《傳感器及應用》第4章傳感器的信號處理

第4章傳感器的信號處理4.1傳感器信號的預處理4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇4.3傳感器信號非線性校正及標度變換4.1傳感器信號的預處理4.1.1數據采集系統(tǒng)的組成1.傳感器輸出信號的特點由于上述特點，再加上傳感器在使用時所處環(huán)境因素的影響，就完全有可能影響甚至破壞傳感器及其測量系統(tǒng)的正常工作。因此需要對信號進行處理。信號處理部分常常分為兩個步驟，即在對信號加工之前進行預處理。在進行預處理時，要根據實際情況利用濾波、阻抗變化等手段將信號分離出來進行放大。當信號足夠大時，就可作信號的運算、轉換、比較、取樣保持等不同的加工了。最后，一般要經過放大才能驅動負載，或者經過模擬信號到數字信號的轉換才能輸入計算機，由計算機按一定的處理要求對信號進行處理。實現(xiàn)模擬信號轉換成數字信號的電路系統(tǒng)統(tǒng)稱為數據采集系統(tǒng)，而數據采集系統(tǒng)中最重要的器件是模/數轉換器(A/D轉換器，也稱ADC)。下一頁返回4.1傳感器信號的預處理2.數據采集系統(tǒng)的組成數據采集系統(tǒng)由放大器、濾波器等在內的信號調理電路、多路模擬開關、采樣/保持電路、A/D轉換器以及接口電路和控制邏輯電路所組成，根據它們在電路中的位置，可分為同時采集、高速采集、分時采集和差動結構四種配置。數據采集系統(tǒng)的典型構成形式如圖4-1所示。4.1.2傳感器信號的預處理方法根據傳感器的輸出信號特點，傳感器的輸出信號不能直接作為進行A/D轉換的輸入量，必須通過各種預處理電路將傳感器的輸出信號轉換成統(tǒng)一的電壓信號。將信號的這一轉換稱為預處理。常用的傳感器信號預處理方法有以下幾種。上一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇4.2.1儀表放大器及選擇經預處理后的信號，要送至A/D轉換器或其他顯示記錄裝置。傳感器信號的特點是電平差別很大，且疊加有很高的、來自工業(yè)現(xiàn)場的共模噪聲。因此對這些緩變、微弱的信號不僅要進行放大，而且必須采用低噪聲、低漂移、輸入阻抗高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的直流放大器。由于一般運算放大器輸入阻抗太低，共模抑制能力受外部電阻適配精度所限，不能在精密測量中應用。因此在檢測中常用調制型或隔離型直流放大器及專門設計的測量放大器。1.儀表放大器（IA）儀表放大器又稱測量放大器。它通常由三個運算放大器、、組成，如圖4-2所示電路，其中，、組成具有對稱結構的差動輸入輸出級，差模增益為n+1，而共模下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇增益僅為1。將的差動輸出信號轉換為單端輸出信號。的共模抑制精度取決于四個R3的匹配精度，通用IA的輸出電壓為式、—IA的兩個輸入端差動輸入信號。2.IA的技術指標儀表放大器最重要的技術指標有:非線性度、偏置漂移、建立時間以及共模抑制比等。這些指標均為增益的放大器的函數。儀表放大器的優(yōu)點是輸入阻抗高、共模抑制比高、噪聲低、穩(wěn)定好，它主要用于微弱信號的精確測量。上一頁下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇3.儀表放大器的選擇儀表放大器應具有如下性能要求:(1)低噪聲采用低噪聲放大器件并采取有效的較小噪聲措施，以免測量信號被淹沒在噪聲中。

(2)高穩(wěn)定性低漂移、減小溫度漂移、防止自激振蕩等。

(3)高抗干擾性能放大器的前級最易受干擾，要盡量縮短導線影響，采用調制的方法和妥善的屏蔽措施等。

(4)高輸入阻抗由于傳感器輸出信號很微弱，要求放大器的接人盡可能強化傳感器的功能，特別是當傳感器輸出阻抗很高時，更要求放大器有高輸入阻抗。

(5)高共模抑制比一方面由于被測量本身(錐度)是差模信號，另一方面由于許多干擾為共模干擾，因此高共模抑制比有利于提高抗干擾性能。上一頁下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇(6)高線性度在較大量程內有良好的線性。

(7)適宜的頻率特性為使放大后的信號不失真，要求它有寬頻帶。為抑制某些干擾，又要求它有合適的頻帶。

4.2.2A/D轉換器(ADC)

