工业检测技术之信号调理及传输

信号的调理和传输1信号调理概述2信号调理的基本技术3信号的传输4抗干扰技术便于信号的传输与处理信号调理的目的1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。仪表与系统篇信号的调理和传输虽然传感器可将非电物理量转换为电物理量，但非电压型物理量（电参数）需要进一步调理成电压型物理量，以便检测信号的放大和传输电阻、电容、运算放大器既是基本的调理器件，又是信号数学运算的基本器件在大多测量系统中包含由电桥、滤波器、调制与解调器和信号放大器组成的测量电路信号调理概述仪表与系统篇信号的调理和传输问题的提出何种形式的电信号能够被读取电量型直接输出电能：电压、电流/电荷电参数型改变电路参数：电阻、电感、电容解决问题的途径将电信号转换成电压信号电流电压电荷电压电阻电压电感电压电容电压信号调理概述仪表与系统篇信号的调理和传输传感器函数转换成电压需做的调理IR调理LR调理RC调理仪表与系统篇信号的调理和传输传感器函数转换成电压需做的调理无需调理Q/RC/V-Q/V调理IR调理仪表与系统篇信号的调理和传输IR调理——电阻、电桥、放大器Q/RC/V调理——电荷、RC回路、放大器Q/V调理——放大器信号的调理主要讨论信号调理概述仪表与系统篇信号的调理和传输电流式传感器的调理流过电阻产生电压；采用运算放大器获得线性特性电阻式传感器的调理恒流源流过电阻产生电压；运用电桥电路的桥臂失衡获得电压。调理机制仪表与系统篇信号的调理和传输IR(微动信号驱动)调理适用的传感器电阻式传感器电位计应变热电电流式传感器光电传感器电阻式调理所需器件恒流源电桥电路电流式调理所需器件电阻放大器IR(微动信号驱动)调理仪表与系统篇信号的调理和传输电容器收集电荷；电荷通过电阻放电，在电阻两端测量电压；利用运算放大器的特性，直接获得电压。电荷型传感器的调理机制Q/RC/V调理仪表与系统篇信号的调理和传输适合的传感器电荷式传感器压电型传感器采用的调理器件RC电路Q/RC/V调理仪表与系统篇信号的调理和传输并联组合并联组合：输出电荷大、输出电容大、输出阻抗低、时间常数大串联组合串联组合：输出电压大、输出电容小、输出阻抗高、时间常数小例：压电传感器Q/RC/V调理仪表与系统篇信号的调理和传输RCemeQV压电传感器、电缆、和电压放大器组成的等效电路总电荷的一部分使电容充电，另一部分经电阻漏损掉，并在电阻上产生压降Q/RC/V调理仪表与系统篇信号的调理和传输压电传感器需要与电压放大器相配，不适合测量静态参数；测量低频动态参数时，电压放大器的输入电压与力和频率成正比关系；测量高频动态参数时，电压放大器的输入电压不再随输入参数的频率变化，只随作用力的大小而改变。Q/RC/V调理仪表与系统篇信号的调理和传输电桥是一种比较仪器，在电参数的调理中作用很重要，应用广泛电桥可直接测量电阻、电容、电感等电参数根据电源的性质电桥分为直流电桥和交流电桥两类按线路的类型又分为单电桥、双电桥等电桥信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输电桥处于平衡时，各桥臂电阻存在关系一桥臂的单位电阻变化与输出电压信号的关系电桥电路研究的问题一、直流单电桥——即惠斯顿电桥，特征：

四个桥臂——R1、R2、R3、R4

四个顶点——a、b、c、d两对角线——电源对角线、测量对角线信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输调整桥臂的电阻，使检流计指0，此时Ucd=0，即c、d的电位相等，电桥平衡bcR1R2R4R3Ead1平衡条件考虑电桥输出Ucd信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输平衡条件

平衡条件与电源电压无关；测量对角线与电源对角线互换，平衡条件不变；电桥相对桥臂的位置互换，平衡条件不变。2桥路特点信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输若设R2为敏感元件,则桥臂电阻变化bcR1R2R4R3Ead3电桥的灵敏度调节桥臂电阻R2，考察电桥指示变化的灵敏情况。定义：平衡点附近，对角线的电压（或电流）的变化增量与 桥臂参数相对变化之比，称为电桥的灵敏度。电流灵敏度电压灵敏度信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输bcR1R2R4R3Ead仪表与系统篇信号的调理和传输由输出电压考虑桥臂参数与灵敏度关系结论1：供桥电源电压的大小会影响电桥的灵敏度令得求SU最大值，令dSU/dA=0，可知当A=1

