传感器调理电路.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,传感器调理电路,传感器调理电路,第1页,2,第三章,第三节 信号调制与解调,本节主要内容：,调制信号,已调波,信号调整器种类,调制概念,解调技术,调幅波解调,-,相敏检波,调频波解调,-,鉴频器,载波,传感器调理电路,第2页,一,.,信号调整器种类,1.,参量变换型：,常见于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。,被测量,参量型传感器,电桥、谐振电路,R,L,C,V,I,2.,阻抗变换、幅度调整,被测量,发电型传感器,放大、衰减、阻抗匹配、变换,U,I,V,I,3.,调制、解调,被测量,传感器,解调,调制,放大、传送,调制波,输出,第三节 信号调制与解调,信号调制与解调,传感器调理电路,第3页,4.,品质调整,：,线性化处理,扩充测量范围，降低非线性失真；,滤 波,保持有用信号，消除干扰；,倍频、细分,提升测量精度。,5.A/D,、,D/A,转换：,与计算机相联络。,机械工程学院,测试技术,信号调制与解调,二,.,调制与解调概念,载波,:,被调制信号，普通是较高频率交变信号,调制信号,:,被测信号（控制信号）,已调制波,:,最终输出就是一个调制电路，,解调,:,最终从已调制波中恢复出调制信号过程,.,传感器调理电路,第4页,1,目标,处理微弱缓变信号放大以及信号传输问题。,传感器调理电路,第5页,先将微弱缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最终再从放大器输出信号中取出放大了缓变信号。,例：交流电桥,V,in,V,o,R1,R3,R2,R4,传感器调理电路,第6页,如,交流电桥,就是一个调制电路，桥臂上元件参数改变规律调制电桥输出电压幅值，称作,幅度调制,。,调制信号,调幅波,t,t,t,t,u,u,u,u,O,O,O,O,图,3-14,载波,调制信号及已调波,机械工程学院,测试技术,信号调制与解调,调频波,载波,传感器调理电路,第7页,a),幅度调制,(AM),b),频率调制,(FM),c),相位调制,(PM,),2,调制,种类,传感器调理电路,第8页,3,幅度调制,调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号改变而改变,缓变信号,调制,高频信号,放大,放大高,频信号,解调,放大缓变信号,传感器调理电路,第9页,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),乘法器,滤波器,z(t,),x(t),传感器调理电路,第10页,幅度调制与解调过程（数课时域分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),乘法器,滤波器,z(t,),x(t),传感器调理电路,第11页,幅度调制过程（数学频域分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),FT,FT,FT,传感器调理电路,第12页,幅度解调过程（数学频域分析）,FT,乘法器,滤波器,x(t),x,m,(t),传感器调理电路,第13页,幅度调制与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),乘法器,滤波器,z(t,),x(t),传感器调理电路,第14页,调制,解调,调制与解调,传感器调理电路,第15页,调幅时直流偏置电压,若对信号,x(t),进行偏置，叠加一个直流分量,D,，使偏置后信号都含有正电压。,传感器调理电路,第16页,调幅,传感器调理电路,第17页,解调,二极管检波,低通滤波,包络检波,传感器调理电路,第18页,调幅波波形失真,a,）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，不然,x(t),相位将发生,180,。