第11章 传感器输出信号处理技术

第11章传感器输出信号的处理技术2/3/20231学习目的掌握传感器输出信号的形式掌握常用典型传感器接口电路了解干扰的来源与抗干扰技术2/3/2023211.1传感器输出信号的特点11.2传感器输出信号的检测电路11.3输出信号的干扰及控制技术本章小结复习思考题主要内容返回主目录2/3/20233传感器使用时需与专用的测量电路有效结合才能发挥其功能，理想的传感器电路不仅能使其正常工作，还能在一定程度上克服传感器本身的不足，扩展其功能，使传感器的功能得到充分的发挥。同时，为使传感器的输出信号能用于仪器、仪表的显示或控制，往往要对输出信号进行必要的加工处理。2/3/2023411．1传感器输出信号的特点11.1.1传感器输出信号的形式由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。例如，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不同的电压，热敏电阻随温度变化输出的是不同的电阻，而双金属温度传感器则随温度变化输出开关信号。表11-1列出了传感器输出信号的一般形式。2/3/20235表11-1传感器的输出信号形式输出形式输出变化量传感器的例子开关信号型机械触点双金属温度传感器模拟信号型电子开关霍耳开关式集成传感器电压热电偶、磁敏元件、气敏元件电流光敏二极管电阻热敏电阻、应变片电容电容式传感器电感电感式传感器其他频率多普勒速度传感器、谐振式传感器2/3/2023611.1.2传感器输出信号的特点①传感器输出的信号类型有电压、电流、电阻、电容、电感、频率等，通常是动态的。②输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为μV—mV级，电流信号为nA—mA级。③传感器内部存在噪声，输出信号会与噪声信号混合在一起，当噪声比较大而输出信号又比较弱时，常会使有用信号淹没在噪声之中。④传感器的输出信号动态范围很宽。输出信号随着物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系，例如，热敏电阻值随温度变化按指数函数变化。输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。⑤传感器的输出信号受外界环境（如温度、电场）的干扰。⑥传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大信号衰减。2/3/2023711.1.3输出信号的处理方法根据传感器输出信号的特点，采取不同的信号处理方法来提高测量系统的测量精度和线性度，这正是传感器信号处理的目的。另外，传感器在测量过程中常掺杂有许多噪声信号，它会直接影响测量系统的精度，因此抑制噪声也是传感器信号处理的重要内容。传感器输出信号的处理主要由传感器的接口电路完成。因此传感器接口电路应具有一定信号预处理的功能。经预处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输出的信号形式。接口电路对不同的传感器是完全不一样的，其典型应用电路见表11-2。2/3/20238表11-2典型的传感器接口电路接口电路对信号的预处理功能阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗、以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号放大变换电路将微弱的传感器输出信号放大电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压电桥电路把传感器的电阻、电容、电感变化为电流或电压频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压有效值转换电路在传感器为交流输出的情况下，转为有效值、变为直流输出滤波电路通过低通及带通滤波器的噪声成分线性化电路在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩2/3/2023911．2传感器信号的检测电路完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。传感器信号检测电路是测控系统的重要组成部分，也是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁。不同传感器信号检测电路的组成和内容差别较大。11.2.1检测电路形式开关型传感器:有许多非电量的检测技术要求对被测量进行某一定值的判断，当达到确定值时，检测系统应输出控制信号。在这种情况下，大多使用开关型传感器，利用其开关功能，作为直接控制元件使用。使用开关型号传感器的检测电路比较简单，可以直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。2/3/202310模拟信号输出的传感器:定值判断的检测系统中，由于检测对象的原因，也常使用具有模拟信号输出的传感器。在这种情况下，往往要先由检测电路进行信号的预处理，再放大，然后用比较器将传感输出信号与设置的比较电平相比较。当传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，由原来的低电平转为高电平输出，驱动控制电路及报警电路工作。当检测系统要获得某一范围的连续信息时，必须使用数字电压表将检测结果直接显示出来。数字式电压表一般由A/D转换器、译码器、驱动器组成。这种检测电路以数字读数的形式显示出被测物理量，例如温度、水分、转速及位移量等等。接口电路则根据传感器的输出特点进行选择。2/3/20231111.2.2常用电路1、阻抗匹配器传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗低输出阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。常见的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器、场效应晶体管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。2/3/2023122．电桥电路电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流，根据电桥供电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器，例如，热敏电阻、电位器等。交流电桥主要用于测量电容式传感器和电感式传感器的电容和电感的变化。电阻应变片传感器大都采用交流交流电桥，这是因为应变片电桥输出信号微弱需经放大器进行放大，而使用直流放大器容易产生零点漂移。此外，应变片与桥路之间采用电缆连接，其引线分布电容的影响不可忽略，使用交流电桥还会消除这些影响。电桥电路详见第2章。2/3/2023133．放大电路传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或交流信号进行放大处理，为检测系统提供高精度的模拟输入信号，它对检测系统的精度起着关键作用。