模拟式传感器信号的检测VIP

第一节概述一、检测系统的功用及组成

功用:用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成了机电一体化产品中的检测系统。组成:1二、机电一体化对检测系统的基本要求1.精度、灵敏度和分辨率高；2.线性、稳定性和重复性好；3.抗干扰能力强；4.静、动态特性好。其它要求:体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。三、检测系统设计的任务、方法和步骤检测系统设计的主要任务：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使在机电一体化产品中实现预期的计测功能。2检测系统设计的主要方法:实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。检测系统设计的一般步骤：(1)设计任务分析(2)系统方案选择(3)系统构成框图设计(4)环节设计与制造(5)总装调试及实验分析(6)系统运行及考核3第二节模拟式传感器信号的检测一、模拟信号检测系统的组成模拟式传感器其输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。4二、基本转换电路被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当传感器的输出信号是电参数时，需采用基本转换电路将其转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。(一)分压电路

5式中:ω是交流电源角频率；M2是变压器互感。67(二)差动电路差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。当被测量发生变化时，传感器阻抗也随之变化，设变化量为ΔZ，则Z1＝Z0+ΔZ，Z2＝Z0-ΔZ，于是8采用对称电源供电，在传感器处于平衡位置时，电路输出为零；当传感器失衡后，输出电压与阻抗的变化成正比，即:9主要用于直流电桥中，两个阻抗元件Z的中点接地，构成对称供电形式。当传感器处于平衡位置时，输出电压为零；当传感器失衡后，输出电压为:10通过具有中间抽头的变压器二次线圈对传感器的一对差动阻抗对称供电，其输出电压与传感器阻抗变化之间的关系为：11(三)非差动桥式电路若传感器的基准阻抗为Z0，并取Z＝ZR＝Z0，传感器阻抗随被测量的变化为ΔZ，则12当电容传感器的电容C或电阻传感器的电阻R变化时，输出电压的幅值U0＝Ui／2不变，但相位角φ却随之变化，其输出特性表达式为：13阻感相位电桥输出信号相位随传感器电感L或电阻R的变化关系为:14(四)调频电路传感器电容C和标准电感L构成谐振电路并接入振荡器中，振荡器输出信号的频率f随传感器电容C的变化关系为:15(五)脉冲调宽电路输出信号U0的脉宽占随电容C或电阻R的变化而变化，即:式中，k是与UR／Ui有关的常数。16三、信号放大电路信号放大电路（放大器），用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。(一)减小噪声和提高稳定性的方法放大电路中常见的噪声:热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取措施加以抑制，以免有用信号被淹没在噪声中。常用的抑制放大器噪声的措施有：①压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。②减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现噪声阻抗匹配。③选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。④减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。17放大器的稳定性：指其在环境、输入信号或电路中某些参数发生变化时能够稳定工作的能力。提高放大器稳定性的措施有：

①采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定静态工作点。②采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数。③采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其它寄生耦合所引起的自激振荡。④妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的影响。⑤采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。18(二)高输入阻抗放大器为了与传感器电路或基本转换电路相匹配，希望放大器具有较高的输入阻抗。最简单和常用的高输入阻抗放大器是同相输入放大器，其输出电压U0和输入阻抗Z分别为:式中:Ad是运算放大器的差模放大倍数；Zi是开环输入阻抗。19为保证共模抑制比，取R1／Rf1＝Rf2／R4，则放大器输出为20U0＝－(R2／R1)UiU01＝一(2R1／R2)U0＝2Ui，信号源的输出电流为:21(三)高共模抑制比放大器对两被测信号的差值进行放大的同时，抑制来自环境的共模干扰。若取R1＝R2，R3＝Rf，则上式变为:22若只有共模信号输入，即Ui1=Ui2=Uic若R1＝R2，R3＝Rf，有U0=0，即放大器共模增益为零，共模抑制比(差模增益与共模增益之比)为无穷大。23当R1＝R2，及Rf1=Rf2=Rf时，电路输出为:24(四)参量放大器式中：ε是电容传感器的介电常数；S是极板工作面积；δ是极板之间的距离，或称气隙。(1)电容参量放大器25(2)电阻式传感器取R1=R2，R3=R(R是传感器电阻公称值)用于将单臂传感器的电阻变化ΔR转换成输出电压uo的变化。26用于将差动式传感器的电阻变化转换成电压变化传感器电阻R3和R4分别为R3＝R－ΔR，R4＝R+ΔR。若取及R1＝R2＝R，Rf>>R，则：27(五)线性化放大器线性化放大器：指通过放大器的作用，使包括传感器及信号检测电路在内的整个检测系统的输出与输入之间具有良好的线性。许多情况下，放大器前、后各环节都可能具有非线性特性，由于作为中间环节的放大器的特性最容易调节和控制，因而常要求其具有按给定规律变化的增益特性，以补偿或校正整个系统的线性。28设传感器具有非线性特性ui＝f(x)，要求系统输出uo与输入x之间具有线性关系uo＝kx。若放大器开环增益为Ao，则Ao足够大时，上式可简化成：(只要反馈环节具有与传感器相同形式的非线性特性，检测系统就能获得良好的线性)29要精确实现任意函数关系f(x)的反馈补偿是很困难的，一般是先用一组折线来代替f(x)，然后用分段折线反馈来实现线性化补偿。30①当反馈网络的输入电压uo较小时，P点电位uP<UD+E1<UD+E2(UD是稳压管VSl～VS3的压降)，且输出电压uf<UD+E3，则VSl～VS3均不导通，反馈网络增益较小，输出电压对应着直线段OA。②当uo1<uo≤uo2时，适当选择E1～E3和UD，可使UD+E1<up<UD+E2，且uf<UD+E3，则VS1导通，VS2、VS3仍截止，从而增加了反馈电阻，使得反馈网络增益加大，输出电压uf对应着直线段AB。