,传感器调理电路,第19页,b),重合失真：调幅波是由一对每边为,fm,双边带信号组成当载波频率,fz,较低时，正频端下边带将与负频端上边带相重合要求,:,fz,fm,传感器调理电路,第20页,相敏检波电路,信号调制与解调,解调技术,u,传感器调理电路,第21页,相敏检波,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,z(t),x,m,(t),x(t),D3,D4,D1,D2,C,传感器调理电路,第22页,传感器调理电路,第23页,试件,电桥,放大,相敏检波,低通,显示统计,振荡器,动态电阻应变仪方框图,信号调制与解调,应用,-,动态电阻应变仪方框图,传感器调理电路,第24页,4,频率调制,调频是利用信号,x(t),幅值调制载波频率，或者说，调频波是一个随信号,x(t),电压幅值而改变疏密度不一样等幅波,.,传感器调理电路,第25页,采取乘法器压控振荡器,调制方法,传感器调理电路,第26页,传感器调理电路,第27页,解调方法,鉴频：,T1,T2,T3,T4,F,传感器调理电路,第28页,鉴频电路：,传感器调理电路,第29页,频率,电压线性变换个别,幅值检波个别,变器耦合谐振回路鉴频,信号调制与解调,鉴频器原理,u,传感器调理电路,第30页,调制与解调,案例：,旋转机械扭距测量,传感器调理电路,第31页,调制与解调,案例：,铁路机车调度,信号检测,调制频率,8.5Hz,，绿灯,调制频率,23.5Hz,，红灯,传感器调理电路,第32页,本节关键点：,1.,调制与解调概念；,2.,从数课时域分析、波形分析、频域分析和频谱图分析，全方面了解调制与解调过程。,作业：,1.,分析相敏检波器工作过程；,2.,课后作业。,传感器调理电路,第33页,34,第三章,第四节 滤波器,本节主要内容：,滤波器作用,依处理信号性质,依元器件,滤波器分类,实际,RC,滤波器,基础参数,基础特征,依电路性质,依选频作用,传感器调理电路,第34页,一、滤波器？,滤波器是一个选频装置，能够使信号中特定频率成份经过，而极大地衰减其它频率成份,传感器调理电路,第35页,传感器取得信号中，混同有许多其它频率干扰。有用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，对传感器取得信号进行滤波。,滤波实质,：,就是对信号进行频率选择，完成滤波功效装置称为滤波器。当信号经过滤波器时，信号中一些频率成份得以经过，其它频率成份信号受到衰减或抑制。信号经过滤波器过程，就称为对信号进行滤波。,滤波器,传感器调理电路,第36页,比如：,在机械加工中经常使用电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出电压信号中包含三种成份：,（,1,）表面坡度信号,x,1,(t)f,1,（,2,）表面粗糙度信号,x,2,(t)f,2,（,3,）高频电气干扰,x,3,(t)f,3,且,f,1,f,2,0,时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。,f,c,H(f),f,传感器调理电路,第44页,),(,t,y,0,t,b,t,a,A,0,5,.,0,A,0,t,a,b,f,c,2,1,f,c,2,1,f,c,2,1,f,c,2,1,),a,),(,t,y,0,t,b,t,a,A,0,5,.,0,A,0,t,a,b,t,0,传感器调理电路,第45页,实际滤波器,理想滤波器是不存在，实际滤波器幅频特征中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。,0,f,A,传感器调理电路,第46页,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,1),截止频率,fc,：,0.707A,0,所对应频率,2),纹波幅度,d,：,绕,幅频特征均值,A,0,波动值,3),带宽,B,和品质因数,Q,：上,下两截频间频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数,。,B,Q,=,f,0,/B,2d,2.,实际滤波器基础参数,传感器调理电路,第47页,4,）倍频程选择性,W,它决定着滤波器对带宽外频率成份衰阻能力。指在上截止频率,f,c2,与,2f,c2,之间，或者在下截止频率,f,c1,与,f,c1,/2,之间幅频特征衰减值，即频率改变一个倍频程时衰减量,或,滤波器,传感器调理电路,第48页,3.RC,滤波器性质,电路简单，抗干扰性强，有很好低频性能,一阶,RC,低通滤波器,电路及其幅频、相频特征以下列图所表示。,机械工程学院,测试技术,滤波器,传感器调理电路,第49页,设滤波器输入电压为,e,x,，输出电压为,e,y,，电路微分方程为,令,=RC,，称为时间常数，对上式取拉氏变换，有,或,其幅频、相频特征公式为,分析可知，当,f,很小时，,A(f)=1,，信号不受衰减地经过；当,f,很大时，,A(f)=0,，信号完全被阻挡，不能经过。