传感器信号的处理

传感器信号的处理拔茅职中马畅第六章传感器信号的处理传感器的输出信号具有种类多、信号微弱、易衰减、非线性、易受干扰等不利于处理的特点，所以对传感器的信号处理是传感器技术的一个重要环节。常用的传感器信号处理的一些基本方法及器件有传感器信号的预处理、信号的调制与解调、传感器信号的非线性校正、测量放大器、有源滤波器和A/D转换器等。第一节传感器信号的预处理一、数据采集系统在机电一体化产品中，对被测量的控制和信息处理多采用计算机来实现，故传感器的检测信号一般需要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所需的控制和显示信息。在用计算机对模拟信号进行测量和控制时，必须先将模拟信号转换成数字信号，然后计算机按一定的处理要求对信号进行处理。数据采集系统：实现模拟信号转换成数字信号的电路系统。数据采集系统中最重要的器件便是模数转换器（A/D转换器）。第一节传感器信号的预处理1、数据采集系统的组成数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样/保持电路、A/D转换器以及接口控制逻辑电路所组成。第一节传感器信号的预处理（1）信号调理电路传感器输出的模拟信号往往因其幅值较小，可能含有不需要的高频分量或其阻抗不能与后续电路匹配等原因，不能直接送给A/D转换器转换成数字量，需要对这个信号进行必要的处理，这些处理电路就叫信号调理电路。信号调理电路是各种电路的综合名称，如放大器、滤波器和线性修正电路等。对于一个具体的数字采集系统而言，所采用的信号调理技术及其电路，由传感器输出信号的特性和后续采样/保持电路（或A/D转换）的要求或确定的测量要求决定。第一节传感器信号的预处理（2）多路模拟开关多路模拟开关在控制信号作用下，按指定的次序把各路模拟信号分时地送到A/D转换器转换成数字信号。（3）采样/保持电路（S/H电路）由于A/D转换器的转换需要一定的时间，如在转换过程中输入的信号有所改变，则转换结果与转换之初的模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。故为了保证转换的精度，需要在模拟信号源与A/D转换器之间接入采样/保持电路。采样/保持电路先处于采样模式，采样后使采样/保持电路处于保持模式，即输出电压保持不变，接下来才对这个输出信号进行A/D转换。为提高系统的测量速度，采样的时间越短越好；为了有良好的转换精度，保持时间越长越好。第一节传感器信号的预处理（4）A/D转换器A/D转换器是数据采集系统的核心器件，它把模拟信号输入转换成数字信号输出。最常用的A/D转换器是逐次逼进型和双斜积分型。（5）接口电路及控制逻辑A/D转换器所输出的数字信号无论在逻辑电平还是时序要求、驱动能力等方面与计算机的总线信号可能会有差别，因此，A/D转换器的输出信号不能直接送至计算机总线上，必须在两者之间加入接口电路以实现电路参数匹配。逻辑控制电路是受控于计算机来产生一定时序要求的逻辑控制信号的电路系统。第一节传感器信号的预处理（3）数据采集系统的工作过程首先让多路模拟开关接通被测的某路模拟输入，其次让采用/保持电路进入采样模式，待输出跟踪输入到达某一指定的误差带内之后再进入保持模式，然后才开始A/D转换（此时模拟开关可切换至另一路模拟输入），待A/D转换结束后，才允许计算机读数数据。第一节传感器信号的预处理二、传感器输出信号的特点（1）由于传感器种类繁多，故传感器的输出形式也是各式各样的。有开关信号型、模拟信号型（电压型、电流型和阻抗型等）、数字信号型。（2）传感器的输出信号一般比较微弱，有的传感器输出电压仅有0.1μV。（3）传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰减。（4）传感器的动态范围很宽。（5）传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。（6）传感器的输出量会受温度的影响。第一节传感器信号的预处理三、传感器信号的预处理方法1、传感器信号的预处理的主要目的传感器信号的预处理的主要目的是根据传感器输出信号的特点，采取不同的信号处理方法来抑制干扰信号，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修改，从而提高检测系统的测量精度和线性度。传感器的信号预处理后，使其成为可供测量、控制及便于向微型计算机输入的信号形式。第一节传感器信号的预处理2、常用传感器信号预处理方法（1）抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。（2）放大电路将传感器输出微弱信号放大。（3）电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压值。（4）频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压值。（5）电桥电路把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或电压值。第一节传感器信号的预处理（6）电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷量转换为电压值。（7）交-直流转换电路在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。（8）滤波电路通过低通及带通滤波器消除传感器的噪音成分。（9）非线性校正电路传感器的特性是非线性时，进行非线性校正。（10）对数压缩电路当传器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩。传感器信号的预处理应根据传感器输出的信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的预处理电路。