③当uo2<uo≤uo3时，UD+E1<up<UD+E2，但uf>UD+E3，则VSl、VS3导通，VS2截止，相当于在RL上并联一个电阻R8，使反馈网络增益减小，uf对应着直线段BC。④当uo3<uo<uo4时，up>UD+E2>UD+El，且uf>UD+E3，则VS1~VS3全部导通，使反馈电阻增加，负反馈减小，反馈网络增益增加，uf对应直线段CD。31(六)放大器增益切换当Uo>Uc时，通过量程切换电路控制继电器或模拟开关动作，使适当的分压电阻接通，从而对不同的输入信号Ui实现不同程度的衰减，以保证放大器工作在线性范围内。3233四、信号调制与解调电路采用调制与解调的方法对信号进行检测，以防止干扰信号对检测精度的影响。例如：采用特定频率的交流电源对电感传感器供电，或对由应变片、热敏电阻等组成的桥路供电，目的是为了对信号进行调制。经过调制的信号在经过放大后，还需通过解调(或称检波)的方法将其还原成原始信号，以获得被测物理量及其变化的信息。信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等，其中前三种又分别简称为调幅、调相和调频。对应不同的信号调制方法需采用不同的方法来解调。34(一)幅值调制与解调1．幅值调制(让一个具有特定角频率ωc的高频信号的幅值随被测量x而变化)

高频信号称为载波信号，被测量x称调制信号，载波信号经被测量x调制后所得到的幅值随x变化的信号称已调制信号或调幅信号。最简单的幅值调制是线性调制，即让高频振荡信号的幅值为被测信号x的线性函数，所得到的调幅信号的一般表达式为：式中，ωc是载波信号角频率；Um是载波信号幅度；x是调制信号；m称调制深度。35信号的幅值调制可直接在传感器内进行，也可在电路中进行。在电路中对信号进行幅值调制的方法有相乘调制和相加调制，下面仅就相乘调制的方法加以介绍。361)串并联幅值调制电路，用于将缓变的调制信号ui与矩形高频载波信号Uc和Uc非相乘。37将Uc按傅里叶级数展开得：将ui与Uc相乘后，再用带通滤波器滤除直流分量和频率高于3ωc的高频分量，就得到相乘调制信号38392．包络检波是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管等具有单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化的调制信号。404142当要求检波精度较高时，常采用由运算放大器构成的精密整流器来实现包络检波。43取R'3＝2R3，在不考虑电容C的滤波作用时，N2的输出为:44Uc：与载波信号同频率的参考信号（作为场效应管VF的开关控制信号），从而实现调幅信号US与参考信号UC相乘。3．相敏检波45在设计调幅及其解调电路时，应注意合理选择各参数。①如果调制信号的最大角频率为ωm，则要求载波频率ωc>10ωm，否则会给滤波器设计带来困难或降低信号检测精度。②为了保证调幅信号顺利通过并被放大，放大器的通频带应按ωc±ωm选取。③在相敏检波后，滤波器应保留频率在ωm以下的信号。④在包络检波后，滤波器应滤除频率在ωc-ωm或2ωc-ωm以上的信号。46(二)相位调制与解调方法：让一个具有特定角频率ωc的高频载波信号的相位随被测量x而变化，则已调制信号中就包含了x的全部信息。最常用的是线性调相，使调相信号的相移角为x的线性函数，其一般表达式为：式中，Um是载波信号幅值；m称调制深度。调相信号us的瞬时角频率为：对调相信号进行放大时，放大器的通频带应按上式所确定的ω的变化范围来选择。47①当弹性轴上无扭矩作用时，两个传感器中的交变信号相位差为零；③如果将一路传感器信号作为基准信号，另一路传感器信号就是调相信号，其载波频率为轴1的转速与齿轮2的齿数之积。②当有扭矩作用时，弹性轴产生扭转变形，两个齿轮相对位置发生变化，两路传感器信号的相位差也发生变化，且相位差与扭矩成线性关系。482．相位解调相位解调又称鉴相或比相，常用的方法有异或门鉴相、RS触发器鉴相、脉冲采样鉴相和相敏检波器鉴相等。设时钟频率和调相信号频率分别为f和fc，则：49异或门鉴相器的鉴相范围为0≤φ≤180，且要求输入信号为占空比50％的方波。如为正弦信号，需先整形成方波。异或门鉴相器不能鉴别相位的超前或滞后，因而无辨向功能。50RS触发器鉴相电路原理：

