传感器信号调理电路

传感器的信号调理信号调理(signalconditioning)：对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口的信号。重要性：实现传感器的灵敏度、线性度、输出阻抗、失调、漂移、时延等性能参数的关键环节。所涉及的信号：模拟信号、数字信号。相应电路有模拟电路和数字电路，以模拟电路居多。常用电路：包括放大、调整、电桥、信号变换、电气隔离、阻抗变换、调制解调、线性化和滤波等电路以及激励传感器的驱动电路，常称为传感器电路。对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标）适合于转换为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号的预处理，(3)去除无用信号。1.信号调理电路的设计原则1.1保证传感器的性能指标传感器电路应具有准确度(精度)高、反应快、可调性、可靠性和经济性强等特点。(1)准确度(精度)具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求②低漂移、高稳定性③有合适的通频带：不失真④线性⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配(2)响应速度实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较高的响应速度。(3)可调整性能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时希望电路有简单的数据处理功能。(4)可靠性传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结构是提高可靠性的有效办法。(5)经济性在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。1.2根据传感器输出参量类型进行信号转换(1)电阻型敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片。电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变化转换成频率。(2)电容型传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。(3)电感型传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。(4)互感型传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动变压器式传感器，电涡流式传感器等。电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转换为电压、电流或频率变化。(5)电压(电势)型传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。如热电偶，光电池；霍尔元件等。电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或电流变化。(6)电流型传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏二极管等。电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变换成较强的电压或电流。(7)电荷型传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。如压电式传感器，红外热释电元件等。电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输出，这种电路通常称之为电荷放大器。(8)脉冲(数字)型传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出的数字信号分三类：①增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。②绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝对码。绝对码信号抗干扰能力很强。③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一位编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相应的数字信号。1.3信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。(1)高输出阻抗型敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其输出阻抗高达108Ω以上。电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和抗干扰能力。(2)低输出阻抗型传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力等方面考虑较多。1.4传感器电路的设计方法设计方法因人而异，有各种具体的实施路径。通常的设计方法和内容如下：(1)提出设计任务根据传感器类型及输出特性、后续电路输入要求和使用环境等，提出和确定传感器电路需实现的功能和应达到的技术指标，如信号变换功能、放大倍数、准确度、动特性、稳定性和可靠性等定量技术指标。(2)确定电路结构形式根据对电路性能指标的要求确定电路的结构形式，如单端输入或差动输入等。设计时，一般先确定主电路部分，再确定附加功能电路，画出方框图，再具体设计各方框图中的具体内容。(3)误差分配根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则：按实现准确度高低难易程度和成本分配，易实现准确度高的部分，误差分配得小；难实现或能实现准确度高但使成本很高的部分，误差分配得大。