第8章信号变换技术

检测仪表电子讲稿王华忠编写一、简单直接变换式1、结构形式敏感元件转换电路输入电量输出（被测量）图8－1简单直接变换式（a）※敏感元件（如热电偶、光电池）把非电量输入转换成电压或电流。此时转换电路的作用是信号放大或信号变换（如电流－电压转换）※敏感元件把非电量转换成电路参数，如热敏电阻等。此时转换电路的作用是一方面为敏感元件提高能量，另一方面将相应的电路参数转换成电压或电流输出。典型的转换电路是不平衡电桥。检测仪表电子讲稿王华忠编写敏感元件转换元件转换电路输入非电量电量输出（被测量）图8－1简单直接变换式（b）如霍尔压力测量仪表:敏感元件是弹簧管，它将压力转换成位移，转换元件是霍尔元件，将压力转换成霍尔电压。再经过转换电路，输出标准信号。这一类变换有可能有多个转换元件，经过多次转换，才能将非电量转换成电量。转换元件的使用，增加了检测系统设计的自由度，这样可以使用同一种敏感元件，通过应用不同的转换元件，使检测仪表适应各种使用条件。检测仪表电子讲稿王华忠编写表8－1检测系统可利用的中间变量及转换元件被测量中间变量转换元件压力、温度、流量、力、加速度位移应变片、电感、电容、霍尔元件其它成份、位移、浓度光量光电器件温度、热量热电偶、热敏电阻检测仪表电子讲稿王华忠编写2、转换电路的信息能量传递把敏感元件与转换元件统称检测元件，因此任何形式的简单直接变换都包含检测元件和转换电路。输入电量输出（被测量）检测元件转换电路图8－2简单直接变换的一般形式检测元件根据是否需要外加电源可分为两类：※有源的，它所产生的输出信号的能量直接取自被测对象，如热电偶、压电元件等※无源的，它所产生的输出信号的能量不是取自被测对象，而是取自外部能源，如热电阻、电容、电感等检测仪表电子讲稿王华忠编写（1）有源检测元件与转换电路连接图8－3有源检测元件与转换电路连接的等效电路其中E为有源检测元件的等效电势，为检测元件的等效内阻，为转换电路的输入阻抗，相当于负载电阻。信息从检测元件T向转换电路D传递时，信息在负载电阻上所产生的有效功率为：iRLR检测仪表电子讲稿王华忠编写KEgggKELLiLPPRRREP222)1()(IKEREP2iLgRR2)1(ggg式中为有源检测元件的短路功率为负载电阻对检测元件内阻之比为有源检测元件的信息传递有效系数由式（8－1）可知，从负载电阻获得的有效功率来分析，总希望信息传递有效系数越大越好，大表明仪表的灵敏度高。令0ggdd则1g（8－1）gg检测仪表电子讲稿王华忠编写即当时，为最大，此时，这说明有源检测元件与转换电路连接时，为了在转换电路中从检测元件获得最大的有功功率，必须保证但是其信息能量传递效率较低。在有些情况下，转换电路中带有电压或功率（电流）放大，此时主要关心电压灵敏度，即要求转换电路从信号源中获得最大的电压信号。由图（8－3）可知，在转换电路上得到的有效电压为：iLRRg41gmKELPP41iLRRiLLLRRERu（8－2）检测仪表电子讲稿王华忠编写显然，要求为最大，则，这时。就是说，当转换电路的输入阻抗为无穷大时，可获得最高的电压灵敏度。LuLREuL（2）无源检测元件与转换电路连接无源检测元件通常是把被测参数的变化转换为电阻、电容或电感的变化，因此无源检测元件的输出为阻抗，要求转换电路把转换为电压或电流输出。一般情况下，转换电路一般为两种形式：对于简单的变换，可以直接与检测元件进行串接；多数情况下使用不平衡电桥，必要时，在电桥后再接其它放大电路。PZPZ检测仪表电子讲稿王华忠编写图8－4无源检测元件与转换电路连接的等效电路为外界提供的电源，为转换电路的输入阻抗，即负载阻抗。假设检测元件和负载都为电阻。则,，外接电源为直流电源。