时，Sumax=U/4因此：若测量对角线两边的桥臂电阻的比值

R1/R2和

R3/R4接近1，电桥的电压灵敏度高。仪表与系统篇信号的调理和传输bcR1R2R4R3Ead结论2：测量与电源对角线的元器件选择，将影响电桥的灵敏度4电桥测量中的一些问题(1)选择线路的灵敏度时，要优先考虑合适的比例臂的比率，以保证比较臂的读数精度；(2)接通线路规则——先接电源，后接检流计；断开次序则相反。(3)寄生误差及其消除a)热电势、接触电势——发现：桥路平衡时，将电源反向， 观察平衡情况。消除：“正负误差补偿法”正向反向平均信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输b)连线电阻、接触电阻——预先平衡消除c)不平衡误差——d)不等臂误差——测量两次第一次的比例臂第二次的比例臂则信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输二、交流电桥1交流电桥的基本结构与平衡条件结构拓扑与直流电桥相同，但

Z可以是阻抗；电源：为正弦波(工频或其他频率电源）平衡条件：bcZ1Z2Z4Z3USDad设：信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输或特点：

桥臂的容抗、感抗受到幅角条件的限制；平衡条件有两个，因此有两个可调参数；调节时，两参数要反复调节；电源和输出仪可互换；平衡条件与电源的电压无关；平衡条件是否与频率有关，取决于桥臂参数的设计；由平衡条件，得出二平衡方程信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输R2R4实比虚比R2R3R2C4实积虚积R2C32交流电桥的结构分类仪表与系统篇信号的调理和传输从实用角度出发,通常将四个桥臂中的两臂用接近理想的元件：如电阻器或电容器单独构成(分析时可将其作为理想元件看),从而使电桥的构成及平衡方程大为简化。交流电桥的平衡条件可以写成阻抗比的形式,也可以写成阻抗积的形式R2R4实比虚比R2R3R2C4实积虚积R2C3实比电桥——相邻两桥臂之比为实数(R1:R2；C1:C2)虚比电桥——相邻两桥臂之比为虚数(R1:C2)实积电桥——相邻两桥臂之积为实数(R2R3；C2C3)虚积电桥——相邻两桥臂之积为虚数(R2C3；R3C2)为使平衡条件简单，通常某些桥臂多用单一性质的元件。仪表与系统篇信号的调理和传输R2R4实比虚比R2C4阻抗比形式交流电桥实比电桥——相邻两桥臂之比为实数(R1:R2；C1:C2)虚比电桥——相邻两桥臂之比为虚数(R1:C2)仪表与系统篇信号的调理和传输除单一阻抗元件的两臂外，另两臂的阻抗则是两元件的串联或并联。此时，电桥的平衡与电源频率无关。例：实比电桥——相邻两臂阻抗元件都是电阻(或电容)的电桥R2R4实比虚比R2C4阻抗比形式交流电桥实比电桥——相邻两桥臂之比为实数(R1:R2；C1:C2)虚比电桥——相邻两桥臂之比为虚数(R1:C2)仪表与系统篇信号的调理和传输除单一阻抗元件的两臂外，另两臂的阻抗则是两元件的串联或并联。此时，电桥的平衡与电源频率无关。被测量经传感器转换后输出的信号一般均较弱，很难直接用于控制或A/D变换，为此在测量电路中常有模拟放大环节。目前主要依靠由集成运算放大器为基本元件构成具有各种特性的放大器。此外，通过特定的运算可以解决部分传感器输出的非线性问题。为何要进行信号的放大II信号的运算与放大信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输电阻、电容、半导体器件等电子元件，是实现信号数学运算的基本器件；运算放大器的特性，为实现信号运算提供了技术基础；信号的数学运算均可通过基本器件和运算放大器的组合来实现。运算放大器放大电路多采用运算放大器，放大器是一种集成电路组成的电子器件，具有输入阻抗高、可靠性高等特点，应用广泛信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输能用于数学运算的放大器称运算放大器，简称运放。运放是对模拟信号处理的基本元件之一。集成运放实际上是一个高增益(104—107)、高输入阻抗(数千欧至数十兆欧)、低输出阻抗(小于100Ω)的直流放大器。一般由输入级、中放级和输出级三部分组成。为便于运放的电路分析，常将运放理想化，称理想运算放大器。亦即将其看成增益天穷、输入阻抗无穷、输出阻抗为零的放大器利用理想运放条件分析、设计电路，易掌握电路的基本工作原理。但与实际运放存在误差。（这种误差在一般工程中可以忽略）信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输分类放大器直流放大器交流放大器电荷放大器直流电桥特点交流电桥低频保留，高频截止高频保留，低频截止信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输1电压放大器反相端输入比例放大器传递函数Zf、Z——分别为Rf、R的阻抗-VoZZf+Vi反相放大器信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输反相放大器的增益若Rf=R,则为反相跟随器，即V0=-Vi。反相放大器是一种近似比例运算

