第10章 傳感器的信號處理

1、的信號處理的信號處理 2022-2-22一、教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo)（1 1）了解傳感器信號的非線性修正。了解傳感器信號的非線性修正。（2 2）掌握傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換。）掌握傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換。（3 3）理解傳感器的干擾抑制技術(shù)。）理解傳感器的干擾抑制技術(shù)。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1 1、重點(diǎn)：傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換、重點(diǎn)：傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換2 2、難點(diǎn)：傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換、難點(diǎn)：傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換三、教學(xué)學(xué)時(shí)三、教學(xué)學(xué)時(shí) 6 6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)10.1 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)1 1、 調(diào)制的概念調(diào)制的概念 在被測信號上疊加一高頻信號，將它

2、從低頻區(qū)推在被測信號上疊加一高頻信號，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，提高電路的移到高頻區(qū)，提高電路的抗干擾能力和信號的信抗干擾能力和信號的信噪比。噪比。以一個(gè)高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個(gè)以一個(gè)高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個(gè)載體稱為載體稱為載波信號載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為相位的信號稱為調(diào)制信號調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號稱為經(jīng)過調(diào)制的載波信號稱為已調(diào)信號已調(diào)信號。已調(diào)信號一。已調(diào)信號一般都便于放大和傳輸。般都便于放大和傳輸。在信號調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號作為載波信號。在信號調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號作

3、為載波信號。正弦信號的三要素為正弦信號的三要素為幅值幅值、頻率頻率和和相位相位，對這三個(gè)參，對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻調(diào)幅、調(diào)頻和和調(diào)相調(diào)相，其波形分，其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。 調(diào)制的種類包含以下三種：調(diào)制的種類包含以下三種：（1）高頻振蕩的幅度受緩變信號控制時(shí)，稱為）高頻振蕩的幅度受緩變信號控制時(shí)，稱為調(diào)幅調(diào)幅，以以AM表示。表示。（2）高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時(shí)，稱為）高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時(shí)，稱為調(diào)頻調(diào)頻，以以FM表示。表示。（3）高頻振蕩的相位受緩變信號控制時(shí)，稱為調(diào)相，）高頻振蕩的相位受緩變信號控

4、制時(shí)，稱為調(diào)相，以以PM表示。表示。（a a）調(diào)頻波）調(diào)頻波（b b）調(diào)幅波）調(diào)幅波圖圖10-2 10-2 兩種典型的波形兩種典型的波形 從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)解調(diào)。 所謂解調(diào)就是從已被放大和傳輸?shù)?，所謂解調(diào)就是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信號信息的高頻信號中，把且有原來信號信息的高頻信號中，把原來信號取出的過程。原來信號取出的過程。 解調(diào)的目的是為了恢復(fù)原來的信號解調(diào)的目的是為了恢復(fù)原來的信號。 將傳感器的微弱信號精確地放大到所將傳感器的微弱信號精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號

5、(直流直流15 V或或420 mA)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)，稱為標(biāo)，稱為信號的放大信號的放大。 10.2.1 比例放大器比例放大器1.反相比例放大器反相比例放大器ffrRAR 圖圖10-13 10-13 簡單的反相比例放大器的內(nèi)部電路圖簡單的反相比例放大器的內(nèi)部電路圖圖圖10-15 同相比例放大器的內(nèi)部電路圖同相比例放大器的內(nèi)部電路圖圖圖10-16 差動比例放大器的內(nèi)部電路圖差動比例放大器的內(nèi)部電路圖ffrRAR優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能抑制共模信能抑制共模信號，抗干擾能號，抗干擾能力強(qiáng)。力強(qiáng)。圖圖10-18 10-18 電源接地式電橋放大器的內(nèi)部電路圖電源接地式電橋放大器的內(nèi)部電

