第9章 传感器接口电路

9．3 传感器非线性补偿技术 ．
9．3．1非线性补偿环节特性的获取方法 ． ． 非线性补偿环节特性的获取方法
2.图解法
9．3．2非线性补偿环节的实现方法 ． ． 非线性补偿环节的实现方法
1.硬件电路的实现方法 .
折线逼近法
精密折点单元电路
2.微机软件的实现方法
(1)线性插值法 (2)二次曲线插值法
图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。 图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。为了避免外科手术 过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏， 过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏，图中使用了两个微 型的氖灯NL1、NL1，作为电压限幅器。微型的氖灯价廉且具有对 电压限幅器。 型的氖灯 、 ，作为电压限幅器 称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大， 称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大，所以它 对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压(一般为 对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压 一般为 60V)，则氖灯迅速导通 击穿后，氖灯本身呈负阻特性 ，使其两端 击穿后， ，则氖灯迅速导通(击穿后 氖灯本身呈负阻特性)， 的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器R 的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器 W用于 调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是， 调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是，在两输 入端加载一个1V左右的信号 一般为50Hz)，调整电位器 W使电路 左右的信号(一般为 入端加载一个 左右的信号 一般为 ，调整电位器R 的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。 的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。
第9章 传感器接口电路 章
9.1 9.2 9.3 9.4 传感器输出信号的处理方法 传感器检测电路 传感器的非线性补偿技术 传感器和微型计算机的连接
9.1 传感器输出信号的处理方法 9.1.1 输出信号的特点 由于传感器种类繁多，传感器的输出形式 也是各式各样的。 例如，尽管都是力传感器，随作用外力变 化,电阻应变片输出的是不同的电阻，压电传 感器输出不同的电荷,电容传感器输出变化的 电容,电感传感器输出变化的电感量. 表9-1列出了传感器的一般输出形式。
UOUT = -
RF R1
Uin
放大电路
2)同相放大器 同相放大器的输出电压为：
RF UOUT = ( 1 + )Uin R1
输出电压与输入电压同相,而且其绝对值也比反 相放大器多1。 3)差动放大器 差动放大器的输出电压为：
RF (U2-U1) UOUT = R1
差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。
U R4 R3 R 2 R1 ( + ) = R3 R2 R1 4 R4
如果R1=R2=R3=R4时，则电桥电路被称 为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而 非线性误差最小， 因此在传感器的实际应用中多采用四等臂 电桥。 。
2）交流电桥 如下图所示。其中Z1和Z2为阻抗元件，它们 同时可以为电感或电容，电桥两臂为差动方式， 又称为差动交流电桥。在初始状态时， Z1=Z2=Z0电桥平衡，输出电压等于UOUT =0。 测量时一个元件的阻抗增加，另一个元件的 阻抗减小，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，则电桥 的输出电压为：
双积分型A/D转换器工作原理图 转换器工作原理图 双积分型
3. 电压 频率转换电路 电压—频率转换电路 电压—频率转换电路也是模/数转换接口 电路的一种，它将电压或电流转换成脉冲系 列，该脉冲序列的瞬时周期精确地与模拟量 成正比关系。 虽然V/F转换电路是一种模拟─模拟转换 电路，但由于频率可用数字方法进行测量， 因而也可以实现模/数的转换，所以它是一种 准数字化电路。 V/F转换电路的形式较多，但以积分式 V/F转换电路应用最为广泛。
n
∑
i =1
Di 2 i
比较型转换器原理框图
2.积分型A/D转换器 积分型A/D转换器是先将输入的模拟电压 转换成相应的时间间隔，然后采用计数器对 时间间隔计数。 在积分型A/D转换方式中，有单积分、双 积分和多级积分等形式，其中应用最广的是 双积分转换方式，其线性和噪声消除特性好， 而且价格低。
UOUT =
R1R 4U ( R1 + R 4) 2
(
R4 R 3 R 2 R1 + ) R4 R3 R2 R1
R 4 R3 = 若取 a = R1 R 2
aU
则：
UOUT＝
R4 R 3 R 2 R1 ( + ) 2 R4 R3 R2 R1 (1 + a)
当a=1时，输出灵敏最大，此时：
UOUT
3 .模拟输出型传感器 分为电压输出变化型、电流输出变化型及 阻抗变化型三种。 电压输出变化型和电流输出变化型的传感 器，经A/D转换器转换成数字信号，或经V/F 转换器转换成频率变化的信号。 阻抗变换型传感器，一般使用LC振荡器 或RC振荡器将传感器输出的阻抗变化转换成 频率的变化,再输入给微型计算机。
