《传感器与检测技术》课件-项目九 检测技术

项目九检测技术知识目标

了解信号处理与变换的目的、基本的方法；掌握测量放大器、可编程放大器、隔离放大器等几种典型的信号的放大和隔离电路，了解其集成芯片；了解幅值和频率调制与解调的基本原理；了解数／模和模／数转换技术；了解电子测量装置的两种干扰形式；掌握常用的抗干扰措施；了解检测技术的综合应用。

技能目标

能根据实际要求传感器输出信号的特性、工作方式及系统要求对传感器输出信号进行简单的处理和转换，会采取一定的抗干扰措施。任务一信号处理与变换

在检测系统中，传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现为不同形式的电信号。其电信号的形式多为电荷、电压、电流、频率等。其中以电压输出型为最多，在电荷、电流输出和频率输出传感器当中，除了少数直接利用其电流或频率输出信号外，大多数是分别配以电荷放大器、电流一电压变换器或频率一电压转换器，从而将它们转换成电压输出型传感器。信号需要处理的原因：（1）传感器的输出信号一般比较微弱（mV、μV级），有的传感器输出电压仅有0.1μV，信号很容易被周围环境和系统本身所产生的噪声所掩没；（2）传感器的输出阻抗都比较高，当其输出信号接到测量电路时会产生较大的衰减。知识准备

信号处理与变换方法：微弱信号的放大、滤波、隔离、标准化输出、线性化处理、温度补偿、误差修正、模一数转换等。下面介绍信号的放大和隔离、信号的变换等比较重要的处理技术。1.信号的放大与隔离随着集成电路的发展，目前传感器的信号放大越来越多地采用集成运算放大器，由于其输入阻抗高，可靠性高，价格便宜，维护方便，因而得到广泛应用。现在已经生产出各种专用或通用运算放大器以满足高精度检测系统的需要，其中有运算放大器、测量放大器、可编程放大器、隔离放大器等。这里主要介绍几种典型的传感器信号放大器。1）测量放大器在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，传感器的工作环境也往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生较大的共模干扰信号，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，这种放大器即测量放大器，又称仪用放大器、数据放大器，它广泛用于传感器的信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。图9-1测量放大器由图可得测量放大器的放大倍数为：

目前，已有很多高性能的专门单片测量放大器芯片，主要有AD521、AD522、HG6101等。下面我们就具体介绍一下AD521、AD522集成测量放大器特点及应用。①AD521放大倍数按下式计算：图9-2AD521的管脚图9-3AD521基本联接方法

放大倍数可在0.1到1000的范围内调整，选用RS=100KΩ15%的电阻可得到比较稳定的放大倍数。在使用AD521时，特别注意偏置电流提供回路。为此，输入端（1）或（3）必须与电源的地构成加路。可以与地直接相连，也可以通过电阻相连。②AD522

AD522是AD公司推出的高精度数据采集放大器，利用它可在恶劣工作环境下获得高精度数据。AD522具有如下特性：低漂移；非线性低；高共模抑制比；低噪声；单电阻可编程增益；具有输出参考端及远程补偿端；可进行内部补偿；除增益电阻外，不需其它外围器件；可调整偏移、增益和共模抑制比。

图9-4AD522的引脚排列

AD522的一个主要特点是有数据防护端，用于提高交流输入时的共模抑制比。对远处传感器送来的信号，通常采用屏蔽电缆传送到测量放大器，电缆线上分布参量RC会使其产生相移，当出现交流共模信号时，这些相移将使共模抑制比降低。2）程控增益放大器①AD526图9-5变反馈电阻的增益放大器电路图9-6AD526的内部功能图

当向控制逻辑输入适当的增益编码时,就可以选择所设计的增益。控制逻辑接通FET开关,使增益网络相应分支接通放大器的反相输入端。在这个过程中,增益开关导通电阻产生的误差可以忽略,这是由于放大器输入偏置电流极低(150μA)的原因。

