傳感器原理與應(yīng)用-基礎(chǔ)課件

1、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)Basic Knowledge of Sensor Technology 2022/8/291傳感器技術(shù)基礎(chǔ) 緒論 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)2022/8/292傳感器的組成及分類傳感器的基本特性常用信號調(diào)理電路傳感器技術(shù)基礎(chǔ)2022/8/293常用信號調(diào)理電路測量電橋信號放大電路信號轉(zhuǎn)換電路濾波電路調(diào)制與解調(diào)2022/8/295測量電橋電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路，也是最常見的信號調(diào)理電路之一。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo電橋的結(jié)構(gòu)：四個橋臂中有一個或多個橋臂是傳感器的敏感元件，其它為使電橋平衡而選擇的固定阻抗元件。 2022/8/296電橋的

2、分類按電橋的激勵電源分類：直流電橋：只能用來測量電阻變化。又分為恒壓源電橋和恒流源電橋。交流電橋：可用來測量電阻、電感、電容變化。交流電橋功能上相當(dāng)于調(diào)幅器，輸出為調(diào)幅波。測量電橋2022/8/297平衡式電橋：也叫零位法測量電橋，通過自動調(diào)整橋臂的阻抗值，使電橋始終處于平衡狀態(tài)。調(diào)整的阻抗值反映了被測量的變化情況。按電橋的工作狀態(tài)分類：所謂電橋的平衡，是指電橋的輸出電壓為零的狀態(tài)。電橋平衡條件：相對臂阻抗乘積相等。特點(diǎn)：測量精度取決于調(diào)整阻抗，因此精度不高；對電源的穩(wěn)定性要求不高。電橋的分類HR1R2R3R4EG直流平衡電橋R5測量電橋2022/8/298電橋的分類按工作狀態(tài)（工作橋臂的個數(shù)

3、）分類：單臂電橋：其中一個橋臂阻抗感受被測量。半橋：有兩個橋臂阻抗感受被測量。接橋原則：變化方向相反接相鄰臂；變化方向相同接相對臂。全橋：四個橋臂阻抗都感受被測量。接橋原則同上。測量電橋2022/8/2910直流電橋直流電橋的激勵電源為直流電源，四個橋臂均為電阻，用于測量電阻、電阻率的變化。直流不平衡電橋的工作原理 電橋平衡條件： 相對臂電阻乘積相等。輸出特性：abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流電橋測量電橋2022/8/2912直流電橋電橋連接方式 直流電橋的連接方式有單臂半橋、雙臂半橋和全橋式 。通常為全等臂電橋，即n=1。abcdR1+RR2R3R4I1 I2EUo單臂電橋相對靈敏

4、度S1為：單臂半橋輸出電壓：測量電橋2022/8/2914直流電橋電橋連接方式 雙臂半橋輸出電壓：相對靈敏度S2為：全橋輸出電壓：相對靈敏度S2為：abcdR1+RR3R4I1I2EUo雙臂半橋R2-RabcdR1+RI1I2EUo全橋R2-RR3+RR4-R測量電橋2022/8/2915交流電橋直流電橋的激勵電源為交流電源，四個橋臂均為阻抗，可用于測量電阻、電容和電感的變化。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo交流電橋的平衡條件： 相對臂阻抗乘積相等交流電橋功能上相當(dāng)于調(diào)幅器，輸出為調(diào)幅波。其后續(xù)測量電路應(yīng)進(jìn)行解調(diào)。測量電橋2022/8/2916交流電橋交流電橋使用時的注意事項(xiàng)交流電橋的平衡由兩

5、個條件決定，供橋電源的穩(wěn)定性將影響平衡調(diào)節(jié)，因此對交流電橋的供橋電源要求較高。電橋的供橋電源一般采用頻率范圍510kHz的音頻交流電源。測量電橋2022/8/2917放大電路應(yīng)具有的功能：足夠的放大倍數(shù)高輸入阻抗，低輸出阻抗高共模抑制能力低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流信號放大電路主要介紹：典型放大電路電荷放大電路儀表放大電路程控增益放大電路2022/8/2918直流放大電路差動放大電路典型放大電路放大倍數(shù)為：R1+-RFR2R3UcUi1Ui2在差動放大電路中一般取R1= R2，R3= RF，則：假設(shè)放大器只有共模信號作用時，有ui1= ui2=uic，則uc=0，可見輸出信號中無共模成分。

