传感器原理与应用―基础

传感器技术基础BasicKnowledgeofSensorTechnology传感器技术基础绪论传感器技术基础2020/1/173传感器的组成及分类传感器的基本特性常用信号调理电路传感器技术基础2020/1/174传感器调理与处理显示或控制装置被测信号电信号✿信号调理的目的是便于信号的传输与处理。✿信号调理电路的功能：(1)电压、电流调幅。(2)构成测量电路，实现补偿、调零等功能。(3)调制与解调、滤波及线性化处理。信号调理电路2020/1/175常用信号调理电路一．测量电桥二．信号放大电路三．信号转换电路四．滤波电路五．调制与解调2020/1/176测量电桥电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，也是最常见的信号调理电路之一。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo电桥的结构：四个桥臂中有一个或多个桥臂是传感器的敏感元件，其它为使电桥平衡而选择的固定阻抗元件。2020/1/177电桥的分类☎按电桥的激励电源分类：①直流电桥：只能用来测量电阻变化。又分为恒压源电桥和恒流源电桥。②交流电桥：可用来测量电阻、电感、电容变化。交流电桥功能上相当于调幅器，输出为调幅波。测量电桥2020/1/178①平衡式电桥：也叫零位法测量电桥，通过自动调整桥臂的阻抗值，使电桥始终处于平衡状态。调整的阻抗值反映了被测量的变化情况。☎按电桥的工作状态分类：☻所谓电桥的平衡，是指电桥的输出电压为零的状态。☻电桥平衡条件：相对臂阻抗乘积相等。☫特点：测量精度取决于调整阻抗，因此精度不高；对电源的稳定性要求不高。电桥的分类HR1R2R3R4EG直流平衡电桥R5测量电桥2020/1/179abcdZ1Z2Z3Z4UIUo☎按电桥的工作状态分类：②不平衡式电桥：也叫偏差法测量电桥，指电桥的初始状态是平衡状态，当电桥的工作臂阻抗变化时，电桥失衡，输出电压不为零，输出电压反映了被测量的变化。☫特点：输出信号能量小，易受干扰，需进行相应的补偿，如温度补偿；对电源的稳定性要求很高。电桥的分类测量电桥2020/1/1710电桥的分类☎按工作状态（工作桥臂的个数）分类：①单臂电桥：其中一个桥臂阻抗感受被测量。②半桥：有两个桥臂阻抗感受被测量。接桥原则：变化方向相反接相邻臂；变化方向相同接相对臂。③全桥：四个桥臂阻抗都感受被测量。接桥原则同上。4433221122121ZZZZZZZZZZZZUUIo测量电桥2020/1/1711电桥的特点☎电桥输出特性：电桥放大器、解调电路ΔR/ΔL/ΔCU(u)/I(i)指示仪表②能测量出微弱的阻抗变化量。③可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全桥，来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏度。4433221122121ZZZZZZZZZZZZUUIo①能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压或电流的变化。测量电桥2020/1/17121.直流电桥直流电桥的激励电源为直流电源，四个桥臂均为电阻，用于测量电阻、电阻率的变化。(1)直流不平衡电桥的工作原理☎电桥平衡条件：相对臂电阻乘积相等。☎输出特性：abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流电桥4433221122121RRRRRRRRRRRREUo测量电桥2020/1/17131.直流电桥(1)直流不平衡电桥的工作原理abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流电桥①与电桥的供电电源电压E成正比，故对电源稳定性要求很高。②与桥臂电阻的阻值比有关。设R2/R1=n，则：2221211nnRRRR③与电桥的工作臂的个数有关。工作桥臂数目越多，输出灵敏度越大。☎输出电压灵敏度：211(1)ouUnSURRn测量电桥2020/1/17141.直流电桥(2)电桥连接方式☎直流电桥的连接方式有单臂半桥、双臂半桥和全桥式。通常为全等臂电桥，即n=1。abcdR2R3R4I1I2EUo单臂电桥RREUo4相对灵敏度S1为：41ER/RUSo①单臂半桥输出电压：4433221144332211241RRRRRRRRERRRRRRRRnnEUo测量电桥2020/1/17151.直流电桥(2)电桥连接方式②双臂半桥输出电压：RREUo2相对灵敏度S2为：2212ESR/RUSo③全桥输出电压：RREUo相对灵敏度S2为：ESSR/RUS12342oabcdR3R4I1I2EUo双臂半桥abcdI1I2EUo全桥测量电桥2020/1/17162.交流电桥直流电桥的激励电源为交流电源，四个桥臂均为阻抗，可用于测量电阻、电容和电感的变化。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo~交流电桥的平衡条件：相对臂阻抗乘积相等阻抗角阻抗的模即：423142314231ZZZZZZZZ交流电桥功能上相当于调幅器，输出为调幅波。其后续测量电路应进行解调。测量电桥2020/1/17172.交流电桥交流电桥使用时的注意事项①交流电桥的平衡由两个条件决定，供桥电源的稳定性将影响平衡调节，因此对交流电桥的供桥电源要求较高。②电桥的供桥电源一般采用频率范围5～10kHz的音频交流电源。测量电桥2020/1/1718放大电路应具有的功能：①足够的放大倍数②高输入阻抗，低输出阻抗③高共模抑制能力④低温漂、低噪声、低失调电压和电流信号放大电路主要介绍：1.典型放大电路2.电荷放大电路3.仪表放大电路4.程控增益放大电路2020/1/1719典型放大电路分为直流放大电路和交流放大电路，包括反相放大电路、同相放大电路和差动放大电路，均由集成运算放大器构成。