②AD524图9-7AD524结构原理图

AD524即是常用的一种集成可编程增益控制测量放大器。其特点是具有低失调电压（50mV），低失调电压漂移（0.5μV/℃），低噪声（0.3μV（p-p），0.1～10Hz），低非线性（0.003％，增益为1时），高共模抑制比（120dB，增益为1000时），增益带宽为25MHz，具有输入保护等；从其结构图可知，对于1，10，100和1000倍的整数倍增益，无需外接电阻即可实现，在具体使用时只需一个模拟开关来控制即可达到目的；对于其他倍数

的增益控制，也可用一般的改变增益调节电阻Rs的方法来实现，同样也可用改变反馈电阻与D/A转换器结合、甚至改变其参考端电压的方法来实现程控增益。

图9-7AD524结构原理图③LH0084图9-8LH0084结构原理图3）隔离放大器在自动检测系统中，一般希望工业现场传感器输出的模拟信号与检测系统的后续电路隔离开来，这样可以避免工业现场送出的模拟信号带来的共模电压及各种干扰对系统的影响。隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流和电阻彼此隔离使之没有直接耦合的测量放大器。

隔离放大器具有以下特点：能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏；泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路；共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。

隔离放大器按原理分有两种类型：一、是按变压器耦合的方式，具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在lkHz以下；

二、是利用光电耦合的方式，可获得10kHz带宽，但其隔离性能不如变压器耦合

。图9-9284型隔离放大器电路结构图

2.调制与解调调制：就是利用缓变信号来控制、调节高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或者相位），使其按缓变信号的规律变化。低频信号称为调制信号，高频信号称为载波信号，而调制出来的信号称为已调制波。解调：是从已调制波中不失真地恢复原有的低频调制信号的过程。

若载波信号是谐波信号调制可分为调幅、调频和调相三种；若载波信号是方波则调制可分为脉宽、脉幅、脉相三种。1）幅值调制与解调①调幅调幅过程就是将调制信号与载波相乘，使载波的幅值随调制信号的变化而变化。图9-10正弦幅值调制②解调图9-11同步解调原理框图同步解调：解调过程中，所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位

。整流检波：对调幅波进行整流（半波或全波整流）和低通滤波处理，就可复现原调制信号（若已叠加了直流分量，则须准确地减去该直流分量）。相敏检波：能根据调幅波和载波的相位差来判别调制信号极性的解调器，它适合对各种类型的调幅波进行解调。

2）频率调制与解调调频的主要作用也是实现移频，但调频较之调幅主要的优点是它的抗干扰能力较强。①频率调制频率调制是用低频调制信号去控制高频载波频率的过程。频率调制实现的方法主要是各种振荡电路，例如LC振荡器、电抗调制器、变容二极管调制器、压控振荡器等。

图9-12LC振荡器②解调频率调制后的解调电路常称为鉴频器，其作用是将已调频波的频率变化转换成电压的变化，恢复原被测信号的波形。图9-13调频波的幅值解调3.数／模和模／数转换

传感器输出的信号大部分是模拟信号，但由于计算机只能处理数字量，在与计算机系统和控制技术相结合时，就要进行模拟量向数字量或数字量向模拟量的转换。现在这些转换都已有专用的转换器，并已集成化，具有体积小、功能强、可靠性高、误差小、功耗低等特点。1）模／数转换器技术

A／D转换器用于实现模拟量—数字量的转换，按转换原理可分为四种，即：计数式A／D转换器、双积分式A／D转换器、逐次逼近式A／D转换器和并行式A／D转换器。目前最常用的是双积分式和逐次逼近式。一、双积分型A/D转换器工作原理：

将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。特点：1、优点：用简单电路就能获得高分辨率；

2、缺点：由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。适用场合：主要用于速度要求不高的场合。

二、逐次比较型A/D转换器：工作原理：由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。特点：速度较高、功耗低，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。图9-14ADC0809内部逻辑结构①ADC0809的内部逻辑结构②信号引脚图9-15ADC0809引脚图

2）数模转换数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路，通常称为D/A转换器或DAC。

图9-16DAC0832引脚图图9-17DAC0832内部结构框图任务二抗干扰技术

传感器或测量系统的工作环境往往十分复杂，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；严重者会引起测量系统不能正常工作或造成后续控制系统的误动作，为使检测系统正常、可靠工作，必须研究系统的抗干扰技术。

