电流速度检测技术

电流速度检测技术第1页，共38页，2023年，2月20日，星期一一、常见的电流检测仪微弱电流检测仪精密电流检测仪瞬变电流检测仪杂散电流检测仪电解电容漏电流测试仪以微弱电流检测为例第2页，共38页，2023年，2月20日，星期一1、电路的基本结构生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号，检测不同的植物生理参数，可能得到电压或电流信号。对于电流信号，应首先把电流信号转换成为电压信号，通过放大电路的放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1。第3页，共38页，2023年，2月20日，星期一

考虑到传感器产生的信号非常微弱，很容易受到噪声的污染，所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。另外为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，提高低通滤波器滤除噪声的能力，这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测前置放大电路原理图如图2。生物传感器产生的生物信号通常具有很大的动态范围，达到几个数量级，原理图中R2为可变电阻，通过改变R2的阻值，可以改变仪表放大器的放大倍数，从而适应放大不同大小的微弱信号。第4页，共38页，2023年，2月20日，星期一第5页，共38页，2023年，2月20日，星期一

2、噪声的抑制和屏蔽

在微弱信号检测的过程中，噪声的抑制和屏蔽至关重要，由于信号微弱，很容易受到噪声污染，这些噪声主要由环境噪声、电路元器件自身产生的噪声和电电源的工频噪声组成，因此在噪声的抑制和屏蔽上要综合考虑这几方面的因素。第6页，共38页，2023年，2月20日，星期一2.1、元器件的选择在进行微弱信号检测过程中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰，应选择接近理想运算放大器的芯片。主要参数的要求是具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂，具有较大的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级对集成运放的要求较高，一般需要运放的输入偏执电流在pA级。目前市面上有很多满足条件的集成运算放大器，如AD8571、LMC6482、LF351和OPA2703等。第7页，共38页，2023年，2月20日，星期一电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关调整反馈电阻的大小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电路进行隔离，程控开关应选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能，可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大器，如INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202是一款可程控放大倍数的仪用放大器，应用它可以简化电路结构，但PGA202需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007年末ADI公司推出的AD8253芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成了完整的仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱信号检测前置放大电路的理想选择。第8页，共38页，2023年，2月20日，星期一2.2、工频噪声和环境噪声的隔离工频噪声是影响电路的主要噪声，通常可通过电路的电源传递到电路中。为了减少这种影响，在电路设计时应在连接电源处增加旁路电容，隔离电源的交流噪声。除了这些措施外，为了滤除50Hz的工频干扰，还可以在模数转换时采用具有50Hz陷波的模数转换器。另外，数字电路部分与模拟电路部分分别接地，尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可以有效的隔离噪声。第9页，共38页，2023年，2月20日，星期一3、电路的设计与实现综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况，本文选用PGA202搭建仪表放大器，对微弱信号检测前置放大电路进行了整体设计。第10页，共38页，2023年，2月20日，星期一3.1、PGA202简介这里所选用的PGA202是由BURR-BROWN公司生产的，PGA202是一种程控仪表放大器，它内部集成了程控的增益改变逻辑电路。由于省去了增益控制部分，利用PGA202搭建仪表放大器可以使电路结构得到很大的简化，并且它的放大倍数稳定精确，为后续的数据处理提供了方便。PGA202的内部结构如图3。第11页，共38页，2023年，2月20日，星期一在图3中可以看到，A0和A1为数字程控信号的输入端，控制PGA202中集成的前置逻辑电路，通过改变A0、A1的值可以使仪表运算放大器的倍数在1、10、100和1000之间改变。

3.2、滤波器的设计

为了加强滤波器滤除噪声的能力，采用了二阶低通滤波器，并在滤波器的设计过程中选择了同样的电容电阻组合。第12页，共38页，2023年，2月20日，星期一滤波器的截止频率可通过公式来进行计算，由于生物传感器的信号多为低频信号，因此可以将低通滤波器的截止频率设计的低一些。在笔者所设计的电路中，电阻值100kΩ，电容值33nF，截止频率为48Hz。第13页，共38页，2023年，2月20日，星期一3.3、电路设计为了提高仪表放大器差分输入级的对称性，同时满足零漂、输入偏执电流、输入偏执电压等参数的需求，选用了性能参数较好并且同一芯片中含有两个运算放大器的OPA2277作为仪表放大器的差分输入级。在电压电流转换级采用了性能参数更为理想的集成运放AD8571，AD8571的输入偏执电流为20-70pA，输入偏执电压为1uV，共模抑制比达到120-140dB，可以满足I/V转换输入级对运放性能的要求。在实际的电路设计中还考虑了噪声的隔离，为减少电源的工频噪声对电路的影响，芯片连接电源处分别并联了0.1uF的旁路电容。另外为降低环境噪声对输入信号的污染，将电路的输入点放在了画圈接地的圈中，利用接地圈对环境噪声起到屏蔽作用。整体电路的设计如图4所示。第14页，共38页，2023年，2月20日，星期一第15页，共38页，2023年，2月20日，星期一3.4、电路的测试本文按照图4制作了电路板，选择R0的大小为1kΩ，对电路的性能进行了测试。测试过程采用TFG2300数字合成信号发生器产生20H正弦信号，通过串联500kΩ高精度电阻分压后接入电路。设信号发生器产生信号的振幅为A，仪表放大器的输入信号的振幅可以通过以下公式计算第16页，共38页，2023年，2月20日，星期一采用TDS1002数字示波器观察到电路输出了较平滑的正弦波形。表1中给出了A1、A0分别为11、10时电路的测试数据。通过表1可以看出放大器的放大倍数稳定增益误差较小。

