传感器与检测技术课件第八章-传感检测系统的构成1

2023/2/31第八章传感检测系统的构成

通过本章的学习，了解传感检测系统的组成及检测系统的抗干扰问题；掌握电桥、调制与解调器、滤波器、A/D及D/A转换器的工作原理及用途；了解传感器与微机的连接通道。2第一节传感检测系统的组成

传感器信息传输接口信息分析处理控制显示记录中间转换电路

被测对象

传感检测系统通常由传感器、中间转换（信号调理）电路、微机接口电路、分析处理及控制显示电路等部分组成，分别完成信号的获取、转换（调理）、传输、分析处理、显示记录等功能。微机、I/O接口、外设2023/2/33

第二节电桥电桥是把电阻、电感和电容等原件参数转换成电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直接，而且精度和灵敏度都较高，在检测系统中应用较多。电桥的分类：按采用的电源：直流、交流按工作方式：平衡、不平衡按被测电阻接入方式：单臂、差动2023/2/34一、电桥工作原理

1.直流电桥直流电桥当RL→∞时，电桥输出电压为

第二节电桥2023/2/35当电桥平衡时，Uo=0，则有

R1R4=R2R3或

电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。

电桥平衡条件

2023/2/36

引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。交流电桥输出：2.交流电桥

2023/2/37电桥平衡条件：Uo=0，即

Z1Z4=Z2Z3

有:

交流电桥的平衡条件必须同时满足阻抗的模和幅角两个条件。2023/2/381.分类按所用电源分：直流电桥、交流电桥按电桥工作方式分：平衡电桥、不平衡电桥按被测电阻的接入方式分：单臂电桥、差动电桥

二、电桥的分类与应用

2023/2/39单、双差动电桥

减小和消除非线性误差的方法2023/2/310

2.电桥的应用（1）平衡状态的应用——基于零测法适于测量静态值（2）不平衡状态的应用——基于偏差测量法

可测量动态值与静态值

常态时电桥平衡，输出电压为零；测量时，被测物理量引起桥路电阻变化，电桥失去平衡，输出电压随被测物理量的变化而变化2023/2/311

2023/2/312

解(1)根据电桥平衡原理有：RBR0=2R0Rt

RB=2Rt=4R0（1+0.01t）

(2)当t=20℃时，RB=4R0（1+0.01t）=48kΩ

当t=40℃时，RB=4R0（1+0.01t）=56kΩRB的变化范围为48kΩ～56kΩ2023/2/313三、电桥的工作特性指标

1.电桥的灵敏度当某一桥臂电阻变化ΔR，其它桥臂固定不变时，则电桥输出电压Uo有一变化量ΔU，电桥的灵敏度规定为电压的相对变化量与电阻的相对变化量之比，即:2023/2/314

2.电桥的非线性误差电桥的非线性误差定义为：式中，U0为电桥的实际输出电压；U0S为电桥的线性化输出电压（理想输出电压）。2023/2/315

（1）单臂电桥分析当桥臂电阻R1有一变化量ΔR1，其它桥臂固定不变时，则电桥失去平衡，输出电压Uo为：

2023/2/316

令ε=ΔR1/R1，当桥臂电阻R1=R2，R3=R4时，上式为：

忽略分母上的ε/2，可得线性输出电压为：2023/2/317

则电桥的非线性误差为：显然，输入变化量越大，非线性误差越大。单臂电桥的输出电压灵敏度为：2023/2/318（2）差动半桥：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得

显然：Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍。2023/2/319单、双差动电桥

减小和消除非线性误差的方法2023/2/320(3)全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，则

结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。2023/2/321

四、电桥的调零

1.串联调零电路——调零电位器阻值R5较小

2.并联调零电路——R5较大串联调零示意图2023/2/322

设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为电桥电压灵敏度定义为

2023/2/323分析：①电桥电压灵敏度正比于电桥电源电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到桥路电阻（应变片）允许功耗的限制，所以要作适当选择；②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？2023/2/324第三节调制与解调通过传感器输出的电信号一般多为微弱、变化缓慢的非周期信号，需要进行放大和某些处理后才能送到显示仪及计算机等。对于微弱的、变换缓慢的、类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大，零点漂移会影响测量精度。