当检测元件由初始状态变化到时，转换电路输入电阻上获得的有功功率的增量为：PELZPPRZLLRZ0PPRRPPPRRR0检测仪表电子讲稿王华忠编写PKEPLLPPPLPPLLPRRRRERRERIP22002)()(（8－3）02PPKEREPP0PLPRR4)1(PPP0PPRR0PPdd31PLPRR301055.0PmP式中为无源检测元件的信息传递有效系数，其中；为检测元件阻值得相对变化量；为无源检测元件的短路功率令得（即），进而可得也就是说，对于无源检测元件与转换电路串接时，要使信息传递有效系数为最大，则转换电路的输入电阻值应是检测元件电阻的1/3。即使在这样的最佳匹配下，也只有10％左右的有效信息传递到负载上。比有源检测元件信息传递要低。检测仪表电子讲稿王华忠编写从式8－3可以看出，要提高负载上获得的有功功率，除了应满足的电阻匹配条件外，还可以从提高和来考虑。提高就是要选择检测元件具有较高的灵敏度；为了提高，一方面可以减小检测元件的起始电阻，另一方面可以考虑提高外加的电源电压。但是，由于的减小，要求相应的变小，这样导线电阻等的影响相对增加；提高受到检测元件允许的耗散功率的限制，耗散功率的增加可能会改变检测元件的电阻值。所以要综合考虑各种因素，选择合理和的值，以提高检测元件的。LPRR30PEKPPEKP0PRPE0PRLRPE0PRPE检测仪表电子讲稿王华忠编写当采用电桥作初级转换时，如图8－5（a）所示，可以把电桥连同检测元件和电桥供电电源一起看作为一个广义的检测元件。显然该广义的检测元件是有源的。其等效电路如图8－5（b）所示，图中和分别为广义检测元件的等效电势和等效内阻。图8－5电桥转换电路及等效电路(a)(b)THETHR检测仪表电子讲稿王华忠编写ERRRRRRETH)(43321243432121RRRRRRRRRTH根据有源检测元件的信息能量传递的性质可知：当时，电桥之后的转换电路上获得的有功功率为最大；当时，可使电桥后的负载上得到最高的电压灵敏度。THLRRLR（8－4）（8－5）检测仪表电子讲稿王华忠编写二、差动式变换1、结构形式为了提高检测仪表的灵敏度和线性度，减小或消除环境等因素的影响，信号变换常采用差动式结构，即用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但沿反方向变换的物理量（常见的是电路参数），如图8－6所示。检测仪表电子讲稿王华忠编写图8－6差动变换形式图8－7为两个差动式变换的应用实例。它们分别是差动变压器（电感器）和差动式电容器对差动变压器铁心：敏感元件两个变压器构成差动式转换元件检测仪表电子讲稿王华忠编写图8－6差动变换式实例(a)差动变压器(b)差动电容器差动式变换的转换电路一般采用电桥或差动放大形式，前者用于转换元件的输出为电路参数；后者用于输出量为差动电势的转换元件。检测仪表电子讲稿王华忠编写2、差动式变换的特性分析设转换元件的输入量为，其增量为。在差动式变换中，由于使用的转换元件的性能是一样的，要使两个转换元件的输出信号沿相反方向变化，实际上是使转换元件以两个相反方向感受同一被测量，即转换元件1感受的被测量为，转换元件2感受的被测量为。又设干扰量为，干扰量的增量为，它同时作用于两个转换元件。于是在输入量和干扰量的作用下，两个转换元件的输出均为，当输入量产生增量，干扰量产生增量时，1x2x1x11xx11xx2x1x2x),(21xxf1x2x检测仪表电子讲稿王华忠编写两个转换元件的输出分别为和，取它们差，并用多项式展开，忽略二次以上高阶量，有：),(2211xxxxf),(2211xxxxf),(2211xxxxf－),(2211xxxxf))((2)(22121211xxxxfxxf如果只考虑简单直接变换，则在相同的情况下，单个转换元件的输出函数为，进行同样处理),(2211xxxxf)()(),(),(2121221121xxxxfxxxxfxfxf})())((2)({21222222121221212xxfxxxxfxxf（8－6）（8－7）检测仪表电子讲稿王华忠编写比较式（8－6）和（8－7）可知，差动式变换比简单直接式变换的有效输出信号提高了一倍，信噪比得到改善。