6、差動放大電路的特點(diǎn)是能有效的抑制共模干擾信號，電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸入阻抗較低（約2R1），增益調(diào)節(jié)困難。差動放大電路是儀表放大器等放大電路的基礎(chǔ)。2022/8/2920交流放大電路交流反相放大電路典型放大電路放大倍數(shù)為：UiC1C3交流同相放大電路放大倍數(shù)為：C3C1Ui2022/8/2921電荷放大電路的輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系，也稱為電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路。同時也起著阻抗變換的作用，常用于壓電傳感器的測量電路。電荷放大電路Q傳感器電纜運(yùn)算放大器電荷傳感器電容連接電纜的寄生電容電荷放大器的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，uy與Q成正比，與Cc無關(guān)，采用電荷放大器時，即使連接電纜長達(dá)百米以上，其靈敏度

7、也無明顯變化。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，調(diào)整困難，價(jià)格昂貴。2022/8/2923儀表放大電路儀表放大電路是專門精密差分電壓的放大器。其特點(diǎn)是：高輸入阻抗、低偏置電流、低失調(diào)和低漂移、高共模抑制比、平衡的差動輸入和單端輸出。2022/8/2924電路的組成和原理儀表放大電路原理：對稱同相放大器部分輸入級：當(dāng)RG為無窮大時，運(yùn)放A1、 A2相當(dāng)于兩個電壓跟隨器。 提高放大器的輸入阻抗差放部分：當(dāng)R3=R4=Ra，R5=R6=Rb時， uo=-(Rb/Ra)uAB =(Rb/Ra)(uB-uA) 放大器增益：Av=-(Rb/Ra)。注意：不通過Rb、Ra調(diào)增益。AB2022/8/2926電路的組成和原理儀表

8、放大電路原理：增益的調(diào)整：當(dāng)R3=R4=R5=R6，R1=R2=R時，令ui=u1-u2，則： uo=-uAB =-(1+2R/RG)ui放大器增益： Av=uo/ui=uo/(u1-u2)=-(1+2R/RG)通過改變RG可改變儀用放大器的閉環(huán)增益儀表放大電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用儀表放大器電路的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類：第一類由分立元件組合而成；另一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)。 AB2022/8/2927程控增益放大電路放大電路的增益調(diào)整有手動、自動和程控三種方法。程控增益放大電路是通過數(shù)字邏輯電路或計(jì)算機(jī)編程來改變增益的方法，也稱為可編程增益放大電路，簡稱PGA?？删幊淘鲆娣糯笃饕话阌煞糯笃?、可變反饋

9、電阻網(wǎng)絡(luò)可控制接口組成。程控放大器與普通放大器的區(qū)別在于反饋電路網(wǎng)絡(luò)可變，且受控于控制接口的輸出信號。不同控制信號將產(chǎn)生不同反饋系數(shù)，從而改變放大器閉環(huán)增益。2022/8/2928傳感器能將非電量轉(zhuǎn)換成電參量或電量，電參量有電阻、電感、電容、頻率和相位等多種形式。電量有電壓、電流、電荷等形式。信號轉(zhuǎn)換電路是將各類信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的電路。信號轉(zhuǎn)換電路主要介紹：阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換2022/8/2930阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換阻抗/電壓變換電路包括將電阻、電感和電容參數(shù)轉(zhuǎn)換到電壓的信號轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路，實(shí)際上是一種電阻計(jì)，由輸出電壓值指示電阻值。電阻的測量方