表9-1 传感器的输出信号形式
输出形式 开关信号型 输出变化量 机械触点 电子开关 电 压 模拟信号型 电 流 电 阻 电 容 电 感 其它 频 率 传感器的例子 双金属温度传感器 霍耳开关式集成传感器 热电偶、磁敏元件、气敏元件 光敏二极管 热敏电阻，应变片 电容式传感器 电感式传感器 多普勒速度传感器、揩振式传 感器
Vi1 R1 22k NL1 R3 22k 氖泡 A1 R5 R8 10k R9 10k 2k R10 10k A3 R11 9k RW Vo
NL2 Vi2 R2 22k
2k R722k 22k 氖泡 R6 R4 A2 22k
4.电荷放大器 压电式传感器输出的信号是电荷量的变化， 配上适当的电容后，输出电压可高达几十伏 到数百伏，但信号功率却很小，信号源的内 阻也很大。 放大器应采用输入阻抗高、输出阻抗低的 电荷放大器。 电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入 阻抗、高放大倍数的运算放大器。
2 .电桥电路 1）直流电桥
直流电桥的基本电路
电桥的输出电压可由下式给出，即：
U ( R 2 R 4 R1 R3) ( R1 + R 4)( R 2 + R3)
UOUT =
电桥的平衡条件为： R2R4= R1R3 当电桥平衡时，输出电压为零。 当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量 时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出 电压为：
9.2.2 常用电路 1.阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的 衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作 为传感器输入到测量系统的前置电路。 半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导 体管共集电极电路，又称为射极输出器。 场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间 电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上， 可作阻抗匹配器。 运算放大器阻抗匹配器。
如果电路中有需要调整的参数， 如果电路中有需要调整的参数， 通常是电阻阻值（ 通常是电阻阻值（有时也需要调 整电容值）， ），把要调整的参数分 整电容值），把要调整的参数分 成两部分： 成两部分：固定部分和可调整部 分。在一般的要求时，固定部分 在一般的要求时， 的取值为该参数总的标称值的90%， 的取值为该参数总的标称值的 ， 可变部分为20%。在要求比较高时， 可变部分为 。在要求比较高时， 固定部分的取值为该参数总的标 称值的99%，可变部分为 。 称值的 ，可变部分为2%。
9．4．3数据采集的概念
1．采集系统的配置 ． 典型的数据采集系统由传感器(T)、放大器 (IA)、模拟多路开关(MUX)、采样保持器 (SHA)、A/D转换器、计算机（MPS）或数字 逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可 分为同时采集、高速采集、分时采集和差动 结构四种配置，如图所示。
图9-6数据采集系统的配置 (a)同时采集；(b)高速采集；(C)分时采集；(d)差动结构
2.采样周期的选择 采样周期的选择
根据香农采样定理:对一个具有有限频谱 ( ω min ω ω max )连续信号进行采样，当采样 频率 ω S (=2π/Ts)≥2 ω max 时，采样结果可不失 真。实用中一般取 ω S ＞(2. 5~3) ω max ，也可 ω。 max 取( 5 ~ 10 )
U OUT Z 0 + Z 1 Z =( U )U = 2Z 0 2 2Z 0
电感式传感器配用的交流电桥
3.放大电路 传感器的输出信号一般比较微弱，因而在 大多数情况下都需要放大电路。 目前检测系统中的放大电路，除特殊情况 外，一般都采用运算放大器构成。 1)反相放大器 反相放大器的输出电压，可由下式确定， 即：
电荷放大器等效电路
5.传感器与放大电路配接的示例 应变式传感器作为电桥的一个桥臂，在电 桥的输出端接入一个输入阻抗高、共模抑制 作用好的放大电路。 当被测物理量引起应变片电阻变化时，电 桥的输出电压也随之改变，以实现被测物理 量和电压之间的转换。
应变电桥配接的放大电路
9.2.3 噪声的抑制 1)噪声产生的根源 a.内部噪声 内部带电微粒的无规则运动产生 。 b.外部噪声 由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成。 2）噪声的抑制方法 a.选用质量好的元器件。 b.屏蔽 c.接地 d.隔离 e.滤波
9.4 传感器和微型计算机的连接
9.4.1传感器与微型计算机结合的重要性 传感器与微型计算机结合的重要性 1.促进自动化生产水平的提高： 2.有利于新产品的开发： 3.提高企业管理水平： 4.为技术改造开辟新的领域 。
9.4.2 检测信号在输入微型计算机前的处理 检测信号在输入微型计算机前的处理要根 据不同类型的传感器区别对待。 1.接点开关型传感器 会产生信号抖动现象，消除抖动的方法可 以采用硬件处理或软件处理。 2.无接点开关型传感器 具有模拟信号特性，在微型计算机的输入 电路中设置比较器。
2.传感器的输出信号，一般比较微弱，有的 传感器输出电压最小仅有0.1V。 3.传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传 感器信号输入到测量电路时，产生较大的信 号衰减。 4.传感器的输出信号动态范围很宽。 5.传感器的输出信号随着输入物理量的变化 而变化，但它们之间的关系不一定是线性比 例关系。 6.传感器的输出信号大小会受温度的影响， 有温度系数存在。