常用调制器将直流信号先变成某种频率的交流信号，经过变流放大后，在通过解调器，使交流信号重新恢复到原来的被测信号。2023/2/325

滤波器:只允许某一频带的信号通过或只阻止某一频带信号通过的装置。滤波方式:无源滤波、有源滤波、数字滤波

一、无源波滤器无源滤波器电路简单，带负载能力差，用于对滤波要求不高的场合。第四节滤波器2023/2/326输出电压为：1.一阶RC低通滤波器

2023/2/327

幅频特性为：

ω=0时，A（ω）=1；

ω=1/RC时，A（ω）=0.707；截止频率

ω=∞时，A（ω）=02023/2/328

相频特性为：

ω=0时，φ（ω）=0；

ω=1/RC时，φ（ω）=-π/4；

ω=∞时，φ（ω）=-π/22023/2/329滤波器仍为RC串联电路，但从电阻两端输出电压：2.一阶RC高通滤波器2023/2/3302023/2/331

3.带通滤波器——用于通过某一频段的信号，而将此频段以外的信号加以抑制。对一RLC串联电路，当从电阻两端输出电压时：2023/2/332

当ωL=1/ωC时，幅值最大，对应的频率称为称为固有角频率（中心角频率）2023/2/333

当输出电压下降到输入电压的0.707倍时的截止角频率分别为下限角频率ω1和上限角频率ω2，在ω1<ω<ω2之间称为通频带宽度B。衡量带通滤波器工作特性好坏的重要指标是品质因数，即Q=f0/B。

显然，中心频率f0一定时，Q越大通频带越窄，选择性越好。2023/2/334

有源滤波器由运算放大器与RC网络组成，运算放大器是有源器件，既可作为级间隔离又可起信号幅值放大作用。有源滤波器不用电感元件，便于集成；可以使低频截止频率达到很低范围。二、有源滤波器与无源滤波器相比，具有如下优点：1）有源滤波器不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性度等方面具有明显的优越性，便于集成化。2）由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。3）可以使低频截止频率达到很低范围。2023/2/3352023/2/336

如图所示电路的输出电压为：R1uiu01.一阶低通滤波器2023/2/337

幅频特性为：R/R00.707R/R0

电路缺点:对截止频率以外的信号衰减较慢，因此选择性差。2023/2/338设R1=R2=R，C1=C2=C根据电路有：R2C1C2RfNuiu02.二阶低通滤波器

2023/2/339

联立方程求得：式中为固有角频率。2023/2/340幅频特性为：等效品质因数为：2023/2/341

根据电路有：

幅频特性为：R/R1f0=1/2πR1C3.一阶高通滤波器2023/2/3424.二阶高通滤波器2023/2/343

固有角频率及等效品质因数分别为:2023/2/3445.带通滤波器

电路只允许某一频段内信号通过，有上限和下限两个截止频率，将高、低通滤波电路进行适当组合，就可获得带通滤波电路。2023/2/345

带通滤波器的固有频率:

通频带宽度为:

带通滤波器的品质因数分别为:2023/2/3465.带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器是抑制某个频率范围内的频率分量，使其衰减，而让此频带以外的频率顺利通过。2023/2/347三、数字滤波简介

数字滤波利用程序来实现，无需增加硬件，可靠性高，稳定性好，灵活方便。1.限定最大偏差法例:限定偏差ΔY≤0.01，本次采样值为0.315，上次采样值为0.301，因两次采样值之差0.315-0.301>ΔY，则本次采样值用上次采样值代替，即为：0.301若两次采样差值≤ΔY，则取本次采样值。2.算术平均值法3.加权平均滤波法2023/2/348将数字信号转换为模拟信号称数-模转换将模拟信号转换为数字信号称模-数转换传感器A/DC数字计算机D/AC模拟控制控制对象数字信号模拟信号第五节D/A和A/D转换2023/2/3492RRF–++S0S1S2S3UR2R2R2R···········RRR2R数码寄存器基准电源T形电阻网络DAC原理电路U0R'2R11110000d0Q0Q1Q2Q3d1d2d3MSBLSB电子开关·一、数/模转换原理2023/2/3502RRF–++2R2R2R·····RRR2RIU0R'2R+–UR+–RUR2+–RUR22+–RUR23+–RUR24T形电阻网络DAC原理电路分析2023/2/3512RRF–++2R2R2R·····RRR2RIU0R'2R+–UR+–RUR2+–RUR22+–RUR23+–RUR24T形电阻网络DAC原理电路分析+–RUR24U0=–IRF设