10、法是：讓恒定的電流流過未知阻值的電阻Rx，然后測量其兩端的電壓，求出Rx的阻值。電容/電壓轉(zhuǎn)換電路電容檢測的方法有兩種：一是把電容作為一個阻抗元件，按照電阻與電壓轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行變換；二是利用電容的充放電特性進(jìn)行變換。運(yùn)算放大電路法+_圖2.40 電容/電壓轉(zhuǎn)換電路ARfCfCxCs1Cs2Ruoui2022/8/2931阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換當(dāng)諧振頻率等于電源的頻率時，輸出最大。諧振電路的輸出隨電容C變化的曲線如圖所示。 電容/電壓轉(zhuǎn)換電路諧振電路法圖2.41 諧振電路LCxC1 (a)uiucLCxC1 (b)ucRe諧振電路法適用于電感系數(shù)到電壓的轉(zhuǎn)換電路，即自感/電壓轉(zhuǎn)換電路。ucCabcd

11、諧振電路的特性曲線電容轉(zhuǎn)換為電壓的方法還有脈沖調(diào)寬電路法、直流極化電路法和調(diào)頻電路法等其他方法。 2022/8/2932電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換為了抑制外界干擾，常把傳感器輸出的電壓信號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成具有恒流特性的電流信號輸出，然后在接收端再由電流/電壓轉(zhuǎn)換還原成電壓信號。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路(也叫V/I轉(zhuǎn)換器)就是把電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足線性關(guān)系的電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)一個輸出可調(diào)的恒流源。其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會隨負(fù)載的變化而變化。負(fù)載浮地的V/I轉(zhuǎn)換電路簡單的V/I轉(zhuǎn)換電路2022/8/2933電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 負(fù)載浮地的V/I轉(zhuǎn)換電路輸出端加入晶體管驅(qū)動的

12、V/I轉(zhuǎn)換電路目的：降低功耗、增大輸出電流。負(fù)載接地的V/I轉(zhuǎn)換電路負(fù)載RL一端接地。當(dāng)R1= R2， R3= R4+ R7時，輸出電流：差動輸入的V/I轉(zhuǎn)換電路當(dāng)R1= R3， R2= R4時，輸出電流：R為輸出采樣電阻。電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換2022/8/2934電流/電壓轉(zhuǎn)換電路 在測試系統(tǒng)中，有一些環(huán)節(jié)(如記錄儀和繼電器等)需要用電壓信號驅(qū)動，而且電流不能直接由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后才能轉(zhuǎn)換。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路也叫I/V轉(zhuǎn)換器，用于將輸入電流信號轉(zhuǎn)換成滿足線性關(guān)系的電壓信號輸出?；巨D(zhuǎn)換電路高輸入阻抗電路反相輸入型uoR3R1R4A+_(b) 同相輸入型R2

13、iR2A+_iuo(a) 反相輸入型i1R1Rs同相輸入型電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換2022/8/2935濾波電路（也稱濾波器）就是一種選頻裝置，可使信號中特定的頻率成分通過，而極大的衰減其他頻率成分。濾波電路的作用：濾除測試系統(tǒng)中由于各種原因引入的噪聲和干擾；濾除信號調(diào)制過程中的載波等無用信號；用于分離各種不同的頻率信號，提取感興趣的頻率成分；對系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。 濾波電路2022/8/2936對于一個濾波器，能通過它的頻率范圍稱為該濾波器的頻率通帶；被它抑制或極大地衰減的頻率范圍稱為頻率阻帶；通帶與阻帶的交界點(diǎn)稱為截止頻率。濾波器的分類濾波電路按處理的信號的形式分類：模擬濾波器數(shù)字濾波器按

14、采用的元件分類：有源濾波器無源濾波器按信號選通的頻率范圍分類：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按濾波器傳遞函數(shù)的階次分類：一階濾波器二階濾波器高階濾波器2022/8/2937濾波器的基本參數(shù)濾波電路增益A0： 指通帶內(nèi)的幅頻特性的幅值。0fA()A0d 0.707A0fc1fc2B通帶截止頻率fp：通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。阻帶截止頻率fr:阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。 轉(zhuǎn)折頻率fc:信號增益下降到 (即下降了3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為截止頻率。帶寬B: B= fc2- fc1，

15、兩截止頻率之間的頻率范圍。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。中心頻率f0:品質(zhì)因數(shù)Q: Q= f0/B波紋幅度d:繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動值2022/8/2938濾波器的基本參數(shù)濾波電路0fA()A00.707A0fc1fc2B倍頻程選擇性W:表征過渡帶幅頻特性衰減的快慢程度。指在上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與(1/2)fc1之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。它反映了濾波器對通頻帶以外的頻率成分的衰減能力。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器-60dB與-30dB帶寬之比。2022/8/2939常見濾波器濾波電路模擬濾波器一般用傳遞函數(shù)H(s)表示輸

