传感器与检测系统信号处理技术

传感器与检测技术
数字式测量电路的基本组成：
传 感 器 整 形 电 路 细 分 电 路 脉转 冲换 当电 量路 计 数 器 锁 存 器 计 算 机 显 示 执 行 机 构
放 大 器
电路
辨向电路
锁 存 指 令
指令传感器
手动采样
增量码数字式测量电路的基本组成
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二、控制电路的基本组成
(一)开环控制
us=Umcos(wc t +mx)
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调相式测量电路
x O
uc O
t
a) b) c)

t t
us O
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调相式测量电路
（二）传感器调制
3 2
M
4
5
1
扭矩测量
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调相式测量电路
1 2

a b B a Y
O b)

W
a)
1 X VP1 2 VP1 S1 VP2 S2 VP3 VPn Sn


U L 当ωL＞＞R' 时，上式可近似为： U o 2 L


交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。
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电容电桥
两相邻桥臂为电容C1和C2，另 两臂为纯电阻R1和R2，其中 R1 和 R 2 为电容介质损耗电阻。
设Z1、Z2为传感器阻抗，
且 有
R2 R R1
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6、什么是调制信号、载波信号、已调信号？ 调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作 为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或 脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。 用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、 相位的信号称为调制信号。 在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。 经过调制的载波信号叫已调信号。
图1-9 闭环控制系统的基本组成
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问题:

测量电路的输入信号类型对其电路组成 有何影响？试述模拟式测量电路与增量 码数字式测量电路的基本组成及各组成 部分的作用。
为什么要采用闭环控制系统？试述闭环 控制系统的基本组成及各组成部分的作 用。

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三、电桥电路
电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等 参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 电桥电路按其所采用的激励电源类型
3
x 2 uc
O
x uc
O
t a) t b) t c)
1
x us x 4
us
O
图1-3 用电感传感器测量 工件轮廓形状
图1-4 调幅信号
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调频式测量电路
（一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，
画出其波形。 调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。 常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制 信号x的线性函数变化。 调频信号us的一般表达式可写为： us=Umcos(wc+mx)t
测控电路的输入信号与输出信号

模拟式信号
2 1
(一)非调制信号 x
0 图1-2 非调制模拟信号
t
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(二)经调制信号
几个重要概念： 1、载波频率（carrying frequency) 2、载波信号（carrying signal) 3、调制信号（modulating signal) 4、已调信号（modulated signal) 5、调幅信号（amplitude modulated signal)
当ωC＞＞R' 时，上式可近似为：
Uo

