第六章-常用传感器原理及其测量电路.ppt

传感器常用测量电路,一,集成运算放大器,二,电桥电路,三,滤波器,四,调制与解调,这些处理手段称为信号调理,传感器常用测量电路,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,1.,传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。,2.,有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。,3.,某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量进行调制解调处理。,目的,传感器常用测量电路,集成运算放大器是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。,一 集成运算放大器,1,、参数,（,1,）开环放大倍数,A=;,（,2,）输入阻抗,r,i,=,；输出阻抗,r,o,=0;,（,3,）频带宽度,BW=,；,（,4,）当,U,P,=U,N,U,O,=0;,（,5,）没有温漂；,传感器常用测量电路,通用集成运算放大器；,高输入电阻型运放；,高速型运放；,低失调电压运放；,高精度运放；,斩波稳零运放；,大功率运放；,2,、常见集成运算放大器,传感器常用测量电路,信号放大,分类,特点,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,直流电桥,交流电桥,低频保留,高频截止,高频保留,低频截止,传感器常用测量电路,A,直流放大电路,电压增益,1),反相放大器,反馈电阻,R,F,值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。,R,1,的取值应远大于信号源,U,i,的内阻。,3,、常见放大电路,传感器常用测量电路,_,+,2),同相放大器,同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。,同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益,A,v,为,:,传感器常用测量电路,B,交流放大电路,R,1,一般取几十千欧。耦合电容,C,1,、,C,3,可根据交流放大器的下限频率,f,L,来确定。,若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容,C,1,、,C,2,及,C,3,为隔直电容。,传感器常用测量电路,（,1,）差动输入放大电路：,（,2,）带平衡电阻的反向输入放大电路：,C,其他放大电路,传感器常用测量电路,（,3,）运算电路,传感器常用测量电路,（,4,）测量放大器电路,传感器常用测量电路,4,电荷放大器,F,+,传感器常用测量电路,1,直流电桥,平衡条件,e,y,e,0,R,1,R,4,R,2,R,3,二,电桥电路,传感器常用测量电路,令：,传感器常用测量电路,所需的高稳定直流电源较易获得；,电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；,对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。,直流电桥优点：,直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。缺点是：,传感器常用测量电路,电桥的接法：,半桥单臂,半桥,双臂,全桥,传感器常用测量电路,2,交流电桥,电容,电感,传感器,传感器,平衡条件,传感器常用测量电路,两种常见的交流电桥：,a,、,RC,电桥,b,、,RL,电桥,电桥平衡条件,应用场合：,电容传感器的转换电路,电感传感器的转换电路,传感器常用测量电路,交流电桥优点：,可以调制输出电压的频率,交流放大容易；,缺点：,调节平衡困难,易受分布参数影响；,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,4,电桥的应用,由电桥输出可以看出，不同的桥臂上的电阻（抗）的变化对输出的影响是不同的。,+,加法特性的应用,减法特性的应用,三、滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分,传感器常用测量电路,1,滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,传感器常用测量电路,带通,带阻,传感器常用测量电路,2,滤波器的串,/,并联,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器,传感器常用测量电路,低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,3,理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,传感器常用测量电路,f,c,H,(,f,),f,(,f,),理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数,h,(,t,),为,sinc,函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在,t=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,),传感器常用测量电路,4,实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。,0,f,A,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,5,实际滤波器的技术指标,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,1),截止频率,f,c,：,0.707A,0,所对应的频率,f,c1,-,下截止频率,f,c2上截止频率,0,f,传感器常用测量电路,2),纹波幅度,d,：,绕幅频特性均值,A,0,波动值,最大波动指标：,d,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,3),带宽,B,：,上下两截频间的频率范围称为带宽。,B,传感器常用测量电路,4,）倍频程选择性,W,指在上截止频率,f,c,2,与,2,f,c,2,之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。,倍频程衰减量以,dB/oct,表示（,Octave,，倍频）。衰减越快（即,W,值越大），滤波器的选择性越好。,传感器常用测量电路,或,:,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,5,）中心频率,f,n,上下两截频间的频率,f,c,1,f,c,2,的集合平均值,。,传感器常用测量电路,6,）恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。,b),恒带宽比带通滤波器,a),恒带宽带通滤波器,传感器常用测量电路,c,）倍频程滤波器,倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。,传感器常用测量电路,f,c2,与,f,c1,是带通滤波器的上、下截止频率，它们可以用下列关系式表示：,当,n,=1,时，称为倍频程滤波器；,当,n,=1/3,时，称为,1/3,倍频程滤波器；,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,8,）品质因数,Q,：中心频率和带宽之比称为品质因数,。,B,传感器常用测量电路,6 RC,无源滤波器,在测试系统中，常用,RC,滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而,RC,滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。,1),一阶,RC,低通滤波器,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,2),一阶,RC,高通滤波器,传感器常用测量电路,3)RC,带通滤波器,可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联,传感器常用测量电路,应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由,RC,调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。,传感器常用测量电路,7,有源滤波器,如果在低通滤波器后面接一个放大器：,可见，其增益由,确定，而与时间常数,RC,无关。,传感器常用测量电路,通常利用一个运放可以构成一个二阶滤波器，其电路为：,该种类型滤波器被称为无限增益多路反馈型滤波器,.,下面推导其传递函数,.,传感器常用测量电路,根据,Y,1,到,Y,5,取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：,传感器常用测量电路,产品,LineDa,:LTC1564,MAXIM:MAX74xx,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,8,滤波器的应用,超门限报警,案例：,旅游索道钢缆检测,传感器常用测量电路,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,传感器常用测量电路,案例：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出的电压信号中包含三种成分：,（,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,x,m,(,t,),时,二极管的导通与截止全由载波信号,y,(,t,),决定。,调幅波,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3,）,相敏检波,工作原理：,调幅波与载波,y,(,t,),同相 载波电压为正 均为正,（原信号,x,(,t,),为正）载波电压为负,传感器常用测量电路,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3,）,相敏检波,工作原理：,调幅波与载波,y(t),异相 载波电压为正 均为负,（原信号,x(t),为负）载波电压为负,传感器常用测量电路,例：动态应变仪,传感器常用测量电路,4,频率调制与鉴频,调频是利用信号,x,(,t,),的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号,x,(,t,),的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波,.,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,波形特征：,(1),调频波的振幅变化规律,与载波频率一致,(2),调频波频率（即变化快慢）,与调制信号波形变化一致,鉴频：,T1,T2,T3,T4,F,传感器常用测量电路,优点：抗干扰能力强。,调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的,20,倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。,因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中,缺点：占频带宽度大，复杂,传感器常用测量电路,谐振电路调频,传感器常用测量电路,