第二节测量放大器一、测量放大器的选择因传感器输出的信号很微弱，故对放大器的精度要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变化，进行缓冲、隔离、放大和电平转换等处理。上述这些功能大多可用运算放大器来实现。运算放大器往往不能消除各种形式的共模干扰信号，因此，需要引入另一种形式的放大器，即仪表放大器。它广泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。共模干扰:在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号（噪音），有时是完全相同的干扰，称为共模干扰。二、仪表放大器仪表放大器又称为数据放大器。一般是由三只高精度运放及精密电阻一起组装而成。其中两只高精度远方参数对称，构成电路对称的差分输入级。·仪表放大器输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，稳定性好。仪表放大器主要用于微小信号的精确测量。广泛应用于传感器信号放大、高阻电桥、光电管、生物电放大及高阻比较器等各种场合。第二节测量放大器三、仪表放大器应具有如下性能1、低噪声采用地噪声放大器件并采取有效的减小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中。2、高稳定性、低漂移减小温度漂移和防止自动激荡等。3、高抗干扰性能放大器的前级是最易受干扰，要尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等4、高输入阻抗由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接入，尽可能对传感器影响小。传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。第二节测量放大器5、高共模抑制比一方面是由于许多被测量本身事物差模信号，另一方面由于许多干扰为共模干扰，因此高共模抑制必有利于提高干扰性能。6、高线性度在较大量程内有良好的线性。7、适宜的频率特性为使放大后的信号不失真，要求它有宽频带。为抑制某些干扰，有要求它有合适的频率。四、仪表放大器的选择仪表放大器应在考虑以上性能要求后进行选择，当然在满足要求时还应考虑价格、生产厂商的信誉等问题。第二节测量放大器第三节信号的调制与解调一、信号调制与解调的概念从信号放大角度来看，直流信号（传感器传出的信号有许多是近似直流缓变信号）的放大比较困难。因此，需要把传感器输出的缓变信号先变成具有高频率的交流信号，再进行放大和传输，最后，在还原成原来频率的信号（信号已被放大），这样一个过程，称为信号的调制可解调。第三节信号的调制与解调二、信号的调制所谓调制就是利用信号来控制高频率振荡的过程。即人为地产生一个高频信号（它有频率、幅值、相立三个参数而定），是这个高频信号的三个参数中的一个随着需要传输的信号变化而变化，这样，原来变化缓慢的信号，就被这个受控制的高频振荡信号所代替，进行放大和传输，以期得到最好的放大和传输效果。第三节信号的调制与解调三、信号的解调所谓解调就是从已被放大和传输的，且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程。四、调制的三种过程1、调幅高频振荡的幅度受缓变信号控制时，称为调幅，以AM表示。2、调频高频振荡的频率受缓变信号控制时，成为调频，以FM表示。3、调相高频振荡的相立受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。第四节有源滤波器滤波器用以容许通过某些一频率范围的电信号，而阻止或滤去此频率范围外的电信号。在检测中通过用来把测量信号中不同频率成分分离开来，保留有用信号，去除噪声，所以应用广泛。第四节有源滤波器一、滤波器的分类1、按通过的频率范围分滤波器低通滤波（LPF）高通滤波（HPF）带通滤波（BPF）带阻滤波（BEF）第四节有源滤波器2、根据性质不同分滤波器无源滤波器无源滤波器由于消耗能量而使信号衰减，在信号转换中一般不被采用。有源滤波器有源滤波器能克服无源滤波器的缺点，在检测中应用广泛。阻容滤波器具有抗干扰能力强、精度高、设计调试方便、中心频率连续可调，无需阻抗匹配和体积小、重量轻、成本低等优点，在检测中应用广泛。第五节A/D转换器的选择一、A/D转换器的作用A/D转换器的作用是将传感器接口电路预处理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，并输入到计算机中去。二、A/D转换器的定义及分类A/D转换器是集成在一块芯片上，并能完成模拟信号向数字信号转换的单元电路。A/D转换器直接型（比较型）间接型（积分型）将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字信号输出。先将模拟信号电压转换成时间间隔或频率信号，然后再把时间间隔或频率转换成数字信号输出。第五节A/D转换器的选择三、A/D转换器的性能指标1、分辨率D分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可以决定使输出数码增加（或减少）一位所需要的输入信号最小变化量。D=1/2n式中，n为转换器的位数，n越高，测量的误差越小，转换精度越高，但成本也高。第五节A/D转换器的选择2、转换时间设A/D转换器已处于准备就绪状态，从A/D转换的启动信号加入时起，到获得数字输出信号为止，所需时间成为A/D转换器的转换时间。3、转换频率转换频率与转换时间成反比。4、精度A/D转换器的精度为输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值，这一差值亦称绝对误差。四、A/D转换器的选择选择A/D转换器时，需要考虑精度、分辨率、转换时间和价格等因素。比较型A/D转换器的转换速度快，但要实现高精度则价格比较高。积分型A/D转换器虽然转换时间较长，但价格低，精度高。