6、路圖圖圖10-20 線性放大器的內(nèi)部電路圖線性放大器的內(nèi)部電路圖圖圖10-2010-20實(shí)際上是在圖實(shí)際上是在圖10-1810-18的基礎(chǔ)上增加了一級求和的基礎(chǔ)上增加了一級求和電路電路A2A2和一級反相電路和一級反相電路A3A3，其電路形成的線性放大器，其電路形成的線性放大器的非線性偏差很小，常用在要求較高精度的測量電路的非線性偏差很小，常用在要求較高精度的測量電路中。中。 隔離放大器是由隔離放大電路組成的，它隔離放大器是由隔離放大電路組成的，它是一種特殊的測量放大電路，其輸入回路是一種特殊的測量放大電路，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合

7、電耦合 。 在隔離放大器中信號的耦合方式主要有兩在隔離放大器中信號的耦合方式主要有兩種：一種是通過種：一種是通過光電耦合光電耦合，稱為光電耦合，稱為光電耦合隔離放大器；另一種是通過隔離放大器；另一種是通過電磁耦合電磁耦合，即，即經(jīng)過變壓器傳遞信號，稱為變壓器耦合隔經(jīng)過變壓器傳遞信號，稱為變壓器耦合隔離放大器。離放大器。 圖圖10-27 變壓器耦合隔離放大器的原理圖變壓器耦合隔離放大器的原理圖圖圖10-28 光電耦合隔離放大器的原理圖光電耦合隔離放大器的原理圖圖圖10-29 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖1.A/D轉(zhuǎn)換的概念和原理轉(zhuǎn)換的概念和原理 1）A/D轉(zhuǎn)換的概念轉(zhuǎn)換的概念 模

8、擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為A/D 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的元件能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的元件稱為稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱為轉(zhuǎn)換器，簡稱為ADC。圖圖10-31 A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理過程轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理過程 一般的一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過采樣、保持、量轉(zhuǎn)換過程是通過采樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的化和編碼這四個(gè)步驟完成的 圖圖10-33 A/D10-33 A/D轉(zhuǎn)換的過程轉(zhuǎn)換的過程1.D/A轉(zhuǎn)換的概念和原理轉(zhuǎn)換的概念和原理 1）D/A轉(zhuǎn)換的概念轉(zhuǎn)換的概念 模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)

9、換成模擬信號的元件稱為能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的元件稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱為轉(zhuǎn)換器，簡稱為DAC。 把輸入數(shù)字量中每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換把輸入數(shù)字量中每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運(yùn)算放大器求和相加。成模擬量，并通過運(yùn)算放大器求和相加。 REFo2nUUD式中，式中，U UREF REF 為參考電壓（為參考電壓（V V）；）；U Uo o為輸出模擬量為輸出模擬量（V V）；）；D D為數(shù)字量。為數(shù)字量。 在自動檢測系統(tǒng)中，使用檢測元件把被檢在自動檢測系統(tǒng)中，使用檢測元件把被檢測量轉(zhuǎn)換成電量的時(shí)侯，被檢測量與大多測量轉(zhuǎn)換成電量的時(shí)侯，被檢測量與大多數(shù)檢測元件的輸出電量往往不呈線性關(guān)系，

10、數(shù)檢測元件的輸出電量往往不呈線性關(guān)系，從而導(dǎo)致非線性輸出。導(dǎo)致非線性輸出的從而導(dǎo)致非線性輸出。導(dǎo)致非線性輸出的原因很多，常見的有：原因很多，常見的有：（1）檢測元件變換原理導(dǎo)致的非線性。）檢測元件變換原理導(dǎo)致的非線性。 （2）測量轉(zhuǎn)換電路導(dǎo)致的非線性）測量轉(zhuǎn)換電路導(dǎo)致的非線性 這些問題的解決有以下三種方法：這些問題的解決有以下三種方法：（1）縮小測量范圍，取近似值。）縮小測量范圍，取近似值。（2）采用非線性指示刻度。）采用非線性指示刻度。（3）加非線性校正環(huán)節(jié)。）加非線性校正環(huán)節(jié)。圖圖10-44 校正特性的求取方法校正特性的求取方法圖圖10-45 校正特性折線逼近法校正特性折線逼近法 用軟件進(jìn)