。即放大器的输入电阻减少时，输出的电压也随之成一定比例减少可见,理想运放条件下的反相端输入比例放大器的增益Ao

，完全由运放外电路电阻Rf

和R决定。实际上，Rf

还应包括输入信号源Vi的内阻。负号表示输出信号V0与输入信号Vi的相位相反信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输电压放大器应用反馈电阻Rf值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器直流反相端输入比例放大器从减少误差的角度看，同相放大器的应用不如反相放大器广泛，但由其增益特性看，输入电阻增加时，输出电压会减少。-VoRRf+Vi同相放大器同相放大器的增益同相端输入比例放大器信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。交流集成运放电路R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL确定若只需要放大交流信号，可采用交流电压同相集成运放（图）。其中C1、C2及C3为隔直电容。仪表与系统篇信号的调理和传输利用同相或反相放大器，可实现比例、加减、积分和微分等应用运算-VoRRf+Vi放大器信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输交、直流电压放大器应用2积分和微分运算放大器积分微分CReieoRCeieo信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输3相加和相减相加相减ei1eoRRRRRei3ei4ei2ei1eoRRRei2R信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输对数反对数ReieoeoeiRKT——晶体管共基极电流放大倍数Is——三极管基极-射电极间的反向饱和电流q——电子电荷，对数放大器是利用了二极管的管压降VD与通过二极管的电流ID成对数的关系仪表与系统篇信号的调理和传输4对数和反对数放大器对数、反对数变换电路的应用反对数对数对数反对数对数对数对数反对数乘法乘方除法信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输工程中常用放大器测量放大器隔离放大器信号变换电路信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输线性滤波器的基本类型低通LowPassFilter高通HighPassFilter带通BandPassFilter带阻BandStopFilter——说明见后滤波器信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输H(f)

理想滤波器H(f)实际滤波器

foffof低通滤波去掉信号中不必要的高频成分，降低采样率，避免频率混淆。提取趋势项。去掉高频干扰。降低对记录设备的要求。高通滤波去除趋势项。去除低频干扰。去掉信号中不必要的低频成分，可减少记录长度，降低对记录设备的要求。带通滤波抑制感兴趣频带以外的频率成分，提高信噪比。用窄带滤波器从信号中提取周期性成分。调制信号的检测。抑制某一特定频率的干扰，如电源干扰。带阻滤波信号调理技术基础仪表与系统篇信号的调理和传输调制与解调目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

幅度调制

调幅——将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号变化．缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号电信号怎样传输？流动：通过信号自身的运动，从一处到达另一处波动：通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处哪些电信号能够被传输能量型信号：电压、电流、电荷参数型信号：电阻、电容、电感信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输1概述电信号传输介质流动：有线式传输电缆：可用来传输电荷/电流光缆：可用来传输光波动：无线式传输空间：电磁波电信号传输形式模拟式：直接传输。数字式：对信号首先编码，然后传输。信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输2传输介质电缆电阻值：0.033欧姆/米；电容值：30pF/米工作频带窄、传输速率低、保密性能差光缆工作频带宽、传输速率高、保密性能好空间工作频带受限、传输距离大、保密性能差信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输因传输引起的信号失真分析模型相对失真评价eoeirlcrrccll信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输－有线传输：电缆改善传输线路电阻变化引起的信号失真技术1：电路环路传输法改善机制1374-20mA电流转换电路传输系统用电源数字式电流表热电偶中央控制室4-20mA的电流环路改善技术：提高测量端电压传感端作电流信号转换处理－有线传输：电缆信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输改善传输线路电阻变化引起的信号失真技术2：数字信号传输法改善机制：建立在有/无脉冲的机制上。只要能检测出脉冲的有/无，即使脉冲的大小和精确形状受到传输介质的严重损害，也不会影响到数字传输系统的精度。优点：可搭载传输，如电力网、电话网等。放大器A/D转换器控制门信号传输译码器编码器D/A转换器模拟输入模拟输出编码方式：脉宽频率－有线传输：电缆信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输传输系统保密评价：不使光纤发生故障而进入光纤是十分困难的。抗干扰评价：光纤不会受到来自诸如闪电或电源开关的电磁干扰的影响。安全评价：光纤不会产生火花。因此光缆甚至可放在天然气管道中。传输距离：几米至30公里。电/光转换光/电转换光缆传输模/数信号模/数信号－有线传输：光缆信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输－无线传输空间调频/调频（FM/FM）式信号传输系统第一次调频转换：电压/频率第二次调频增频：低频/射频调制解调信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输400Hz70kHz560Hz400Hz560Hz70kHz560Hz调谐400Hz调谐70kHz调谐6Hz截止8Hz截止1050Hz截止电抗调制器调频式接收机射频振荡器倍频器求和功放线性混频器带通滤波器调制解调器低通滤波器传感器副载波振荡器模拟信号1182……………接收天线发射天线－无线传输仪表与系统篇信号的调理和传输电压/频率转换电源公共端输入电流输入电压基准电压R2R1R1R3电压微调积分器定时基准精密电荷分配器脉冲输出电路电源R1R1原理：积分电容器的充电速度与积分器的输入信号成正比，积分器的输出与一门限电压相比，一旦超出门限，便产生一面积精确已知的脉冲。于是，一固定的电压便产生与其成正比的一输出脉冲系列。信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输频率/电压转换失调电压调整滤波电容电流放大器自适应式滤波器精密电荷分配器比较器频率输入参考输入汇流点满刻度调整满刻度微调输出原理：频率电压从比较器输入，电容器将交替地由精密参考电压充电并通过下一级放大器的汇流电放电。每一个充电/放电周期都有固定数量的电荷受到控制。输入频率越高，流入汇流点的平均电流就越大。然后再有电流放大器的反馈电阻完成电流/电压转换。调幅及解调解调器调制器载波振荡器交流放大器低通滤波器低频模拟信号载波高频信号载波信号传输低频模拟信号解调高频信号同步解调信号的传输仪表与系统篇信号的调理和传输小结传输的实质是移动、本质是能量流动：电流；波动：频率电信号传输模拟式：有损耗，影响信号精度；数字式：有损耗，但不影响信号精度。传输介质与电磁有关的介质：电缆、空间与电磁无关的介质：光缆传输调理数字调理；频率调理；电光调理。仪表与系统篇