16、入與輸出間的傳遞關(guān)系。而頻率特性函數(shù)H(j)表示濾波器對在輸入正弦信號幅值不變的條件下，輸出信號隨頻率變化的關(guān)系。 無源濾波器無源RC低通濾波器 2022/8/2940常見濾波器濾波電路無源濾波器無源RC高通濾波器 無源RC帶通濾波器 圖2.48 無源RC帶通濾波器及幅頻特性(a)ui(t)uo(t)R1C1R2C2(b)A(f)f10 當(dāng)R2R1時，后面的低通濾波器對前面的高通濾波器影響較小，可以忽略兩級耦合時的負(fù)載效應(yīng)，無源RC帶通濾波器可以看作是低通和高通濾波器的串聯(lián)，濾波器的傳遞函數(shù)H(s)為：2022/8/2941常見濾波器濾波電路有源濾波器有源濾波器一般由集成運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組

17、成，RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)濾波作用，集成運(yùn)算放大器將負(fù)載端和濾波網(wǎng)絡(luò)隔離，可以提高增益和帶負(fù)載能力。 有源低通濾波器 有源高通濾波器有源帶通濾波器2022/8/2942調(diào)制與解調(diào)為什么要進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)？ 傳感器輸出一般是一些緩變且較弱的電信號，無論在放大器選擇，還是傳輸方面都有諸多不便。調(diào)制與解調(diào)的目的是解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題，提高電路的抗干擾能力、傳輸能力及有效地提高信噪比。 2022/8/2943調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：就是使一個信號（高頻載波）的某些參數(shù)（幅值、頻率或相位）在另一低頻信號（調(diào)制信號）的控制下發(fā)生變化的過程，輸出已調(diào)制波。解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。分類：按被調(diào)

18、制信號（載波）形式：連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制。按調(diào)制信號的形式：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)制信號的參數(shù)不同，連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制又可分為：2022/8/2944調(diào)制與解調(diào)分類：按被調(diào)制信號的參數(shù)不同，連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制又可分為：以簡諧信號為載波：調(diào)幅（幅值調(diào)制AM）載波信號的幅值受調(diào)制信號控制調(diào)頻（頻率調(diào)制FM）載波信號的頻率受調(diào)制信號控制調(diào)相（相位調(diào)制PM）載波信號的相位受調(diào)制信號控制2022/8/2945調(diào)制與解調(diào)分類：按被調(diào)制信號的參數(shù)不同，連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制又可分為：以脈沖信號為載波：脈幅調(diào)制（PAM）：調(diào)制脈沖的幅度。當(dāng)脈沖幅度用一組二進(jìn)制碼表示時稱為脈沖編碼調(diào)制。（PCM）脈寬調(diào)制

19、（PDM）：調(diào)制脈沖的寬度。脈位調(diào)制（PPM）：調(diào)制脈沖的重復(fù)頻率。2022/8/2946調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制（調(diào)幅）：使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化，輸出已調(diào)制波的過程。線性調(diào)幅時域分析：就是用被測低頻緩變信號與高頻信號相乘，使載波的幅值隨著調(diào)制信號而變。2022/8/2947調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)線性調(diào)幅頻域分析：實(shí)現(xiàn)信號的頻譜搬移。方法一：方法二：幅度調(diào)制2022/8/2948調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制：調(diào)幅裝置實(shí)質(zhì)是乘法器，如交流電橋和交流激勵的霍爾元件都是乘法器，都相當(dāng)于調(diào)幅器。載波f0fmax，實(shí)際載波頻率至少數(shù)倍甚至十倍于調(diào)制信號。2022/8/2949調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制的解調(diào)：從調(diào)幅波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。包絡(luò)檢波法：通過檢測調(diào)幅波的包絡(luò)線的辦法恢復(fù)出被測信號，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的解調(diào)。適用條件：調(diào)制信號無極性變化。 2022/8/2950調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制