,(,克希荷夫电压定律,),机械工程学院,测试技术,滤波器,传感器调理电路,第50页,一阶,RC,高通滤波器,RC,高通滤波器电路及其幅频、相频特征以下列图所表示,。,设滤波器输入电压为,e,x,，输出电压为,e,y,，电路微分方程为,同理，令,=RC,，对上式取拉氏变换，有,或,滤波器,传感器调理电路,第51页,其幅频、相频特征公式为,分析可知，当,f,很小时，,A(f)=0,，信号完全被阻挡，不能经过；当,f,很大时，,A(f)=1,，信号不受衰减经过。,机械工程学院,测试技术,滤波器,传感器调理电路,第52页,RC,带通滤波器,其电路及其幅频、相频特征以下列图所表示。,其幅频、相频特征公式为,H(s)=H,1,(s)H,2,(s),式中,H,1,(s),为高通滤波器传递函数，,H,2,(s),为低通滤波器传递函数。有,滤波器,传感器调理电路,第53页,恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调，依据实际滤波器中心频率与带宽之间数值关系，能够分为两种。,2),恒带宽比带通滤波器,1),恒带宽带通滤波器,传感器调理电路,第54页,四、数字滤波,对数字信号进行频率选择则称为,数字滤波,。,利用对应,数学运算,对信号进行频率选择。,消除随机噪声称为数据,平滑滤波,，,滤波器,数字滤波器作用,利用离散时间系统特征对输入信号波形（或频谱）进行加工处理，或者说利用数字方法按预定要求对信号进行变换,，到达改变信号频谱目标。,从广义讲，,数字滤波是由计算机程序来实现,，是含有某种,算法,数字处理过程。,传感器调理电路,第55页,抗混叠滤波器，是为确保采样定理而设计,重构滤波器用于对数模转换器,DAC,输出信号做平滑处理,数字滤波器详细实现，可用专用数字滤波器件，也可用数字信号处理器（,DSP,）编程实现。,数字滤波器还能够对信号一些特征进行赔偿，如幅频特征、相位特征赔偿或完成更复杂功效。,数字滤波理论与方法属于数字信号处理范围。,X,a,(t),y,a,(t),抗混叠滤波,S/H,ADC,数字滤波,DAC,重构滤波器,连续时间信号数字滤波技术实现框图,滤波器,传感器调理电路,第56页,五 滤波器应用,超门限报警,案例：,旅游索道钢缆检测,传感器调理电路,第57页,由案例提炼经典试验：,钢管无损探伤,滤除信号中零漂和低频晃动，便于门限报警,传感器调理电路,第58页,案例：机床轴心轨迹滤波处理,传感器调理电路,第59页,案例：机床轴心轨迹滤波处理,滤除信号中高频噪声，方便于观察轴心运动规律,传感器调理电路,第60页,61,第三章,第五节 非线性校正,本节主要内容：,模拟指示表中校正方法,模拟校正,非线性系统校正方法,数字校正,传感器调理电路,第61页,开环校正：,开环校正是将校正步骤串接在系统模拟量处理步骤。,一,.,在模拟指示仪表,中普通采取以下三种方法：,缩小测量范围；,显示仪表采取非均匀指示刻度；,对系统进行非线性校正。,分为两大类：模拟校正法和数字校正法,二,.,非线性校正法优点,：可取得较宽测量范围和较高测量精度；在整个量程那个范围内含有相同灵敏度；使显示仪表取得均匀指示刻度。,1,、模拟校正法,(,开环校正和闭环校正,),机械工程学院,测试技术,非线性化校正,传感器调理电路,第62页,闭环校正：,将非线性校正步骤放在反馈回路上形成闭环系统从而到达线性化目标。,非线性步骤,K,非线性校正步骤,V,O,x,V,1,+,-,V,V,f,闭环校正系统框图,位于反馈通道上非线性步骤须含有与非线性步骤相同特征函数。,那么校正步骤特征与传感器特征或变换电路特征之间关系是互为反函数关系。,x,U,1,U,2,y,非电量,线性放大器,U,1,=,ku,1,非线性校正步骤,Y=(U,2,),开环校正检测系统框图,非线性传感器,U,1,=f(x),机械工程学院,测试技术,非线性化校正,传感器调理电路,第63页,举例校正步骤工作原理,非线性校正步骤函数都是物理可实现。它们普通含有指数、对数、平方、平方根、多项式函数或它们组成复合函数以及一些复杂规律函数。,非线性函数运算电路集成器件种类很多。如,ICL8038,正余弦函数发生器，,AD538,多功效运算电路等。下面介绍,AD538,在热电偶非线性校正电路中应用。,对,K,型热电偶进行校正，依据,K,型热电偶非线性校正电路函数近似表示式：,而集成电路,AD538,是最适合进行平方运算芯片。,三个输入端,Ux,、,Uy,、,Uz,可组成 函数关系，不需要外接元件即可组成平方运算电路。