传感器与检测系统信号处理技术

第8章传感器与检测系统信号处理技术测量电路的基本组成控制电路的基本组成电桥电路信号的放大与隔离在检测系统中，被测的非电信号经传感器后变换为电信号，如电压、电流和电阻等。

传感器

测量控

制电路执行机构测控系统的组成测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节，它体现在哪些方面？1、模数转换与数模转换2、信号形式的转换3、量程的变换4、信号的选取5、信号处理与运算一、测量电路的基本组成(一)模拟式测量电路的基本组成

(二)数字式测量电路的基本组成模拟式信号(一)非调制信号测控电路的输入信号与输出信号图1-2非调制模拟信号120xt(二)经调制信号几个重要概念：1、载波频率（carryingfrequency)2、载波信号（carryingsignal)3、调制信号（modulatingsignal)4、已调信号（modulatedsignal)5、调幅信号（amplitudemodulatedsignal)1、什么是信号调制？调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。2、什么是解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。信号调制解调3、在测控系统中为什么要采用信号调制？

在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。4、

为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。

5、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。6、什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。

调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为：us=(Um+mx)coswct

调幅式测量电路txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号调幅式测量电路调幅式测量电路2、通过交流供电实现调制如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制usucx214图1-3用电感传感器测量工件轮廓形状3图1-4调幅信号c)ustuctb)a)OxtxOxO例：用电感传感器测量工件轮廓形状调频式测量电路（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，画出其波形。调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为：us=Umcos(wc+mx)t

调频式测量电路

xtOOtusa)调制信号b)调频信号调频信号的波形421TNS3测力或压力的振弦式传感器（二）传感器调制调相式测量电路（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达式，画出其波形。调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。调相信号us的一般表达式可写为：

us=Umcos(wct

+mx)调相式测量电路

a)b)c)txOttucusOO调相式测量电路（二）传感器调制13245M扭矩测量调相式测量电路

XY21a)aabWB12VP1VPnYOb)NS1S2SnVP1VP2VP3VPn莫尔条纹信号的调制脉冲调制式测量电路（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。脉冲调宽的数学表达式为：B=b+mx脉冲调制式测量电路

Ua)调制信号b)脉冲调宽信号txOxTBtO第五节脉冲调制式测量电路（二）传感器调制1243567910118Mθ用激光扫描的方法测量工件直径模拟式测量电路的基本组成电路传

感

器量程切换电路放

大

器

解

调

器信号分离电路运

算

电

路模数转换电路计

算

机显示执行机构振

荡

器

电

源数字式信号（一）增量码信号（二）绝对码信号（三）开关信号1111000000010010001101000101011001111000111011001101101110101001数字式测量电路的基本组成：指令传感器电路传

感

器显示执行机构计

算

机锁

存

器计

数

器转换电路脉冲当量放

大

器整形电路细分电路手动采样锁存指令辨向电路增量码数字式测量电路的基本组成数字式测量电路的基本组成：二、控制电路的基本组成(一)开环控制(二)闭环控制图1-8开环控制系统的基本组成测量电路

控制电路

扰动量传感器放大电路输出转换电路设定电路执行机构给定机构被控对象（一）开环控制

设定电路比较电路校正电路转换电路给定机构执行机构被控对象输出传感器扰动放大电路控制电路图1-9闭环控制系统的基本组成

（二）闭环控制测量电路的输入信号类型对其电路组成有何影响？试述模拟式测量电路与增量码数字式测量电路的基本组成及各组成部分的作用。为什么要采用闭环控制系统？试述闭环控制系统的基本组成及各组成部分的作用。问题:三、电桥电路

电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。

电桥电路按其所采用的激励电源类型

直流电桥交流电桥工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。

（一）直流电桥

电桥平衡的条件：R1*R4=R2*R3电压输出：U0=0电桥输出根据电桥平衡的条件可分三种情况：

（1）四臂电阻相等输出电压Uo=0（其中一个桥臂上的电阻值改变，Uo就不为零，这是最常用的电阻应变片测量电路。）

（2）输出对称电桥（3）电源对称电桥

假设电桥各臂电阻值都发生变化，其阻值的增量分别为、、、，则电桥的输出为：

结论：等臂全桥测量电路，对于相同的电阻变化量，输出的电压信号最大。——灵敏度最高（二）交流电桥

如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。为适应电感、电容式传感器的需要

交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。

交流电桥的平衡条件交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两个次级线圈交流电桥的四个桥臂分别用阻抗、、、表示

交流电桥的平衡条件为：

电阻交流电桥

电感电桥电容电桥变压器电桥电路

电阻交流电桥1、单臂电阻；2、等臂差动电桥；3、全桥交流电桥。电感电桥

两相邻桥臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中和为电感线圈的有功电阻。

若设Z1、Z2为传感器阻抗

且则有另有

由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时：

电桥的输出电压为：

当ωL＞＞R'时，上式可近似为：

交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。

电容电桥

两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中

和为电容介质损耗电阻。

设Z1、Z2为传感器阻抗，

且有由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两差动电容，

电桥的输出电压为：

当ωC＞＞R'时，上式可近似为：

交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。变压器电桥电路

电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电桥

它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂设其阻抗分别为Z1和Z2，

(由于被测量使传感器的阻抗发生变化)