U C 2 Cwenku.baidu.com

交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。
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变压器电桥电路
电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电 桥 它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差 动电容或差动电感分别接在另两个臂
设其阻抗分别为Z1和Z2， (由于被测量使传感器的阻抗发生变化)
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3、在测控系统中为什么要采用信号调制？ 在测控系统中，进入测控电路的除了传感 器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而 传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号 从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一 项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往 给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要 功用。
结论：等臂全桥测量电路，对于相同的电阻变化量，输 出的电压信号最大。——灵敏度最高
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（二）交流电桥
如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为 交流电桥。
为适应电感、电容式传感器的需要 交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下 需要考虑分布电感和分布电容的影响。
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C1 C2 C
1 j C
R1 R2 R
Z1 Z 2 Z R
由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两 差动电容，
Z1 Z Z
Z 2 Z Z
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电桥的输出电压为：
Z1 R1 Z1 2R RZ1 Z 2 U Z Uo U U U Z1 Z 2 2R Z1 Z 2 R1 R2 2 Z
(二)闭环控制
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（一）开环控制
测量电路 传感器 扰动量
给定 机构
设定 电路
放大 电路
转换 电路
执行 机构
被控 对象
输 出
控制电路
图1-8 开环控制系统的基本组成
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（二）闭环控制
给 定 机 构 设 定 电 路 比 较 电 路 放制校 控 大 正 电路 电 电 路 路 转 换 电 路 执 行 机 构 扰 被 输 动 传 控 出 感 对 器 象
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电感电桥
两相邻桥臂为电感L1和L2，另两 和 R 臂为纯电阻R1和R2，其中R 1 2 为电感线圈的有功电阻。 若设Z1、Z2为传感器阻抗 且
R2 R R1
L1 L2 L
则有 另有
Z1 Z 2 Z R jL
R1 R2 R
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R4 R2 R ( R R)
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假设电桥各臂电阻值都发生变化，其阻值的 增量分别为 R1 、 R 2、R3 、R 4 ，则电 桥的输出为：
R1 R1 R4 R4 R2 R2 R3 R3 Uo Ui R1 R1 R 2 R2 R3 R3 R4 R4
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为什么说测控电路是测控系统中最灵 活的环节，它体现在哪些方面？ 1、模数转换与数模转换 2、信号形式的转换 3、量程的变换 4、信号的选取 5、信号处理与运算
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一、测量电路的基本组成
• (一)模拟式测量电路的基本组成
• (二)数字式测量电路的基本组成
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调幅式测量电路
1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式， 画出其波形。 调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅 值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值 按调制信号x的线性函数变化。 调幅信号的一般表达式可写为： us=(Um+mx)coswct
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调幅式测量电路
根据电桥平衡的条件可分三种情况：
（1）四臂电阻相等 R1 R2 R3 R4 输出电压Uo=0 （其中一个桥臂上的电阻值改变，Uo就不为零，这是最常 用的电阻应变片测量电路。） （2）输出对称电桥 R1 R2 R R3 R4 R ( R R)
（3）电源对称电桥
R1 R3 R
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调频式测量电路
x
O us O t b) 调频信号 t a) 调制信号
调频信号的波形
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（二）传感器调制
4 3
N S 2 1
T
测力或压力的振弦式传感器
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调相式测量电路
（一）什么是调相？写出调相信号的数学表达
式，画出其波形。 调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相 位。常用的是线性调相，即让调相信号的相位 按调制信号x的线性函数变化。 调相信号us的一般表达式可写为：
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4、 为什么在测控系统中常常在传感器中 进行信号调制？
为了提高测量信号抗干扰能力，常要求 从信号一形成就已经是已调信号，因此
常常在传感器中进行调制。
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5、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？ 在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波 信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个 参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为 调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波 信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制， 最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲 调宽。
U O
x B
t a) 调制信号
T
t
b) 脉冲调宽信号
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第五节 脉冲调制式测量电路
（二）传感器调制
4 3 M θ 2 1 5 6 7 8 9 10 11
用激光扫描的方法测量工件直径
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模拟式测量电路的基本组成
传 感 器
量 程 切 换 电 路
放 大 器
解 调 器
信 号 分 离 电 路
直流电桥
交流电桥
工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。 在传感器的应用中主要是不平衡电桥。
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（一）直流电桥
电桥输出
R1R4 R2 R3 Uo Ui R1 R 2 R3 R4
电桥平衡的条件：
R1*R4=R2*R3
电压输出：U0=0
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信号调制解调
1、什么是信号调制？ 调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另 一个做为载体的信号（称为载波信号），让后 者的某一特征参数按前者变化。 2、什么是解调？ 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等 处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被 测量值的测量信号，这一过程称为解调。
Z1 Z Z
Z 2 Z Z
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电桥的输出电压为：
U U U U Z U o I Z2 Z2 2 Z1 Z 2 2 2 Z

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四、 信号的放大与隔离
(一)何谓测量放大电路？对其基本要求 是什么？
1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出 的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称 为测量放大电路，亦称仪用放大电路。
运 算 电 路
模 数 转 换 电 路 电 源
计 算 机
显 示 执 行 机 构 电路
振 荡 器
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数字式测量电路的基本组成：
数字式信号 • （一）增量码信号 • （二）绝对码信号 • （三）开关信号
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0000 0001 0010 0011 0100 0101
x O uc O t b)载波信号 t
a)调制信号
us O t c)双边带调幅信号
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调幅式测量电路
2、通过交流供电实现调制 如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感 器。 R1 R2
R1
R2
R3 R4
F R4 U R3
Uo
应变式传感器输出信号的调制
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例：用电感传感器测量工件轮廓形状
由于电桥是双臂工作，所以 接入的是差动电感式传感器的两 差动电感，工作时： Z1 Z Z
Z 2 Z Z
电桥的输出电压为：
Uo

Z1 R1 Z 2R RZ1 Z 2 U Z U U 1 U Z1 Z 2 2R Z1 Z 2 R1 R2 2 Z
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第8章 传感器与检测系统信号处理技术
测量电路的基本组成 控制电路的基本组成 电桥电路 信号的放大与隔离
传感器与检测技术
在检测系统中，被测的非电信号经传感器 后变换为电信号，如电压、电流和电阻等。
传感器 测量控 制电路
测控系统的组成
执行机构
测控电路在整个测控系统中起着什么样的作用？
Y
N
VPn
莫尔条纹信号的调制
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脉冲调制式测量电路
（一）什么是脉冲调宽？写出脉冲调宽信号的数学
表达式，画出其波形。 脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。在 脉冲调制中具有广泛应用的一种方式是脉冲调宽。 脉冲调宽的数学表达式为： B=b+mx
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脉冲调制式测量电路
x O
交流电桥的平衡条件
交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两 个次级线圈 交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 Z1、Z 2 、Z 3 、 Z 4 表示
交流电桥的平衡条件为：
Z1Z 4 Z 2Z3
电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路
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电阻交流电桥
1、单臂电阻； 2、等臂差动电桥 ； 3、全桥交流电桥。