第17页，共38页，2023年，2月20日，星期一4、结论

本次所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用于精准农业中的生物传感器。运用本文所阐述的降噪方法，有效的抑制和屏蔽了可能对电路造成影响的各种噪声，如环境噪声、工频噪声等。通过利用微弱低频信号对以程控增益集成仪表放大器PGA202为核心的微弱信号检测前置放大电路进行测试，得到了较为理想的结果，说明该电路可以在微弱信号的检测过程中得到应用。第18页，共38页，2023年，2月20日，星期一常见的电流检测仪高低压电流检测仪阻性泄露电流检测仪第19页，共38页，2023年，2月20日，星期一微电流检测仪75a型泄露电流检测仪第20页，共38页，2023年，2月20日，星期一电池电流检测仪杂散电流检测仪第21页，共38页，2023年，2月20日，星期一二、速度检测技术速度、转速和加速度是物体机械运动的重要参数。速度：物体运动时单位时间内的位移增量就是速度，单位是m/s。当物体运动的速度不变时称为等速运动。加速度：如果物体运动的速度是变化的，则单位时间内速度的增量就是加速度。加速度不变的运动称为等加速运动。实际上大多数物体的运动都不是完全等速的或完全等加速的，例如一个摆的运动，加速度是变化的，速度也是变化的，但其变化尚有一定的规律：至于一般物体的运动，其规律往往是非常复杂的。第22页，共38页，2023年，2月20日，星期一多普勒测速传感器脉冲式测速传感器下面介绍三种常见的速度传感器车速传感器第23页，共38页，2023年，2月20日，星期一1、多普勒测速传感器奥地利的物理学家克里斯琴·约翰·多普勒(C.J.Dopple)最早描述了这个现象,于是就称为多普勒效应。它虽然最初是由声源发现的,但对于其他的波动,比如电磁波和光波也同样存在,并且有着重要的应用。多普勒（奥地利）物理学家及数学家（1803-1853）

第24页，共38页，2023年，2月20日，星期一多普勒效应光源发射光束目标反射光束接收器目标静止时：反射光束频率f2=发射光束频率f1目标运动时：反射光束频率f2

≠发射光束频率f1目标速度↑频率差↓第25页，共38页，2023年，2月20日，星期一波是由频率及振幅所构成。无线电波在行进过程中,碰到物体时会反射,而且反射回来的波,其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的,那么所反射回来的无线电波其频率是不会改变的。若物体朝着无线电波发射的方向前进,此时所反射回来的无线电波会被压缩,因此该电波的频率会随之增加;若物体朝着远离无线电波方向行进,则反射回来的无线电波其频率会随之减小。这就是多普勒原理。第26页，共38页，2023年，2月20日，星期一多普勒速度传感器特点：精度高、分辨率高、测量范围宽，直接获得速度值，非接触、使用方便应用：车辆测速、体育比赛、空中目标测速第27页，共38页，2023年，2月20日，星期一2、脉冲式测速传感器组成：转子---扰动体探头----非接触探头原理：转子转动探头脉冲信号计数转速在一定时间内，转速越高，脉冲越多，计数值越大ω—转速，n--计数值N--扰动体数目，T--测速时间第28页，共38页，2023年，2月20日，星期一电涡流传感器测量转速电涡流传感器电涡流传感器测量转速测量速度电涡流传感器第29页，共38页，2023年，2月20日，星期一转速测试第30页，共38页，2023年，2月20日，星期一脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，这样脉冲的频率就与轮轴的转速成正比。输出脉冲经过隔离和整形以后，直接输入到微处理器进行频率测量并转换成列车运行速度。目前脉冲频率测量技术己相当成熟，这为提高测速精度提供了保证。直接由车轮的旋转获取速度信息，但它较测速电机方式，无论在设计方面还是在处理方法上都有较多优点。传感器的输出信号易于数字化处理，满足列车运行控制系统智能化、小型化的发展趋势，另外由于采用微处理器等先进技术，在测量精度和可靠性方面有较大提高。第31页，共38页，2023年，2月20日，星期一3、车速传感器车速传感器是汽车速度传感器（VSS，VehicleSpeedSensor）的简称，其作用是将汽车行驶速度转换为电信号输入燃油喷射控制（EFI）、防抱死制动控制（ABS）、自动变速控制（ECT）以及巡航控制（CCS）等ECU以便完成相应的控制功能。汽车常用车速传感器有光电式、磁感应式和笛簧开关式、磁阻元件式4种。第32页，共38页，2023年，2月20日，星期一（1）光电式车速传感器：构造：第33页，共