.9b组成全等臂电桥。 试件受弯矩作用并考虑环境温度变化，则各桥臂的电阻变化率 代入式(6-

8、17)得 不仅实现了温度补偿，而且电桥 的输出为单臂电桥测量时的4倍，大 大提高了测量的灵敏度。图6.9 全桥测量a) 应变片粘贴位置 b) 电桥连接方式6.2.1 测量电桥2. 交流电桥 交流电桥电路如图6.10所示，其激励电压采用交流方式。桥臂的阻抗、电流和电压都用复数表示，则交流电桥平衡时必须满足复阻抗中包含有幅度及相位信息: 得: 则: 式(6-24)表明，交流电桥平衡必须满足两个条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。 图6.10 交流电桥(6-22)(6-23)(6-24)图6.11 电容电桥6.2.1

9、 测量电桥图6.11是一种常用电容电桥， 、 是电容介质的等效电阻，由式(6-24)得电桥平衡条件为： (6-25)(6-26)图6-12是一种常用电感电桥， 、 为电感线圈的等效电阻，由式(6-24)可得平衡条件为： 图6.12 电感电桥(6-27)(6-28)6.2.1 测量电桥图6.13 电阻交流电桥的分布电容 对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于每个桥臂上都并联了一个电容（如图6.13），因此，除了电阻平衡外，还须考虑电容平衡。图6.14是一种用于动态应变仪中的具有电阻和电容预调平衡的纯电阻电桥。图6.14 具有电阻电容平衡的交流电阻电桥6.2.1

10、测量电桥3. 感应耦合臂电桥 带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成电桥，一般有图6-15中a、b两种形式。图6.15 带感应耦合臂的电桥a) 变压器电桥 b) 差动变压器式电桥6.2.2 检测信号的放大与变换6.2.2 检测信号的放大与变换比例放大器 反相比例放大器电路如图6.16a所示。根据“虚短”和“虚断”的概念，反相放大器的放大倍数为 当 为反相跟随器。 反相比例放大器存在的问题是输入电阻较低， ，通常只有几千欧。采用图6.16b的电路，即同相比例放大器，可以得到较高的输入电阻。其放大倍数为 图6.16 运算放大器a) 反相比例放大器 b) 同相比例放大器(6-29)(

11、6-30)6.2.2 检测信号的放大与变换仪表放大器仪表放大器，又称测量放大器，则是专对于输出阻抗大、共模电压高的输入信号而设计的高输入阻抗和共模抑制比的差动放大器。典型的三运放仪表放大器电路如图6.17所示。图6.17 典型的三运放仪表放大器电路 根据运算放大器的特点和基本分析方法，在图6.17中，有若 、 、 则 是用于调节放大器放大倍数的外接电阻。 6.2.2 检测信号的放大与变换(6-31)(6-32)(6-33)(6-34)6.2.2 检测信号的放大与变换电压电流变换器 1. 010mA电压/电流变换电路电压/电流变换电路的作用是将电压信号变换为标准的电流信号。变换电路如图6.18所

12、示。若运算放大器的开环增益和输入阻抗足够大，则会有因此输出电流Ic与负载电阻无关。图6.18 010mA电压/电流转换电路 (6-35)图6.19 4mA20mA电压/电流变换电路特性 图6.20 4mA20mA电压/电流变换电路 6.2.2 检测信号的放大与变换4mA20mA电压/电流变换电路6.2.3 信号的调制与解调 调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数（幅值、频率或相位），使其按被测信号的规律变化，以利于信号的放大与传输。 若控制量是高频振荡波的幅值，则称为调幅（AM）；若控制量是高频振荡波的频率或相位，则称为调频（FM）或调相（PM）。 一般把控制高频振荡波的缓变

13、信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波，根据调制原理不同，分别称为调幅波、调频波，如图6.21所示。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制波）。 图6.21 载波、调制波及已调波 6.2.3 信号的调制与解调6.2.3 信号的调制与解调调幅及其解调原理 从调幅原理(图6.22)看，载波频率 必须高于原信号中的最高频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱，不致混叠。欲减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽（ ）相对中心频率（载波频率 ）应越小越好。工程应用中，载波频率至少应数倍甚至数十倍于被测信号的最高频率。但是载波频率的提高也受到放大电路截止