(1)直流放大电路①反相放大电路典型放大电路放大倍数为：1RRuuAFicu②同相放大电路放大倍数为：11RRuuAFicu2020/1/1720(1)直流放大电路③差动放大电路典型放大电路放大倍数为：R1+-RFR2R3UcUi1Ui22323111211iFiFooouRRRRRuRRuuu在差动放大电路中一般取R1=R2，R3=RF，则：idFiiFouRRuuRRu1121☫假设放大器只有共模信号作用时，有ui1=ui2=uic，则uc=0，可见输出信号中无共模成分。差动放大电路的特点是能有效的抑制共模干扰信号，电路结构简单，但输入阻抗较低（约2R1），增益调节困难。差动放大电路是仪表放大器等放大电路的基础。2020/1/1721(2)交流放大电路①交流反相放大电路典型放大电路放大倍数为：UiC1C31RRuuAFicu②交流同相放大电路放大倍数为：11RRuuAFicuC3C1Ui2020/1/1722(3)电桥放大电路☎由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。常应用于电参量式传感器。☎电桥放大电路有单端输入和差动输入两类。典型放大电路①单端输入电桥放大电路②差动输入电桥放大电路③线性电桥放大电路(a)反相输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2R3uoab(b)同相输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoabc图2.32差动输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoab图2.33线性电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eA+_uoab2020/1/1723fyffffyiyfyiifyiicaiCQuCCACAACCCAQuAuuCuuCuCuuCCCuQ足够大，则若fyiifyiicaiCuuCuCuuCCCuQ电荷放大电路的输出电压与输入电荷成比例关系，也称为电荷/电压转换电路。同时也起着阻抗变换的作用，常用于压电传感器的测量电路。电荷放大电路QaCcCiCfCyuAiu传感器电缆运算放大器电荷传感器电容连接电缆的寄生电容电荷放大器的特点：☎优点：在一定条件下，uy与Q成正比，与Cc无关，采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。☎缺点：电路复杂，调整困难，价格昂贵。2020/1/1724仪表放大电路仪表放大电路是专门精密差分电压的放大器。其特点是：高输入阻抗、低偏置电流、低失调和低漂移、高共模抑制比、平衡的差动输入和单端输出。2020/1/1725☎电路的组成和原理仪表放大电路☻组成：☫三个低漂移、低失调运算放大器构成。☫两极结构：♣第一级为两个对称的同相放大器——输入级。♣第二级是一个差动放大器。☫电路为上、下对称结构。AB2020/1/1726☎电路的组成和原理仪表放大电路☻原理：a.对称同相放大器部分——输入级：◈当RG为无穷大时，运放A1、A2相当于两个电压跟随器。——提高放大器的输入阻抗b.差放部分：◈当R3=R4=Ra，R5=R6=Rb时，uo=-(Rb/Ra)uAB=(Rb/Ra)(uB-uA)◈放大器增益：Av=-(Rb/Ra)。注意：不通过Rb、Ra调增益。AB2020/1/1727☎电路的组成和原理仪表放大电路☻原理：c.增益的调整：◈当R3=R4=R5=R6，R1=R2=R时，令ui=u1-u2，则：uo=-uAB=-(1+2R/RG)ui◈放大器增益：Av=uo/ui=uo/(u1-u2)=-(1+2R/RG)——通过改变RG可改变仪用放大器的闭环增益☎仪表放大电路的设计及应用☻仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。AB2020/1/1728程控增益放大电路放大电路的增益调整有手动、自动和程控三种方法。程控增益放大电路是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为可编程增益放大电路，简称PGA。可编程增益放大器一般由放大器、可变反馈电阻网络可控制接口组成。☎程控放大器与普通放大器的区别在于反馈电路网络可变，且受控于控制接口的输出信号。不同控制信号将产生不同反馈系数，从而改变放大器闭环增益。2020/1/1729(1)单运放程控增益放大电路☎由多路模拟开关AD7501和单运放组成的程控增益放大电路如图。R1A+_R21R3uiuo图2.37单运放程控增益放大电路A2A1A0COMI0I1I2I77501R21R22R23R28……(2)仪表放大器程控增益放大电路☎集成仪表放大器AD620和多路模拟开关AD7502组成的程控增益放大电路如图。图2.38AD620组成的程控增益放大电路AD620+_uoVEEVCC+_uiA1A0I0I1I2I37502Rg1Rg2Rg3Rg46184532(3)集成程控增益放大器☎集成程控增益放大器是将运算放大电路、电阻网路、模拟开关和译码电路等集成在一起，制成的单片集成电路。如美国国家半导体公司生产的LH0084。程控增益放大电路2020/1/1730传感器能将非电量转换成电参量或电量，电参量有电阻、电感、电容、频率和相位等多种形式。电量有电压、电流、电荷等形式。信号转换电路是将各类信号进行相互转换的电路。信号转换电路主要介绍：1.阻抗与电压的转换2.电压和电流的相互转换2020/1/1731阻抗与电压的转换阻抗/电压变换电路包括将电阻、电感和电容参数转换到电压的信号转换电路。(1)电阻/电压转换电路☎电阻/电压转换电路，实际上是一种电阻计，由输出电压值指示电阻值。电阻的测量方法是：让恒定的电流流过未知阻值的电阻Rx，然后测量其两端的电压，求出Rx的阻值。(2)电容/电压转换电路☎电容检测的方法有两种：一是把电容作为一个阻抗元件，按照电阻与电压转换的方式进行变换；二是利用电容的充放电特性进行变换。①运算放大电路法+_图2.40电容/电压转换电路ARfCfCxCs1Cs2RuouiifxixfoUC