如上節(jié)所述，A/D轉換器的作用是將傳感器接口電路預處理過的模擬信號轉換成適合計算機處理的數字信號，并輸入到計算機中去。1.ADC的主要類型按ADC的轉換方式，可分為比較型和積分型兩大類，其中常用的是逐次逼近型、雙積分型和V/F變換型。2.ADC的性能指標

(1)分辨率分辨率是指的N位ADC的分辨率為粵。ADC對微小輸入量變化的敏感度，輸入滿量程，模擬電壓為呱上一頁下一頁返回4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇

(2)精度精度可分為絕對精度和相對精度。絕對精度是指對應于一個給定的數字量，模擬量輸入實際值與理論值之差。它包括量化誤差、線性誤差和零位誤差。相對精度又稱相對誤差，是指絕對誤差與滿刻度值的百分比。由于單位輸入滿刻度值可根據需要設定，因此，相對誤差也常用ISB表示。

(3)轉換時間轉換時間是指從模擬量輸入到數字輸出，完成一次轉換所需要的最長時間。對大多數ADC來說，轉換時間就是轉換頻率(轉換的時鐘頻率)的倒數。

3.ADC的選擇原則目前所生產的A/D轉換器具有模塊化、與計算機總線兼容等特點。使用者不必深入了解它的結構原理，只需掌握A/D轉換器的外特性并正確選擇即可。從使用的角度看，A/D轉換器的外特性包括:模擬信號輸入部分;數字信號并行上一頁返回下一頁4.2儀表放大器及A/D轉換器的選擇輸出部分;啟動轉換的外部控制信號;轉換完畢后由轉換器發(fā)出轉換結束信號等。在選擇A/D轉換器時，除需要滿足用戶的各種技術要求外，必須還要注意以下幾點:數字輸出的方式;對啟動信號、轉換結束信號的接口要求;轉換精度和轉換式中、轉換時間;穩(wěn)定性及抗干擾能力等。返回上一頁4.3傳感器信號非線性校正及標度變換4.3.1傳感器信號的非線性校正在自動檢測系統(tǒng)中，利用傳感器把被測量轉換成電量時，大多數傳感器的輸出電量與被測量之間的關系并非線性關系。造成非線性的原因很多，主要有:目前，由于數字顯示技術的廣泛應用，以及對測量范圍和測量精度要求的不斷提高，非線性校正就顯得更為現(xiàn)實與迫切。為了減小或消除非線性誤差，必須采用一些非線性校正電路，這些非線性校正電路是利用許多折線逼近所需補償特性曲線，只要折線段足夠多，就能以足夠高的精度構造出任何形狀的補償特性。對于一些有規(guī)律的非線性關系，如開方、乘方、倒數、指數和對數特性，可以采用相應的運算電路進行線性化處理。因此，下面介紹的主要是指無法用一般數學下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標度變換表達式描述的非線性校正電路。

1.校正曲線的求取當已知變換器的輸出特性時，可以求出相應的校正特性。一個簡單的處理方法，就是先把校正環(huán)節(jié)的電壓增益看作是1，在已知的非線性的最大、最小值之間連一條直線;然后以此直線為對稱軸，作非線性特性的鏡像，則鏡像為所需的校正特性。如圖4-3所示。

圖4-4所示為一種斜率提升的校正電路，它是由反相放大器構成的，當VD,,VDZ均不通時，閉環(huán)放大器是一個負反饋放大器，隨著u;的增大，輸出電壓u。反饋增大，VD，導通，電路將引入正反饋，其結果使放大倍數提高。當VDZ導通時，正反饋作用加強，放大倍數進一步提高。因而u;-u。特性是一條斜率提升曲線，在圖中縱坐標表示輸出電壓絕對值大小。其余校正電路可參閱有關書籍。上一頁下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標度變換3.數字量的非線性校正非線性校正裝置也可以放置在A/D轉換之后，過去這些數字量的線性化，都是采用硬件處理技術來實現(xiàn)的，硬件處理的一種方法是采用非線性A/D轉換器，它是利用A/D轉換器的轉換機理有意識地造成其某種非線性，以補償傳感器的非線性。目前，已有集成化產品，它結構緊湊，轉換精度高，使用方便。4.3.2標度變換在多路數據采集系統(tǒng)中，各參數都有不同的量綱和數值。如用熱電偶測溫，溫度單位為oC，但不同熱電偶輸出電動勢不同，分度號為S的熱電偶在16000C時為16.716mV，分度號為K的熱電偶在12000C時為48.087My;又如測量壓力的彈性元件一膜片、膜盒以及彈簧管等，其壓力范圍上一頁下一頁返回4.3傳感器信號非線性校正及標度變換從正負幾帕到幾十甚至幾百兆帕。這些量綱不同、滿度電壓值也