误差分配之后，进行误差综合，使其不超过总误差要求。(4)参数估算完成结构设计和误差分配后，需对各组成部分进行电路参数估算，如放大倍数、需要的元器件参数等，对元器件提出确切的定量性能指标要求。(5)抗电磁和温度干扰设计为提高电路的可靠性和稳定性，在电路中要有抗电磁干扰措施和抗环境温度变化的措施。(6)选择元器件根据电路参数估算和总体性能指标要求，选择各部分电路的元器件包括规格型号、级别、生产厂家等。(7)电路组装与调试其方法可由前向后、也可由后向前。不管哪种方法，均应分级进行，一部分无误、工作正常后，再接一部分，这样做便于发现问题及时纠正、以提高工作效率。(8)性能测试与分析性能测试要取得足够进行统计分析的数据。性能测试的条件要模拟实际的使用环境或进行环境例行实验(如高温、低温，电磁干扰、振动等)。对测试结果进行性能指标分析并与设计指标进行比较。(9)电路改进对于没有完全达到设计要求的电路，需要进行相应改进。改进后的电路还要进行性能测试和分析，直到达到要求为止。(10)工艺定型对于已达到设计要求的电路，要设计PCB图、制作印制电路板，在印制电路板上组装元器件，制作成可供实际使用的电路板。2.测量电桥电阻式敏感元件最普通，与电路连接容易。通过测分压测量敏感元件电阻的方法简单且动态范围大，但灵敏度或分辨率不恒定；给被测电阻加恒流，测端电压，再算阻值的方法灵敏度恒定，但精度相对恒压源的低。1）基本电桥很多情况下需用测量电桥测电阻值的微弱变化量。基本测量电桥为惠斯通电桥。采用恒压源供电。其输出可灵敏反映出桥臂电阻的变化量，不含初始分量，输出电压为：))((43213241212434RRRRRRRRUURRRURRRuBBBOuOUB+-R1R2R3R4一般，uO含非线性分量，非线性误差随桥臂电阻变化量增大而增加。若能保持电桥各支路的电流不变，则电桥输出与桥臂电阻变化呈线性关系。在半等臂桥(R1=R2R3=R4)或等臂桥(R1=R2=R3=R4)中，差动半桥（ΔR1=-ΔR2或ΔR3=-ΔR4）或差动全桥（ΔR1=-ΔR2，ΔR3=-ΔR4）的uO不含非线性输出。以等臂电桥为例，单臂工作时电桥输出为:非线性误差为:RRUuBO4RR2差动半桥和差动全桥的灵敏度分别是单臂桥的2倍和4倍，也即其灵敏度与参与变化的电阻个数成正比。另外，差动电桥的非线性为零。恒流源电桥电桥由恒流源供电时，相同情况下（即初始供桥电压不变），灵敏度与恒压源电桥相同，在差动半桥与差动全桥方式，也无非线性误差，但对单臂桥，非线性误差降低一倍（可理解为恒流源电桥的各支路电路变化比恒压源小，从而导致非线性误差小）。恒流源单臂电桥的输出电压与非线性误差分别为：和为减少单臂桥、非等臂桥或非差动桥的非线性，电阻相对变化量不宜过大，即电桥灵敏度不宜过大。电桥灵敏度:电桥的输出电压最大预期变化与激励电压之比。例，若UB=10V，电桥满度输出为10mV，则灵敏度为1mV/V。典型值为1～10mV/V。相同电桥灵敏度下，提高电桥的激励电压能提高电桥的输出，但会增大功耗并可能引起电阻的自热误差。RRRIuBO4RR4电桥类型与特点：类型：直流和交流交流桥的特点：对传输线电容很敏感，平衡调节难，通频带受载频限制而较窄，传输电缆不宜过长。随IC技术发展，各种低噪声、低漂移、高精度、高共模抑制比的运算放大器不断出现，专用信号处理模块和高精度直流电源模块日益成熟，在测试电路中，多采用直流桥和直流信号处理器。直流桥的优点:频响高，精度不亚于载频式交流桥，不易受感应，易调平衡，传感器电缆可远比交流桥的长。直流放大器原理上的缺点未彻底克服，需采取辅助技术，但目前新型直流桥比交流桥得到更广的应用。2）电桥输出的线性化处理用基本电桥测单电阻的变化时，存在非线性误差。若引入运放，将电桥改变如图所示，则可理论上消除电桥的非线性误差。分析可得电桥的输出电压为：电桥增益是普通单臂桥的两倍，且即使ΔR值很大，输出仍呈线性。由于输出信号很小，这种电桥通常需后接第二个放大器。用于这个电路中的放大器需双电源，因为放大器必须能给出负输出。RRUuBO2RRRRR+US-USuOUB若基本电桥中有两个变化相同的电阻，则电桥输出的灵敏度比单臂桥增大一倍。但由于电阻变化的方向相同，因此非线性误差也增大一倍。这时可采用图示电路，它在理论上不存在非线性误差，电桥输出电压为：该电路适于不能实现差动的情况。RRUuBORRRR+US-USuOUBRR双臂电桥的线性化电路3）降低引线电阻对电桥的影响一般，电阻桥正常工作时的电阻变化非常小，例如金属应变计的电阻变化一般不到1%。若电桥引线很长，引线阻值和温漂会给电桥带来明显误差。（1）示例下图为单臂350Ω应变桥，应变计Rx满量程时电阻变化为1%即3.5Ω。应变计经30米双绞铜线接入电桥电路，组成远地电桥。RLEAD为双绞线的电阻，若在电桥另一臂上串一阻值为2RLEAD的电阻RC，可调节电桥初始平衡。25℃时导线电阻为0.35Ω/米，因此，60米引线电阻为21Ω。铜线的温度系数为0.385％/℃，10℃温升范围内失调误差为0.8085Ω，与Rx满量程变化量3.5Ω比，失调误差达23%。此外，引线电阻及其温漂还造成电桥的增益误差。+-350Ω350Ω350ΩRCRxRLEADRLEAD+10VuO（2）电阻的三线连接法目的：减小引线电阻对电桥输出的影响。电桥输出电压端接高阻抗测量仪器时，接输出电压测量的引线中基本无电流，因此该引线上的电阻不产生电压降，即不造成误差。引线电阻对称时，电桥右边支路的每一个桥臂所增引线电阻大小相等，不影响电桥的平衡，消除了电桥失调误差及温漂误差，但引线的温漂仍会带来少量的增益误差。+-350Ω350Ω350ΩRxRLEADRLEAD+10VuOI=0远地电桥的3线连接方法（3）电桥的四线连接法三线法适于远地放置的单臂电桥的一臂。当全桥或所有元件均远离信号调理电路时可用下图的开尔文检测或四线检测方法，以保证精度。图中电桥输出uO接高阻抗放大器，引线不产生测量误差。同时，供桥电压经运放精确调整到UB，与引线长度及其温漂无关。因运放反相端所在支路无电流，能精确检测到电桥电压和地电压，并用负反馈调节电桥至给定值。需注意，图中上面一个运放的输出电压比电桥