电桥的输出电压为：

四、信号的放大与隔离(一)何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。2、对其基本要求：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率；⑥高共模输入范围和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨成本低。3、测量放大电路的类型按照测量放大电路的结构原理差动直接耦合式调制式自动稳定式差动直接耦合式包括单端输入（同相或反相）运算放大电路电桥放大电路电荷放大电路等按照元件的制造方式分立元件结构形式通用集成运算放大器组成形式（性价比好）单片集成测量放大器（专门芯片，价格高）4、几个重要术语开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc输入失调电压u0s输入失调电流I0s零点漂移共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc

(二)运算放大器（反相放大器、同相放大器)（一）反相放大器Kf=uo/ui=–R2/R1R3=R1//R2

uoR3uiR1R2∞-++N1（二）同相放大器Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1//R2Zi=Kzin/(1+R2/R1)+R3→∞uoR3uiR1R2∞-++N1（三）交流放大器1、交流反相放大电路Kf=–R2/R1R3=R2

C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3>C1R1uoR3uiR1R2∞-++N1C1C32、同相交流放大电路C1：隔直电容R3：C1的放电回路

R3

必须有zi=R3

使同相放大器失去高输入阻抗的特点uoR3uiR1R2∞-++N1C13、交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流，R3=R2

uoR3uiR2∞-++N1C1（三）测量放大器测量放大器的特点测量放大器的组成实用测量放大器测量放大器的特点测量放大器对低电平信号进行线性放大，阻抗匹配、抗共模干扰、具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声等特点。1、自举式高输入阻抗放大电路a)同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3∞-++uib)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3∞-++c)自举组合电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri→∞

i2=i1

uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自举电路■何谓自举电路?

自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。■是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？

高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。什么是差动放大器？

差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。2、差动放大器差动放大器基本电路共模与差模输入R3uoR4ui2R1∞-++N1R2ui1R3uoR4ud/2R1∞-++N1R2ud/2uic差动放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效电路ud=ui1﹣ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效电路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2﹣(R3/R1)ui1

若R1=R2，R3=R4，则uo=﹣(R3/R1)ud即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic﹣(R3/R1)uic当R1=R2，R3+R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。

3、电桥放大电路电桥放大电路（一）单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相输入R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++Nb)同相输入电桥放大电路（二）差动输入电桥放大电路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR电桥放大电路（三）线性电桥放大电路

uoR3R2

=R（1+δ）R1uuaR1ub∞-++N

什么是高共模抑制比放大电路？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。4、高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路（一）双运放高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0通常取R1=R5，R2=R4ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2高共模抑制比放大电路2、同相串联结构型uo1=(1+R2/R1)ui1(uo1–ui2)/R3=(ui2–uo)/R4uo=(1+R4/R3)ui2-(1+R2/R1)(R4/R3)ui1为了获得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1高共模抑制比放大电路3、三运放高共模抑制比放大电路IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1=(ui2–ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rpuo=(uo2–uo1)R5/R3

ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3（四）单片集成测量放大器美国AnalogDevices公司提供的AD521、AD522、AD612、AD614等。国内749厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604等。在信号处理中采用单片测量放大器芯片。其具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等特点。

AD612和AD614测量放大器内部电路

AD612的测量电桥接线图

（五）测量放大器的使用

测量放大器在使用时应注意以下几点：（1）差动输入端的连接（测量放大器输入端的正确连接）。

（2）护卫（Guard）端的连接。

如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图所示，那么对交流共模干扰Vcm就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之间存在分布电容，分布电容C1、C2和传输线电阻Ri1、Ri2分别构成两个RC分压器。由于这两个分压器并不完全对称相等，这就使共模干扰电压Vcm在测量放大器两输入端以差模形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。护卫端15脚引自测量放大器前级两运放输出的中点，其电位为共模输入电压Vcm。屏蔽层接护卫端就使RC分压器两端电位都是Vcm，电位差为零，分压值也必为零，这样就有效地消除了共模干扰。

（3）R端、S端的连接。

接有远距离负载输出端接有跟随器当R端加接参考电压时（四）程控测量放大器PGA

在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器PGA（ProgrammableGainAmplifier）。它是通用性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到统一化。

测控系统中使用的可编程增益放大器主要有浮点放大器型、增益电阻切换型和D/A转换型。

1．浮点放大器型2．增益电阻切换型

反相输入的数控增益放大器同相输入的数控增益放大器3、集成可编程增益放大器把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。美国AD公司：LH0075、LH0076、LH0086、LH0084、AM542什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。(五）

隔离放大电路隔离放大电路（一）基本原理1、组成及符号－＋输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输出放大器－＋uducuiso隔离放大电路2、原理框图a)变压器耦合浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋b)光电耦合浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入LEDV隔离放大电路（二）通用隔离放大电路AD277变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽268734195＋15V－15V13121016－U100kΩ100kΩ1MΩ141115＋U∞-++N1∞-++N2五、信号的转换从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换信号转换电路从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换常用的信号转换电路电压与电流之间的转换电压与频率之间的转换数字量与模拟量之间的转换（A/D、D/A转换）（一）电压与电流之间的转换1、直流信号的优点（与交流信号进行比较）在信号的传输过程中，直流信号不受交流感应的影响，干扰问题也易解决；直流信号在电缆线中传输时，不受电缆分布电容及电感的影响，接线问题易解决；可方便用于A/D、D/A转换。问题：在测控电路中，为什么采用直流信号作为传输信号和输入、输出信号？国际标准：电流信号4~20mA

电压信号1~20v2、电压与电流转换（V/I转换器）（1）转换的条件（为保证一定的转换精度和比较