,机械工程学院,测试技术,非线性化校正,传感器调理电路,第64页,线性化电路,U,1N,R,9,A,1,R,8,R,7,RP,1,RP,2,R,2,R,1,R,3,R,5,R,4,R,6,A,2,C,1,U,a,OP07,OP07,VD,1,U,Z,U,Y,C,U,-,U,+,U,O,U,X,I,y,u,o,采取,AD538,实现非线性校正应用电路,-7.76mV,偏置电压用,R,5,和,R,6,取得。,机械工程学院,测试技术,非线性化校正,传感器调理电路,第65页,常采取软件算法来实现非线性校正。常见有线性插值法、抛物线插值法和曲线拟正当等。,2,、数字校正,机械工程学院,测试技术,非线性化校正,线性插值微机实现,2,）经过查表逐点比较，判断输入信号,u,所在区间，设,u,落在（,u,i,，,u,i-1,）区间。,3,）从表格中取出节点（,u,i,，,y,i,）和（,u,i-1,，,y,i-1,），同时代入上式插值式中，计算得到输出值,y,。,1,）将非线性校正步骤特征曲线进行分段，记下分段节点（,u,i,，,y,i,）（,i=1,，,2,，,3,，,），并将它们排列成表格，次序存入内存。,传感器调理电路,第66页,将,y,存入内存,i+1,计算,u-u,i,取,u,i,、,u,i-1,、,y,i,、,y,i-1,求,y=y,i-1,+z,i-1,(y,i,-y,i-1,),求,z,i-1,=(u-u,i-1,)/(u,i,-u,i-1,),N,Y,线性插值法计算流程,机械工程学院,测试技术,非线性化校正,i=0,uu,i,?,取,u,i,、,u,值（采样值）,传感器调理电路,第67页,68,第三章,第六节 信号变换,本节主要内容：,转换原因,特点,V/I,集成器件介绍,电路原理,传感器调理电路,第68页,将直流电压,05V,及直流电流,010mA,或,420mA,作为统 一标准信号。,用于远距离传送时，常需采取直流电流信号。,把,010mA,或,420mA,电流信号分别转换成,05V,或多,15V,电压信号方法,:,在接收端窜接一个阻值为,250,标准电阻即可。,传感器输出信号多数为电压信号，采取电压,/,电流变换电路（又称,V/I,变换器）将电压转换成,010mA,或,420mA,电流信号。,机械工程学院,测试技术,信号变换,二,.V/I,变换器集成器件,V/I,变换器有许各种，其中,AD694,和,XTR110,都是常见集成,V/I,变换器，适合用于三线制电流传输系统。,一,.,转换原因,传感器调理电路,第69页,功效特点,:,AD694,是,AD,企业生产,V/I,变换器，主要有缓冲放大器,V/I,变换器和电流放大器等电路组成,1,）可用单电源和双电源供电。可正常工作在,4.536V,范围内。,2,）含有两种高精度参考电压，分别为,2V,和,10V,。,3,）输入电压信号可分别在,02V,或,010V,范围内选择。,4,）配有缓冲放大器，输入阻抗高，可达,5M,。,5,）与,D/A,转换器组成电流输出型,DAC,，便于信号远距离传送。,6,）含有输出断路报警功效。,7,）输出电流范围可调，除,420mA,标准以外，还可实现,010mA,等其它电流输出。,机械工程学院,测试技术,信号变换,传感器调理电路,第70页,U,SR,U,b,R,1,R,2,U,H,U,T,R,6,R,4,R,5,R,3,R,R,7,VT,1,I,0,VT,2,U,F,A,420mV,V/I,变换电路,机械工程学院,测试技术,信号变换,传感器调理电路,第71页,AD694,16,15,14,13,12,11,10,FB,IN-,IN+,2VFS,COM,4mA ADJ,10V,REF,V,REF,4mAON/OFF,ALARM,I,OUT,BOOST,V+,BWADJ,V,OS,ADJ,V,OS,ADJ,AD694,引脚图,机械工程学院,测试技术,信号变换,传感器调理电路,第72页,73,第三章,第七节 信号显示和统计,本节主要内容：,数字显示,动圈机构,模拟显示统计,伺服式统计仪,动圈显示仪表,光线统计仪,LED,单管,七段数码管,LED,点阵式,传感器调理电路,第73页,动圈式指示机构,模拟动圈表,信号显示和统计,传感器调理电路,第74页,信号显示和统计,光线示波器工作原理,光线示波器,传感器调理电路,第75页,调制器,交流放大,与调制,1,2,7,6,4,5,3,输入,X,U,r,U,b,U,U,m,传感器,调制器,放大,解调,伺服,电动机,带传动,电位记,U,r,U,U,m,X,U,b,+,-,信号显示和统计,伺服式统计仪,传感器调理电路,第76页,