RF=3R2023/2/3522RRF–++2R2R2R·····RRR2RIU0R'2R+–URR+–RUR2+–RUR22+–RUR232023/2/3532RRF–++2R2R2R·····RRR2RIU0R'2R+–URR+–RUR2+–RUR22+–RUR23+–RUR23U0=–IRF设

RF=3R2023/2/3542RRF–++S0S1S2S3UR2R2R2R···········RRR2R数码寄存器基准电源U0R'2R11110000d0Q0Q1Q2Q3d1d2d3MSBLSB电子开关·2023/2/355

例:已知四位T形网络数/模转换器的原理如前图所示，RF=3R，UR=10V，试计算其最小输出电压。解：当d0=1，d1=d2=d3=0时，输出电压最小2023/2/356DAC主要技术指标(1)分辨率用输入的二进制数码的位数n来表示。位数越多，分辨率就越高。(2)转换精度

表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。(3)建立时间

从数码输入到模拟电压稳定输出之间的响应时间。

KRR=UominUomax=12n–12023/2/357四、模/数转换原理

模拟量转换成数字量的常用方法是逐次逼近法。模/数转换器的技术指标：

1.分辨率以输出二进制数的位数表示，位数越多，分辨率越高。如模/数转换器的输出为十位，最大输入信号为2.5V，则转换器的输出能分辨出的输入的电压信号为2.5V*1/(210-1)=2.44mV。2023/2/3582.相对精度3.转换速度完成一次转换所需的时间。多数A/D转换器的转换时间在(10～50)μS。2023/2/359例：对于一个8位D/A转换器，试问（1）若最小输出电压增量为0.01V，输入代码为10110010时，输出电压U0为多少伏？（2）计算该D/A转换器的分辩率。解：当输入代码其余位为0，d0由0变为1时，有最小输出电压增量，即该转换器的分辨率为：2023/2/360第六节传感器与模/数转换器的连接通道自动检测系统框图：

2023/2/3611.信号放大处理

信号放大处理电路，接在A/D转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：

A/D转换器与传感器二者电压不匹配。如果是电流型输出传感器，要进行Ⅰ～Ⅴ变换与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号。传感器工作在现场，可能存在复杂的强电磁波的干扰，通常采用RC低通滤波器，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号，也可采用有源滤波技术，使得滤波特性更好。

2023/2/3622.多路转换开关

一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多路模拟信号。通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制。许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关。2023/2/363

多路转换开关工作原理

多路模拟开关电路由地址译码器和多路双向模拟开关组成。它可以通过外部地址输入，经电路内部的地址译码器译码后，接与地址码相对应的其中一个开关，以实现任一路信号的传送。

2023/2/3643、采样保持器

在A/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路。

A/D转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间。不同A/D转换芯片，其转换时间各异，对于连续变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施，将会引起转换误差。缓慢变化的模拟信号，在A/D转换系统中，可以不采用采样保持电路，不会影响A/D转换的精度。2023/2/365

采样/保持器的基本原理

采样保持器的作用是：在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号的变化，在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号不变，直到进入下一次采样状态为止。采样开关被接通的时间称为采样时间，采样开关断开的时间为保持时间，采样开关接通和断开的时间之和称为采样周期。

采样定理：fs>2fH式中,fs——采样频率;fH——采样信号频谱中的最高频率分量2023/2/366采样/保持示意图2023/2/367

第八节传感检测系统中的抗干扰问题

一、干扰与噪声噪声：任何不希望有的信号，即在有用频带内的任何不希望出现的干扰。

干扰的来源：系统内部干扰；系统外部的干扰

形成干扰的三个条件：干扰源、干扰的耦合通道（耦合方式）、干扰的接收电路。

干扰的耦合方式包括电容性耦合（电路的寄生电容）、互感性耦合、公共地线的耦合、漏电耦合、辐射电磁场耦合等。

2023/2/368

信噪比：信号通路中，有用信号功率PS与噪声功率PN之比，通常用S/N表示，即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。