51①首先可通过微分电路或单稳电路等，将参考信号Uc和调相信号Us变成窄脉冲U‘c和U’s，然后分别加到触发器的R、S端，则Q端输出信号的脉宽与相位差成正比。②Q端的输出信号可通过滤波器获得平均电压uo，或采用计数电路对脉冲宽度计数，还可将触发器的Q和Q非端分别接滤波器，然后用差动放大器求差。RS触发器的鉴相范围是δφ<φ<360-δφ，其中δφ是窄脉冲U'c或U's的相位宽度。52(三)频率调制与解调方法：让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量x(调制信号)而变化，则得到的已调制信号中就包含了x的全部信息。在线性调频中，调频信号可表达成：式中，Um和ωc分别是载波信号的幅值和中心角频率；m称调制深度。常用的调频方法有传感器调频、电参数调频、电压调频等。53542．频率解调频率解调又称鉴频或频率检波，常用的方法有微分鉴频、斜率鉴频和相位鉴频三种。微分鉴频方法：将us对时间t求导得：调频信号us的微分是一个调频调幅信号，利用包络检波器可检出其幅值Um(ωc+mx)，再通过零点和灵敏度标定，即可获得调制信号x。55微分鉴频电路：1.电容CD与晶体管VT的发射结正向电阻re构成微分电路。2.VT又与电阻RL构成包络检波电路；3.二极管VD:(1)VT提供直流偏压(2)为CD提供放电回路；4.输出端电容C用来滤除包络检波后的高频载波信号。56五、滤波器功能：①滤除在信号放大和传输过程中引入的噪声和干扰。②滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。③将不同频率的有用信号分开。④对系统频率特性进行补偿。分类：

①按照所处理信号形式的不同，可将滤波器分为模拟式滤波器和数字式滤波器，其中模拟滤波器又有机械式和电气式两类；②按照所采用元器件的不同，又可分为无源滤波器和有源滤波器；57③按照所选通的信号频率范围的不同，还可分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种；还可根据滤波器传递函数的阶次将其分为一阶、二阶、高阶滤波器。58描述滤波器性能的基本参数：1．截止频率若滤波器在通频带内的增益为K，则当其增益下降到(即下降了3dB)时所对应的频率被称为截止频率。2．带宽B对于低通或带通滤波器，带宽是指其通频带宽度，对于高通或带阻滤波器，带宽是指其阻带宽度。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。3．品质因数QQ定义为带通或带阻滤波器的中心频率fc与带宽B之比，即品质因数Q的大小反映了滤波器频率选择能力的高低。594．倍频程选择性是指在f02与2f02之间，或在f01与f01／2之间，幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时幅频特性的衰减量，用dB表示，它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。(二)无源RC滤波器1．RC低通滤波器60适当改变电路中R或C的取值，可改变截止频率。设计低通滤波器时，应使截止频率大于有用信号的频率。612．RC高通滤波器623．RC带通滤波器当R2>>R1时，后面的低通滤波器对前面的高通滤波器影响较小，因此带通滤波器的传递函数可看成是高通滤波器和低通滤波器的传递函数之积。无源RC滤波器主要作为一阶滤波器使用。缺点：频率选择性较差。若将RC滤波器串联起来，虽然可提高阶次(传递函数分母中s的幂次)，但受级间耦合的影响，效果较差。63(三)有源滤波器有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成，其中运算放大器既可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大作用，而RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。1．有源低通滤波器RC网络实现滤波作用，运算放大器用于隔离负载的影响，提高增益和带负载能力。64RC高通滤波器作为运算放大器的负反馈网络而构成的一阶有源低通滤波器65二阶有源低通滤波器为了在低频区获得比较平坦的幅频特性，常取ζ＝0.707，则ω0＝ωn，倍频程选择性为7.4dB，66通过多路负反馈以削弱Rf在调谐频率附近的负反馈作

用，使滤波器的特性更接近理想的低通滤波器。672．有源高通滤波器将两个RC高通滤波器串联接在运算放大器的同相输入端68信号从运算放大器的反相端输入，并通过多路负反馈来抑制元件参数变化的影响，保证在任何参数情况下阻尼比ξ总是正值，滤波器总是工作在稳定状态。有源高通滤波器693．有源带通滤波器由一个RC低通滤波器和一个RC高通滤波器串接在运算放大器的同相输入端构成传递函数为：70该带通滤波器的中心角频率ωc就等于其固有角频率ωn。设上、下截止角频率分别为ω02=ωn+Δω，ω01=ωn-Δω，则带宽为B＝2Δω。71724．有源带阻滤波器传递函数为：滤波器的通带增益K、阻带宽度B及品质因数Q分别为：73结论：在设计或选用这类滤波器时，运算放大器的增益不宜选得过大，以保证阻尼比为正值，使滤波器工作在稳定状态。74六、运算电路运算电路是能对信号运算处理的电路。模拟运算电路：具有直接、简单、运算速度快等特点，主要用于简单的运算数字运算电路：由于计算