11、行傳感器特性的非線性補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：用軟件進(jìn)行傳感器特性的非線性補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：（1）采用這種方法省去了復(fù)雜的補(bǔ)償硬件電路，簡）采用這種方法省去了復(fù)雜的補(bǔ)償硬件電路，簡化了裝置?；搜b置。（2）采用這種方法可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能作用，提）采用這種方法可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能作用，提高了檢測的準(zhǔn)確性和精度。高了檢測的準(zhǔn)確性和精度。（3）適當(dāng)改變軟件內(nèi)容就可對不同的傳感器特性進(jìn)）適當(dāng)改變軟件內(nèi)容就可對不同的傳感器特性進(jìn)行補(bǔ)償，也可利用一臺微機(jī)對多個(gè)通道、多個(gè)參行補(bǔ)償，也可利用一臺微機(jī)對多個(gè)通道、多個(gè)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化，一般可分為計(jì)算法、采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化，一般可分為計(jì)算法、查

12、表法和插值法。查表法和插值法。 1.計(jì)算法計(jì)算法：當(dāng)傳感器的輸入量與輸出量之間有確定的：當(dāng)傳感器的輸入量與輸出量之間有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)，就可以采用計(jì)算法進(jìn)行非線性補(bǔ)償。數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)，就可以采用計(jì)算法進(jìn)行非線性補(bǔ)償。2.查表法查表法：把被測量的變化分成若干等分點(diǎn)，把等分：把被測量的變化分成若干等分點(diǎn)，把等分點(diǎn)和相對應(yīng)的輸出數(shù)值組成一張表格，存放在計(jì)算機(jī)點(diǎn)和相對應(yīng)的輸出數(shù)值組成一張表格，存放在計(jì)算機(jī)的存儲器中，通過查表程序，直接從表中查出其對應(yīng)的存儲器中，通過查表程序，直接從表中查出其對應(yīng)的輸出量的數(shù)值。的輸出量的數(shù)值。3.插值法插值法：插值法就是用一段簡單的曲線，近似代替：插值法就是用一段簡單

13、的曲線，近似代替這段區(qū)間里的實(shí)際曲線，然后通過近似曲線公式計(jì)算這段區(qū)間里的實(shí)際曲線，然后通過近似曲線公式計(jì)算出輸出量。出輸出量。 10.5.1 干擾的產(chǎn)生干擾的產(chǎn)生 1.干擾干擾影響檢測系統(tǒng)正常工作的各種內(nèi)部和外影響檢測系統(tǒng)正常工作的各種內(nèi)部和外部因素的總和稱為干擾，有時(shí)也稱干擾部因素的總和稱為干擾，有時(shí)也稱干擾為噪聲。為噪聲。2.噪聲噪聲噪聲對檢測裝置的影響必須與有用信號共噪聲對檢測裝置的影響必須與有用信號共同分析才有意義。同分析才有意義。衡量噪聲對有用信號的影響常用信噪比衡量噪聲對有用信號的影響常用信噪比（S S/ /N N）來表示，它是指在信號通道中，）來表示，它是指在信號通道中，有用信

14、號功率有用信號功率P PS S與噪聲功率與噪聲功率P PN N之比，或有之比，或有用信號電壓用信號電壓U US S與噪聲電壓與噪聲電壓U UN N之比。信噪比之比。信噪比常用對數(shù)形式來表示，單位為常用對數(shù)形式來表示，單位為dB.dB. 在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對測量結(jié)果的影響。噪聲對測量結(jié)果的影響。 （1 1）噪聲是絕對的，它的產(chǎn)生或存在不受接收）噪聲是絕對的，它的產(chǎn)生或存在不受接收者的影響，與有用信號無關(guān)。干擾是相對有用者的影響，與有用信號無關(guān)。干擾是相對有用信號而言的，只有噪聲達(dá)到一定數(shù)值，與有用信號而言的，只有噪聲達(dá)到一定數(shù)值，與有用信