14、频率的限制。图6.22 调幅过程a) 时域 b) 频域6.2.3 信号的调制与解调调幅波的解调如图6.23所示，将调制波再次与原载波信号相乘，用低通滤波器滤去高频成分，就可以复现原信号的频谱。从时域看：图6.23 同步解调(6-39)6.2.3 信号的调制与解调(2) 包络检波 包络检波在时域内的流程如图6.24所示。若把调制信号 进行偏置，叠加一直流分量 ，使偏置后的信号 都具有正电压，然后再与高频载波相乘得到调幅波 ，其包络线具有调制波的形状。调幅波经过包络检波（整流、滤波）就可以恢复偏置后的信号 ，最后再将所加直流分量去掉，就可以恢复原调制信号 。图6.24 包络检波解调6.2.3 信号

15、的调制与解调(3) 相敏检波 相敏检波是为了从调制后的电信号中辨识原信号的极性变化。 相敏检波常用的有半波相敏检波和全波相敏检波。图6.25所示为一开关式全波相敏检波电路。图6.25 全拨开关式相敏检波a) 电路图 b) 波形图6.2.3 信号的调制与解调 图6.26为动态电阻应变仪，是电桥调幅与相敏检波的典型实例。图6.26 动态电阻应变仪方框图6.2.3 信号的调制与解调调频及其解调 定义：调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器的振荡频率，而输出是等幅波。 调频常用的方案是基于压控振荡器（VCO）原理。图6.27是一种简单的压控振荡器原理图。 图6.27 采用乘法器的压控振荡器6.2.3

16、信号的调制与解调 图6.28为另一种简单的鉴频电路，即变压器耦合的谐振回路鉴频，把频率变化转换为电压幅值的变化。该变换通常分两步完成：第一步先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波；第二步检测幅值的变化，得到原调制信号。 图6.28 利用谐振振幅进行鉴频a) 鉴频器 b) 频率电压特性曲线6.2.4 信号的滤波6.2.4 信号的滤波1.概述 一般将滤波器分4类，即低通、高通、带通和带阻滤波器。图6.29为4种滤波器的幅频特性。 是通带截止频率。 图6.29 四类滤波器的幅频特性a) 低通滤波器 b) 高通滤波器 c) 带通滤波器 d) 带阻滤波器6.2.4 信号的滤波2. 理想滤波器

17、图6.30为理想低通滤波器的幅频及相频特性曲线，其频率特性为理想低通滤波器的相频特性的直线斜率 。无相位滞后， ，则若如图6.30b所示平移了 。图6.30 理想低通滤波器a) 理想低通滤波器的幅、相频特性 b) 理想低通滤波器的脉冲响应函数(6-46)(6-47)(6-48)6.2.4 信号的滤波若滤波器的输入为单位阶跃信号则滤波器的输出 是脉冲响应函数 和输入 的卷积，即 曲线如图6.31所示。(6-49)(6-50)图6.31 理想低通滤波器对单位阶跃的响应a) 无相移滞后 b) 有相角滞后6.2.4 信号的滤波3.实际滤波器实际滤波的基本参数图6.32表示理想带通（虚线）与实际带通（粗

18、实线）滤波器的幅频特性。 1) 波纹幅度 ：实际滤波器在通带内的幅频特性不像理想滤波器那样平直，可能呈波纹变化，其波动的幅度称为波纹幅度。一般要求：图6.32 理想带通与实际带通滤波器的幅频特性(6-53) 2) 截止频率：为保证通带内的信号幅值不会产生较明显的衰减，一般规定幅频特性值等于 时所对应的频率 、 称为滤波器的上、下截止频率。基幅值衰减量不会超过-3dB。6.2.4 信号的滤波 3) 带宽 和品质因数 ：上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽 ，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。 滤波器的品质因数 是中心频率 和带宽 的比值。中心

19、频率的定义是上下截止频率的几何平均值，即 品质因数 也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。 值越大，滤波器的分辨力越高。(6-54)(6-55)6.2.4 信号的滤波4) 倍频程选择性：所谓倍频程选择性，是指在上截止频率 与 之间，或者在下截止频率 与 之间幅频特性的衰减值，即频率变化一倍频程的衰减量，以dB表示，即 (6-56)(6-57)倍频程选择性倍频程选择性或5) 滤波器因数(或矩形系数) ：滤波器选择性的另一种表示方法是用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3 dB带宽的比值，即理想滤波器 ，常用滤波器的 。(6-58)6.2.4 信号的滤波(2) RC滤波器：在测试系统中，常用滤波

