第11章 传感器信号处理

传感器传感器信号处理技术第11章传感器信号处理传感器主要内容一分析电桥二分析传感器信号放大电路三分析信号滤波电路四分析信号转换电路传感器一.阻抗电桥的构成及平衡条件1.构成：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。A和C接入电源E，B和D端为输出端。输出电压:桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为0。324132012341234[]()()BCDCzzzzzzVVVEEEzzzzzzzz分析电桥与电桥的电源传感器2.电桥的平衡条件z2z4-z1z3=0——称之为电桥平衡条件z2z4=z1z3——即对边乘积相等若为复阻抗ijiizz平衡条件可改写为：z2z4=z1z3——模平衡条件2413——相位平衡条件电桥与电桥的电源传感器3工作方式a.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；b.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；c.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥形式灵敏度最高，结构最复杂，要综合考虑选择。直流电桥电桥与电桥的电源传感器4输出方式电桥的输出方式根据负载情况有电流型和电压型两种a.电流输出型：当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载时，如下图所示，可得：URRRUCA212直流电桥电桥与电桥的电源传感器b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为URRRRRRRRUo))((432142313直流电桥电桥与电桥的电源传感器二分析传感器信号放大电路测量放大器在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这样特点的放大器称为测量放大器或仪用放大器。传感器120UUUAU)1(21WfffURRRRRA传感器信号放大电路测量放大器＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo图中三个运放组成的测量放大器,差动输入，输入阻抗很高。采用对称电路结构,较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由左式确定：传感器AD522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。由于AD522具有低电压漂移(2μV/℃)、低非线性(0.005％，增益为100时)、高共模抑制比(110dB,增益为1000时)、低噪声传感器信号放大电路测量放大器U＋＋Ui－UiRG8114236139111874510kWAD522输出基准µØ地U－AD522的外围电路传感器利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为选择不同的开关闭合,即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择,即可实现程控增益变换。RRAvf1传感器信号放大电路程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR¡ä传感器隔离放大器的电路结构图传感器信号放大电路隔离放大器传感器传感器信号放大电路隔离放大器由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、输出端之间的耦合,因此还具有以下特点：（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压对（2）泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏流（3）共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流)进传感器三分析信号滤波电路1.什么是滤波通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。传感器按功能分：信号滤波电路2．滤波器的类型1.低通滤波器;2.高通滤波器;3.带通滤波器;4.带阻滤波器.传感器1)低通滤波器低频通过，高频衰减从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。信号滤波电路低通滤波器传感器信号滤波电路高通滤波器2)高通滤波器低频衰减，高频通过与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。传感器3)带通滤波器通带内通过，通带外衰减它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。信号滤波电路带通滤波器传感器4)带阻滤波器通带内衰减，通带外通过与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。信号滤波电路带阻滤波器传感器实际滤波器实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。信号滤波电路传感器在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。1)一阶RC低通滤波器RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图。无源滤波器信号滤波电路传感器2)一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图。当f很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当f很大时，A(f)=1，信号不受衰减的通过。无源滤波器信号滤波电路传感器3)RC带通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如图。无源滤波器信号滤波电路极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。传感器当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。有源滤波器信号滤波电路传感器如果在低通滤波器后面接一个放大器,构成有源低通滤波器其增益由211RR确定，与时间常数RC无关。有源滤波器信号滤波电路传感器控制对象模拟非电量X(t)传感器模拟电量u(t)放大器放大后模拟电量u(t)A/D数字量D数字计算机数字量D/A模拟电量执行元件A/D、D/A转换器在数字系统中的应用数/模与模/数转换四信号转换电路A/D和D/A转换器传感器A/D转换器的两个组成部分及其作用：输入模拟电压uI(t)CPsSADC的采样保持电路C采样值展宽信号ADC的量化编码电路xn－1(MSB)x1x0(LSB)…输出数字量X(n位)uI(t)′采样保持A/D转换器信号转换电路量化编码传感器(1)采样保持采样开关S的控制信号CPs的频率fs≥2fimax这样就能将采样保持后的不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式称为采样定理。)('tuICPsT采样保持保持采样采样保持采样保持采样TsuI(t)uI(t)′uI(t)uI(t)′ttA/D转换器信号转换电路传感器(2)量化编码量化:编码:将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码(如二进制码、BCD码或Gray码等)对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。A/D转换器信号转换电路传感器分辨率mVUm53.19256528分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如，ADC输出为八位二进制数，输入信号最大值为5V，其分辨率为分辨率A/D转换器信号转换电路A/D转换器参数