若信号通路中有用信号功率为PS=10mW，噪声功率PN=0.1mW，则信噪比为：

2023/2/369二、抑制干扰的方法

抑制干扰的方法主要是采取单点接地、屏蔽、隔离和滤波等。

1.接地测量系统中常见接地系统:安全地、信号源地、数字信号地和模拟信号地、负载地。

2023/2/370（1）安全地线

电烙铁的外壳必须良好地接大地，以保证人身安全以及焊接对象不致被静电击穿。2023/2/371接大地与防静电的关系

人在工频电场中工作时，身体可能感应出几十伏以上的电压；当人在地板上行走时，也可能因摩擦而带上几百伏以上的静电。因此在焊接集成电路时，人体必须良好地接大地，以保证集成电路的CMOS输入端不致被静电击穿。人体接地的方法之一是带上接地的防静电手腕带。防静电手腕带2023/2/372（2）信号地线分类a.模拟信号地线

模拟信号地线是模拟信号的零信号电位公共线。模拟信号多数较弱、易受干扰，易形成级间不希望的反馈，所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。

b.数字信号地线

数字信号地线是数字信号的零电平公共线。数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置。2023/2/373c.信号源地线

传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较微，通常传感器安装在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的公共参考端就是信号源地线，它必须与测量装置进行正确的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。

2023/2/374d.负载地线

负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。例如，若误将喇叭的负极（接地线）与扩音机话筒的屏蔽线碰在一起，就相当于负载地线与信号地线合并，可能引起啸叫。又如当负载是继电器时，继电器触点闭合和断开的瞬间经常产生电火花，容易反馈到前级，造成干扰，因此应正确连接。2023/2/375一点接地原则

为防止电路有公共阻抗而引起信号交叉耦合，对于模拟信号地线、数字信号地线、信号源地线、负载地线等几种地线应分别设置，各子系统建立单独接地点后，再将各自接地点引至一点接地。2023/2/3762、屏蔽技术

利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和高频磁屏蔽(电磁屏蔽)等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。

未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器2023/2/377（1）静电屏蔽

方法1:用铜或铝等导电性良好的金属制成封闭的金属罩，罩住带静电的物体，并将屏蔽罩接地，使罩外空间不存在静电场;

方法二:用屏蔽罩罩住测量电路,保证罩内不存在静电场。应将屏蔽导体连接到测量电路的接地点上，若测量系统无接地点，屏蔽导体应连接到信号源的对地低阻抗端。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。2023/2/378各种静电屏蔽

仪器设备的屏蔽外壳必须接地带孔屏蔽板2023/2/379各种静电屏蔽（续）自制的屏蔽罩通风屏蔽窗2023/2/380各种静电屏蔽（续）开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄2023/2/381屏蔽线三绞扭屏蔽线铜芯4对双绞扭屏蔽线（屏蔽层接地）聚氟乙烯绝缘层铜线编织网（接地）2023/2/382（2）低频磁屏蔽

低频磁屏蔽是用来隔离低频磁场和固定磁场耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。

2023/2/383低频磁屏蔽举例

多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。2023/2/384（3）电磁屏蔽——高频磁感应屏蔽

电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是高频（40kHz以上）磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。

镀铜电磁屏蔽盒可防护1MHz的电磁波干扰2023/2/385军用屏蔽帐篷几种用导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材

军用电子方舱屏蔽通信车2023/2/386防电磁波屏蔽围裙几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服

辐射源防电磁波屏蔽服装防电磁波屏蔽围裙的使用2023/2/387屏蔽室

导电PVC地板用于防静电及底部屏蔽干扰信号无法穿透钢板屏蔽室2023/2/388

3.隔离

（1）变压器隔离电路：实现电气隔离，磁耦合（2）光电耦合电路：光耦合器内部是封装在一起的一个发光二极管和光敏三极管(或光敏二极管)

2023/2/3894.滤波

（1）电源滤波:交直流供电时,电源线会引入干扰,采用无源滤波器可抑制干扰.

（2）退耦滤波器:一个直流电源对几个电路同时供电时,为避免电源内阻造成几个电路之间的干扰,在每个电路的直流电源进线与地之间加装退耦滤波器（3）有源滤波:多用于滤波电路（4）数字滤波:灵活方便

2023/2/390三、典型噪声干扰的抑制

1.设备启、停时的电火花干扰

抑制干扰的方法：采用RC吸收电路，将R、C串联后并接到继电器触点或电源开关两端

2.共模噪声抑制干扰的方法：采用差分放大器

3.串扰相邻信号在导线上产生的噪声或一信号耦合到另一导线上所产生的干扰为串扰.

抑制干扰的方法：不同信号线分开走线，避免平行或靠