20、器。其电路简单，抗干扰性强，有较好的低频特性。根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有源滤波器两类。 1) RC无源滤波器 一阶RC低通滤波器 ：低通滤波器的典型电路及其幅频、相频特性如图6.33所示，这是一个典型的一阶系统。输入和输出电压分别为 和 ，电路时间常数 。其频率特性和幅频特性分别为图6.33 一阶低通滤波器及其幅频、相频特性(6-59)(6-60)6.2.4 信号的滤波分析系统可知：，则当，则即当，则(6-61)(6-62)b. 一阶RC高通滤波器 ：高通滤波器的典型电路及其幅频、相频特性如图6.34所示。(6-63)(6-64)图6.34 一阶高通滤波器及其幅频、相频特性

21、当6.2.4 信号的滤波由图6.34可见：2) RC有源滤波器：把无源滤波器串联，也可以提高阶次，但受级间耦合的影响，效果是互相削弱的，且信号的幅值也逐级减弱。为了克服这些缺点，常采用有源滤波器。，则幅频特性接近于1，相移处于零。当，则，即滤波器的-3dB截止频率为，则RC高通滤波器的输出与输入的微分成正比， 起着微分器的作用。(6-65)当当6.2.4 信号的滤波RC有源低通滤波器 ：图6.35 a是将简单一阶低通滤波网络接到运算放大器的输入端，运算放大器起隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力的作用。其截止频率 ，放大倍数 。图6.35b则把高通网络作为运算放大器的负反馈，获得低通滤波器，

22、其截止频率为 ，直流放大倍数 。图6.35 一阶有源低通滤波器a) 滤波网络接至放大器的输入端 b) 滤波网络作负反馈 图6.36是二阶低通滤波器。图6.36 b由于有多路负反馈，比图6.36 a滤波器的特性更好。图6.36 二阶有源低通滤波器a) 两个一阶低通的简单组合 b) 采用多路负反馈 RC有源带通滤波器 ：图6.37a的带通滤波器中的运算放大器只起级间隔离和提高带负载能力的作用。这种滤波器的 值很低。图6.37b是常用的多路负反馈二阶带通滤波器。适当调整电路中元件的参数，可获得较大的 值。 6.2.4 信号的滤波图6.37 有源带通滤波器a) 低、高通网络简单组合 b) 采用多路负反

23、馈 (3) 恒带宽滤波器：在所有频段都具有同样良好的频率分辨力。图6.38中滤波器的特性都画成理想的，且可见由于恒带宽滤波器的带宽为一定值，因此在高频段的频率分辨力可以达到很高。图6.38 理想恒带宽比和恒带宽滤波器的特性对照a) 低、高通网络简单组合 b) 采用多路负反馈 6.2.4 信号的滤波(4) 数字滤波器：数字滤波器与模拟滤波器相比具有精度高（与系统的字长有关）、稳定性好（仅有0、1两种电平状态）、灵活性强和可预见性、不要求阻抗匹配以及可实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等优点。数字滤波器总体上可分为两大类：1) 经典滤波器，即一般的滤波器，特点是如果输入信号中有用的频率成分和希望

24、滤除的频率成分各占不同的频带，则通过一个选频合适的滤波器即可达到滤波目的。2) 现代滤波器，当噪声与有用信号的频带重叠时，使用经典滤波器不可能达到有效抑制噪声的目的时采用的，如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等。这些滤波器从传统的概念出发，对要提取的有用信号从时域上进行统计，在统计指标最优的意义下，估计出最优逼近的有用信号，衰减噪声。6.3 抗干扰技术6.3.1 干扰类型1. 机械干扰 是由于机械的振动或冲击，使传感器系统的敏感和转换元件发生振动、变形，使连接导线发生位移等，这些都将影响传感器电路的正常工作。2. 热干扰 设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动以及环境温度变化等会