15、號一起進(jìn)入智能儀器并影響正常工作才能形信號一起進(jìn)入智能儀器并影響正常工作才能形成干擾。成干擾。（2 2）噪聲與干擾互為因果關(guān)系，噪聲是干擾之）噪聲與干擾互為因果關(guān)系，噪聲是干擾之因，干擾是噪聲之果，它們之間是一個(gè)從量變因，干擾是噪聲之果，它們之間是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程。到質(zhì)變的過程。（3 3）干擾在滿足一定條件時(shí)，可以消除。噪聲）干擾在滿足一定條件時(shí)，可以消除。噪聲在一般情況下難以消除，只能減弱。在一般情況下難以消除，只能減弱。干擾干擾外部干擾外部干擾內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾射線輻射干擾射線輻射干擾 溫度干擾溫度干擾 化學(xué)干擾化學(xué)干擾 濕度干擾濕度干擾 機(jī)械干擾機(jī)械干擾 光干擾光干擾 電磁干擾電磁干

16、擾 電源電路干擾電源電路干擾 元件干擾元件干擾 負(fù)載回路干擾負(fù)載回路干擾 信號通道干擾信號通道干擾 數(shù)字電路干擾數(shù)字電路干擾 電磁干擾主要是指任何可能引起裝置、電磁干擾主要是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低的電磁現(xiàn)象。它是設(shè)備或系統(tǒng)性能降低的電磁現(xiàn)象。它是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，通常是由電磁輻射發(fā)生源（如馬噪音，通常是由電磁輻射發(fā)生源（如馬達(dá)和機(jī)器）產(chǎn)生的。達(dá)和機(jī)器）產(chǎn)生的。 閃電產(chǎn)生電磁場干擾閃電產(chǎn)生電磁場干擾 電吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電磁波干擾以兩電磁波干擾以兩種途徑到達(dá)電視種途徑到達(dá)電視機(jī)：一是通過共機(jī)：一是通過共用的電源插座，

17、用的電源插座，二是以空間電磁二是以空間電磁場傳輸?shù)姆绞接蓤鰝鬏數(shù)姆绞接呻娨暀C(jī)的天線接電視機(jī)的天線接收。應(yīng)設(shè)法切斷收。應(yīng)設(shè)法切斷這些干擾途徑。這些干擾途徑。 屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪钇帘问侵咐脤?dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，可分為電按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。1）光電隔離）光電隔離光電隔離是以光作為

18、媒介在隔離元件的兩端光電隔離是以光作為媒介在隔離元件的兩端之間進(jìn)行信號傳輸?shù)?，所用的元件是光電耦之間進(jìn)行信號傳輸?shù)?，所用的元件是光電耦合器。具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能力。合器。具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能力。變壓器隔離是利用隔離變壓器將模擬信號電路變壓器隔離是利用隔離變壓器將模擬信號電路與數(shù)字信號電路隔離開，也就是把模擬信號的與數(shù)字信號電路隔離開，也就是把模擬信號的接地點(diǎn)與數(shù)字信號的接地點(diǎn)斷開，以使共模干接地點(diǎn)與數(shù)字信號的接地點(diǎn)斷開，以使共模干擾電壓不能構(gòu)成回路，從而達(dá)到抑制共模干擾擾電壓不能構(gòu)成回路，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。另外，隔離后的兩電路應(yīng)分別采用兩的目的。另外，隔離后的兩電路應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源供電，切斷兩部分的地線聯(lián)組互相獨(dú)立的電源供電，切斷兩部分的地線聯(lián)系。系。電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒有直電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒有直接的電聯(lián)系，因此，可利用繼電器線圈接收電接的電聯(lián)系，因此，可利用繼電器線圈接收電信號，而利用繼電器的觸點(diǎn)控制和傳輸電信號，信號，而利用繼電器的觸點(diǎn)控制和傳輸電信號，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