知识准备

干扰问题是检测系统设计和使用过程中必须考虑的重要问题。所谓干扰，就是指有用信号以外对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素的总称。干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰都不会产生。抗干扰技术就是针对三个要素的研究和处理。

干扰的来源（1）外部干扰空间电磁场的影响，包括输电线路和电气设备发出的电磁场，通信广播发射的无线电波，雷电、火花放电、弧光放电和辉光放电等放电现象等；（2）内部干扰主要由分布电容、分布电感等分布参数所引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差以及寄生振荡引起的干扰；另外元器件产生的噪声也属于内部干扰。

传播途径是指干扰信号的传播路径。电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的传播叫作辐射方式传播；电磁信号借助导线传入设备的传播被称为传导方式传播。传播途径是干扰扩散和无所不在的主要原因。

接受载体是指受影响的设备的某个环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电气参数。接受载体不能感应干扰信号或弱化干扰信号使其不被干扰影响就提高了抗干扰的能力。接受载体的接受过程又称为耦合，耦合分为两类，传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件（如电容器、变压器等）耦合至接受载体；辐射耦合指电磁干扰能量通过空间以电磁场形式耦合至接受载体。1.电子测量装置的两种干扰1）差模干扰差模干扰是使信号接收器的一个输入端电位相对另一个输入端电位发生变化，即叠加在被测信号上的干扰信号。产生差模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合等。

图9-18差模干扰等效电路图

针对具体情况可以采用双绞信号传输线、传感器耦合端加滤波器、金属隔离线、屏蔽等措施来消除差模干扰。2）共模干扰

共模干扰往往是指同时加载在各个信号接收器输入信号接口端的共有的信号干扰。虽然它不直接影响结果，但是当信号接收器的输入电路参数不对称时，它会转化为差模干扰，对测量结果产生影响。

图9-19共模干扰等效电路图3）共模干扰抑制比检测系统对共模干扰的抑制能力可以用共模干扰抑制比来衡量，它是指作用于系统的共模干扰信号与使系统产生同样输出所需的差模信号之比。通常用对数形式表示：2.常用的抑制干扰措施（1）屏蔽技术屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输的技术措施。屏蔽的目的就是隔断场的耦合通道。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为静电屏蔽、低频磁场屏蔽和电磁屏蔽。

静电屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料作屏蔽体，屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地，使其内部的电力线不外传，同时外部的电场也不影响其内部。使用静电屏蔽技术时，应注意屏蔽体必须接地，否则虽然导体内无电力线，但导体外仍有电力线，导体仍受到影响，起不到静电屏蔽的作用。静电屏蔽原理

有些笔记本在机壳内部喷上一层金属漆，来起到一定静电屏蔽的作用

静电屏蔽袋

磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。低频磁场屏蔽的原理是使绝大部分磁通量经屏蔽体通过，所以对静磁场及低频交变磁场要采用坡莫合金之类高磁导率的材料做成屏蔽层，并保证磁路畅通，以便将干扰限制在磁阻很小的屏蔽体的内部，起到抗干扰的作用，同时要有一定厚度，以减少磁阻。图中A为一磁导率很大的软磁材料（如坡莫合金或铁铝合金）做成的罩，放在外磁场中。由于罩的磁导率μ大得多，所以绝大部分磁场线从罩壳的壁内通过，而罩壳内的空腔中，磁感线是很少的。这就达到了磁屏蔽的目的。

电磁屏蔽是利用导电良好的金属材料如铜、铝等做出屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，再利用涡流磁场抵捎高频干扰磁场的影响，从而达到抗高频电磁场干扰的效果。考虑到高频趋肤效应，高频涡流仅在屏蔽层表面一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度。将电磁屏蔽妥善接地后．其具有电场屏蔽和磁场屏蔽两种功能。（2）隔离隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。1）光电隔离