25、引起传感器电路的元器件参数发生变化，从而影响传感器电路的正常工作。3. 光干扰 半导体元器件在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起电阻值的变化，从而影响传感器电路的正常工作。 4. 温度的干扰 环境湿度的增大会使绝缘电阻下降、漏电流增加，这样电路的参数就会发生变化，从而影响了传感器电路的正常工作。5. 尘埃干扰 环境灰尘的加重，也会造成漏电流增加，电路的参数发生改变，同样影响传感器电路的正常工作。6.3.1 干扰类型6. 化学干扰 化学物品中的酸、碱及腐蚀性气体等通过腐蚀作用损坏元器件，造成传感器电路不能正常工作。7. 射线辐射干扰 射线会使气体电离、半导体激发出电子空

26、穴时，金属逸出电子等，从而使传感器系统的正常工作受到影响。8. 电和磁的干扰 电和磁可以通过路和场两个路径对传感器系统形成干扰，这种干扰是最普遍和严重的干扰。 电磁干扰的具体分类如下：从噪声产生的来源分类1) 固有噪声源人为噪声源自然噪声源和放电噪声6.3.1 干扰类型从干扰的表现形式分类1) 规则干扰 2) 不规则干扰 3) 随机干扰 从干扰出现的区域分类内部干扰 外部干扰从干扰对电路作用的形式分类 差模干扰共模干扰6.3.2 抑制干扰的基本方法6.3.2 抑制干扰的基本方法屏蔽技术 人们将防止静电的或电磁的相互感应所采用的各项的措施称为“屏蔽”。 屏蔽的目的 为了割断“场”的耦合，也就是说

27、，屏蔽主要是抑止各种场的干扰。 屏蔽分类： 静电屏蔽电磁屏蔽低频磁屏蔽驱动屏蔽如图6.39所示驱动屏蔽就是用被屏蔽导体的电位，通过电压跟随器来驱动屏蔽层导体的电位，其原理。图6.39 驱动屏蔽6.3.2 抑制干扰的基本方法接地技术接地将电网的零线和各种电器设备的外壳通过接地导线与大地相连，使之与地等电位，以保证人身和设备的安全。 保护接地线信号接地线可分为：1) 模拟信号地，是模拟信号的零信号电位公共线；2) 数字信号地，是数字信号的零电平的公共线。为了避免这两类的信号地之间的相互干扰，二者一定分开设置。信号源地线负载地线6.3.2 抑制干扰的基本方法浮置 屏蔽接地的目的不让干扰电流经信号线，

28、而是让干扰电流流经屏蔽层到大地。浮置与屏蔽接地的作用相反，加大了系统的信号放大器公共线与大地（或外壳）之间的阻抗，因此浮置能大大减小共模干扰电流。如图6.40所示为浮置的桥式传感器测量系统。图6.40 浮置的桥式传感器测量系统6.3.2 抑制干扰的基本方法滤波器 滤波器是抑止噪声干扰的最有效的手段之一，特别是对抑制导线传导线传导耦合到电路中的噪声干扰，它是一种被广泛采用的技术手段。 (1) 交流电流进线的对称滤波器 图6.41 对抑止中波段的高频噪声干扰很有效。图6.41 高频干扰电压对称滤波器a) 线间电压滤波器 b) 线间电压和对地电压滤波器 c) 简化的线间电压和对地电压滤波器6.3.2

29、 抑制干扰的基本方法 图6.42对抑止因电源波形失真而含有较多高频谐波的干扰很有效的。 (2) 直流电源输出的滤波器，如图6.43所示。(3) 去耦滤波器为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，如图6.44所示。 图6.42 低频干扰电压滤波器图6.43 高、低频干扰电压滤波器图6.44 电源去耦滤波器6.3.2 抑制干扰的基本方法光电耦合光电耦合器对切断地环路电流干扰是十分有效的。其原理如图6.45所示。图6.45 用于断开地环路的光电耦合器图6.46 虚拟仪器(VI)的构造金字塔 6.4 传感检测新技术6.4.1 虚拟仪器技术 定义：虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)是一种按仪器要求构造的计算机数采和信号处理系统，是在计算机及附件的硬件平台上，以数据采集、信号处理、测控、分析与显示功能等软件为核心，加以必要的AD、DA等数采、数控卡、信号调理等电子部件所实现