在中消除了非线性项，从而改善了检测仪表的非线性。如果和的关系为算术叠加，即则可以证明，则式（8－6）中的二次项为零，说明干扰量的影响可以完全消除。21)(x1x2x)()(),(22211121xfaxfaxxf0212xxf2x这种差动式变换可以有效地减小或消除作用于转换元件的干扰，使转换元件环节存在的非线性得到改善，但它不能降低作用于敏感元件的干扰的影响或敏感元件存在的非线性。检测仪表电子讲稿王华忠编写三、参比式变换参比式变换也称补偿式变换，利用这种变换的目的是为了消除环境条件的变化（如温度变化、电源电压波动等）对敏感元件的影响，解决在差动式变换中出现的问题。1、参比式变换结构图8－7参比式变换形式检测仪表电子讲稿王华忠编写这种变换形式采用两个性能完全相同的检测元件，其中一个检测元件感受被测量和环境条件，另一个检测元件只感受环境条件。根据环境条件量对被测量的作用效果，通过转换电路把检测元件1中包含环境条件量的干扰信息除去，即相当于对环境条件进行了补偿，从而达到消除或减小环境干扰的影响。典型实例：（1）红外线气体分析仪（2）应用超声波检测液位，通过设置校正具，来校正测量探头中与温度有关的声波速度。检测仪表电子讲稿王华忠编写2、参比式变换特性分析设为被测量，为环境条件量，即干扰量，被测量和干扰量的增量分别为和。根据参比式结构，同时感受被测量和干扰量的检测元件的输出为：；只感受干扰量的检测元件的输出为。相对于被测量，如果干扰量的作用效果是相加的，即，则。将在附近展开，并忽略二次以上的高阶项，得：取两个检测元件输出之差，并利用式(8-7)和(8-8)1x2x2x1x),(2211xxxxf),(221xxxf)()(),(22211121xfaxfaxxf),(221xxxf22222221221)(),(),(xxfxxfxxfxxxfx（8－8）检测仪表电子讲稿王华忠编写),(221xxxf),(2211xxxxf－2121211)(21)(xxfxxf（8－9）从上式可以看出，它消除了环境条件量的影响，达到了完成补偿的目的。但是的二次项仍然存在，检测系统的非线性没有得到任何改善。如果干扰量的作用效果相当于被测量是相乘的，即则取两个检测元件输出之比，可得同样也消除了环境条件量的影响，可得到完全补偿。2x1x)()(),(221121xfxafxxf)()()()()()(),(),(11111222112221112212211xfxxfxxfxafxxfxxafxxxfxxxxf（8－10）检测仪表电子讲稿王华忠编写四、平衡式变换1、结构形式图8－8平衡式变换原理框图2、有差随动式变换3、无差随动式变换4、平衡式变换特性检测仪表电子讲稿王华忠编写§2常见信号间的变换一、位移与电信号的变换一部分敏感元件将被测量转换成位移。如：※压力检测：压力作用在弹性元件上，使它产生位移※液位检测：变浮力式浮筒能随液位的变换（即所受浮力的大小）而上下移动。※流量检测：转子流量计中的转子随流量的大小能平衡在锥形管中的一定位置※温度检测：双金属片的自由端随温度的升高而改变位移量常用的转换元件有霍尔元件、电容器、差动变压器等检测仪表电子讲稿王华忠编写二、电阻与电压的变换在参数检测中，经常把被测量转换成电阻量。如：※温度检测：热电阻随被测温度的升高而导致电阻值上升※压力检测：根据压阻效应，一些半导体电阻的阻值随作用在其上的压力的变换而变化※成份参数检测：热导池中的电热丝一方面产生热量，另一方面其热量通过热导作用而散