光电隔离所用的器件是光电耦合器。

图9-20光电隔离原理2）变压器隔离对于交流信号的传输一般使用变压器隔离干扰信号的办法。

图9-21变压器隔离原理3）继电器隔离继电器线圈和触点仅有机械上形成联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接受电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。3.接地接地是保证人身和设备安全、抗噪声干扰的一种方法。接地有两种情况，一种是设定一个基准面（如金属机壳），所有信号回线都与之相连，包括测量仪器在内的所有电子仪器内部均为此接法。另一种是直接接地，工业电源、电力设备等都与大地相连。检测系统接地包括一点接地和多点接地两种方式。

1）一点接地

就是将各种具有不同信号电平的信号地线、噪声地线和金属件地线分别在电路中适当的一点接地，而不应相互串接。—点接地又分单级电路一点接地和多级电路一点接地两种情况。

图9-22串联一点接地图9-23并联一点接地2）多点接地若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰，这时最好采用多点接地，如图9-24所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。图9-24多点接地

4.滤波滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。

滤波电路的功能是能使一种频率顺利通过，而将另一部分频率进行较大的衰减。由于传感器输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器的输出信号常采用低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。图9-25二阶RC有源低通滤波电路任务三检测技术的综合应用

实际应用检测技术时，往往很少单独地使用一个传感器来组成仪表或系统，应用较多的是将多个不同类型的传感器和计算机、控制电路等综合在一起来构成检测控制系统完成某种任务。知识准备1.检测技术在数控伺服系统中的应用图9-26数控铣床结构示意图1-右工作台2-工件支架3-下支架压力油孔4-左工作台5-数字编码器6、7、8-直线磁栅传感器9-温度传感器10-铣刀11-被加工轴12-工件夹具13-液压系统14-压力传感器图9-27数控机床闭环控制系统2.检测技术在机器人中的应用机器人就是由计算机控制的能模拟人的感受、动作并可以完成有效工作的机器。传感器在机器人的控制中起了非常主要的作用，有了传感器，机器人就可以具备类似于人类的知觉功能。表9-1机器人传感器的分类及应用任务实施1.绝对值放大器图9-28绝对值放大器

2.光隔离放大器图9-29光隔离放大器3.AC—DC变换电路图9-30AC—DC变换电路4.直流电源滤波器图9-31直流电源滤波器项目小结

信号处理与变换技术主要介绍了信号放大、调制/解调、隔离、标准化输出、线性化处理、温度补偿、误差修正、模一数转换等。传感器的信号放大多采用集成运算放大器，有运算放大器、测量放大器、程控增益放大器、隔离放大器等，测量放大器放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗；程控增益放大器是通过计算机软件控制的办法来实现增益的自动变换，它放大倍数可根据需要通过编程进行控制；隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流和电阻彼此隔离使之没有直接耦合的测量放大器。在直流放大时，常先用调制的方法把它先变成适当频率的交流信号，再进行交流放大，然后用解调恢复被测量。调制一般利用缓变信号来控制、调节高频振荡信号的某个参数，使其按缓变信号的规律变化。若载波信号是谐波信号，调制可分为调幅、调频和调相三种；若载波信号是方波，则调制可分为脉宽、脉幅、脉相三种。传感器在与计算机系统和控制技术相结合时，就要进行模拟量向数字量或数字量向模拟量的转换。模／数转换器用于实现模拟量—数字量的转换，数/模转换器就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。知识拓展传感器与微型计算机的接口技术1.概述接口技术有硬件接口和软件接口两种，软件接口是指CPU通过编程来实现数据采集，主要方法有定时询问，即定时查询标志位，转换结束取走数据；延时等待，即CPU发出启动转换指令后，延时一段时间，转换结束后取走数据；中断技术，即采用中断方式取走数据等。

硬件接口就是传感器与计算机之间的连接电路，主要考虑Ａ／Ｄ转换和噪声消除方法等。2.传感器与微机接口的基本方式（1）数字开关量接口方式对于数字开关量信号，若符合TTL电平，可通过三态缓冲器直接输入微机；若不符合TTL电平，则要经过放大、变换和整形后再进入微机。（2）数字信号接口方式