目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。图11-1为放大器电路。2/3/202314差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号。理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零，所以差动放大器零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力极强。图11-1放大器基本电路2/3/2023154．电荷放大器利用压电式传感器进行测量时，压电元件输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，它的输出电压可高达几十伏到数百伏，但信号功率却很小，信号源的内阻也很大。为此，要在压电元件和检测电路之间配接一个放大器，放大器应具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。目前用的较多的是电荷放大器。电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器，其优点在于可以避免传输分布电容的影响。电荷放大器在第二章压电传感器测量电路中已经详细讲解，这里不再赘述。2/3/202316（a）（b）电荷放大器等效电路图从上式可以看出,电荷放大器输出电压只与电荷Q和反馈电容有关,而与传输电缆的分布电容无关,说明电荷放大器的输出电压不受传输电缆长度的影响,为远距离测量提供了方便条件.但是,测量精度却与配接电缆的分布电容有关,例如,当

电缆分布电容如果为100pF时,要求测量精度为1%时,允许电缆的长度约为1000m，当要求的精度为0.1%时,则电缆的长度仅有100m.2/3/20231711.3输出信号的干扰及控制技术噪声——在传感器电路的信号传递中，所出现的与被测量无关的随机信号被称为噪声。干扰——在信号提取与传递中，噪声信号常叠加在有用信号上，使有用信号发生畸变而造成测量误差，严重时甚至会将有用信号淹没其中，使测量工作无法正常进行，这种由噪声所造成的不良效应被称为干扰。而传感器或检测装置需要在各种不同的环境中工作，于是噪声与干扰不可避免地要作为一种输入信号进入传感器与检测系统中。因此系统就不可避免地会受到各种外界因素和内在因素的干扰。为了减小测量误差，在传感器及检测系统设计与使用过程中，应尽量减少或消除有关影响因素的作用。2/3/20231811.3.1干扰的类型与要素类型：常见的干扰有机械干扰（振动与冲击）、热干扰（温度与湿度变化）、光干扰（其他无关波长的光）、化学干扰（酸/碱/盐及腐蚀性气体）、电磁干扰（电/磁场感应）、辐射干扰（气体电离、半导体被激发、金属逸出电子）等。对由传感器形成的测量装置而言，形成噪声干扰通常有3个要素：噪声源、通道（噪声源到接收电路之间的耦合通道）、接收电路。按照噪声产生的来源，噪声来源可分为两种：（１）内部噪声内部噪声是由传感器或检测电路元件内部带电微粒的无规则运动产生的，例如热噪声、散粒噪声以及接触不良引起的噪声等。（２）外部噪声外部噪声则由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成的。外部噪声的来源主要为电磁辐射，当电机、开关及其它电子设备工作时会产生电磁辐射，雷电、大气电离及其它自然现象也会产生电磁辐射。在检测系统中，由于元件之间或电路之间存在着分布电容或电磁场，因而容易产生寄生耦合现象，在寄生耦合的作用下，电场、磁场及电磁波就会引入检测系统，干扰电路的正常工作。2/3/20231911.3.2干扰控制的方法干扰噪声的控制就是如何阻断干扰的传输途径和耦合通道。检测装置的干扰噪声控制方法常采用的有屏蔽技术、接地技术、隔离技术、滤波器等硬件抗干扰措施，以及冗余技术、陷阱技术等微机软件抗干扰措施。对其它种类干扰可采用隔热、密封、隔振及蔽光等措施，或在转换为电量后对干扰进行分离或抑制。削弱接收电路对干扰的灵敏度—通过电子线路板的合理布局，如输入电路采用对称结构、信号的数字传输、信号传输线采用双绞线等措施来实现阻断或减弱干扰的耦合通道或传输途径消除或抑制干扰源—消除干扰源是最有效、最彻底的方法，但在实际中是很难完全消除的检测装置的干扰控制方式主要是根据噪声干扰必须具备的3个要素（噪声源、通道、接收电路）2/3/2023201.屏蔽屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽电场屏蔽—电场屏蔽主要用来防止元件或电路间因分布电容耦合形成的干扰。磁场屏蔽—主要用来消除元件或电路间因磁场寄生耦合产生的干扰，磁场屏蔽的材料一般都选用高磁导系数的磁性材料电磁屏蔽—电磁屏蔽主要用来防止高频磁场的干扰。电磁屏蔽的材料应选用导电率较高的材料，如铜、银等，利用电磁场在屏蔽金属内部产生涡流而起屏蔽作用。电磁屏蔽的屏蔽体可以不接地，但一般为防止分布电容的影响，可以使电磁的屏蔽体接地，起到兼有电场屏蔽的作用。电场屏蔽体必须可靠接地。2/3/2023212.接地电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连就是接地。传感器或电路接地，是为了清除电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压，也可以避免受磁场或地电位差的影响。把接地和屏蔽正确结合起来使用，就可抑制大部分的噪声。2/3/202322图11-2单级电路的一点接地图11-3多级电路的一点接地2/3/2023233.隔离前后两个电路信号端直接连接,容易形成环路电流,引起噪声干扰。这时,常采用隔离的方法,把两个电路的信号端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。在两个电路之间加入隔离变压器可以切断地环路,实现前后电路的隔离,变压器隔离只选用于交流电路。在直流或超低频测量系统中,常采用光电耦合的方法实现电路的隔离。2/3/202324图11-4变压器隔离和光电耦合器隔离2/3/2023254.滤波滤波电路或滤波器是一种能使某一种频率顺利通过而另一部分频率受到较大衰减的装置。因传感器的输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器输出信号的滤波常采用有源低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。常采用的方法是在运算放大器的同相端接入一阶或二阶RC有源低通滤波器，使干扰的高频信号滤除，而有用的低频信号顺利通过；反之，在输入端接高通滤波器，将低频干扰滤除，使高频有用信号顺利通过。2/3/202326除了上述的滤波器外，有时还要使用带通滤波器和带阻隔滤波器。带通滤波器的作用是只允许某一频带内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号都被阻断，它常用于从许多信号中获取所需要的信号，而使干扰信号被滤除。带阻滤波