干扰与抑制干扰的产生和耦合的一般形式传导干扰的耦合和抑制电场干扰的耦合和抑制电感干扰的耦合和抑制干扰与耦合干扰形成的三要素干扰源自然干扰：宇宙、大气放电、大气热辐射、静电放电电器设备干扰：放电、电路开关、脉冲振荡、整流、电路缺陷耦合通道传导：经导线直接耦合到电路中——热电偶共阻抗：两个电路拥有公共阻抗时电场：电压形式的干扰波，经由电场耦合到电路中互感：电流形式的干扰波，经由磁场耦合到电路中被干扰电路仪表与系统篇

干扰与抑制干扰的产生和耦合的一般形式自然干扰宇宙干扰频率：几十兆到一、二百兆赫兹电平：1/10微伏大气放电频率：几千赫兹以上，准脉冲型电平：破坏力极大大气热辐射频率：几十兆赫兹以内电平：1/100伏-100微伏的数量级仪表与系统篇

干扰与抑制电器设备干扰放电干扰电晕放电：15kHz-400MHz，主要对低频产生影响辉光（气体）放电：超高频，几十微伏到几十毫伏弧光（金属雾）放电：0.15-150MHz，100-1000微伏火花放电：0.15-150MHz，几百-几千微伏电器开关通断干扰电流上升时间*传输波形的通频带宽=0.5-1.0干扰电平随频率降低而减少工频干扰射频干扰干扰的产生和耦合的一般形式仪表与系统篇

干扰与抑制耦合的一般形式干扰耦合通过公共阻抗，由回路1耦合到回路2。干扰抑制降低公共阻抗增加回路1或回路2的阻抗Z12Z1Z2V1V2I2I1干扰的产生和耦合的一般形式仪表与系统篇

干扰与抑制－传导干扰的耦合和抑制传导干扰抑制干扰去偶防止导线拾取干扰使导线远离干扰电源线去偶滤波去偶传导干扰耦合电路V1例：导线耦合电源线耦合仪表与系统篇

干扰与抑制共阻抗耦合共阻抗干扰抑制减小共阻抗电阻型阻抗电阻率小的导线减小导线长度增加导线截面积电感型阻抗直线增大磁阻电容型阻抗减小面积增大距离vszzcis—共阻抗干扰的耦合和抑制仪表与系统篇

干扰与抑制电路2电路1公共地线电阻地线电流1地线电流2电路1对地电压电路2对地电压地电流流经公共地线阻抗的耦合接地线的公共阻抗耦合机制地线电流1和2流经地线公共阻抗，电路1的地电位被电路2流经公共地线阻抗的电流所调制。抑制接地线公共阻抗尽量缩短并加粗地线，以降低公共地线阻抗。—共阻抗干扰的耦合和抑制仪表与系统篇