传感器信号处理

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项目六 传感器信号处理
• 二、传感器输出信号处理电路
• 各种信息由传感器采集后，变换成电量信号，必须先经过一系列的变 换，以适合数据采集系统的采集。常见信号处理电路有阻抗变换、信 号的放大或衰减、滤波、线性化处理、数值运算、电气隔离等。
• 1.信号放大器 • 信号放大器是检测系统中广泛采用的信号处理电路，起放大作用;同
时还可起跟随器、隔离器的作用。 • 信写一放大器主要有: • (1)同相放大器。输入阻抗极高，常用作信号变换电路的前置输入部
分，电路如图6-1(a)所示。 • (2)反相放大器。有很小的输出阻抗电路，如图6-1(b)所示。
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• 集成运算放大器是内部具有差分放大电路的集成电路，国家标准规定 的符号如图6-2(a)所示，习惯的表示符号如图6-2(b)所示。运放有两 个信号输入端和一个输出端。两个输入端中，标“+”的为同相输入端; 标“一”的为反相输入端。所谓同相或反相是表示输出信号与输入信 号的相位相同或相反。uic=(ui1 - ui2)/2称为差模或差分输入信号， uic=(ui1 + ui2)/2则称为共模输入信号，输出信号为u0，其参考点为信 号地理想的运算放大器(简称为运放)具有以下特征:
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• 一、传感器信号输出的特点
• 一般检测系统通常由传感器、测量电路(信号转换与信号处理电路)及 显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数的无源型传感器 (如电阻式、电感式、电容式等)，需要先进行激励，通过不同的转换 电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出;对于
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• 3.信号的滤波 • 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地
衰减其他频率成分。因传感器的输出信号大多是缓J漫变化的，因而 对传感器输出信号的滤波常采用有源低通滤波器，即只允许低频信号 通过而不能通过高频信号。常采用的方法是在运算放大器的同相端接 入一阶或二阶RC有源低通滤波器，使干扰的高频信号滤除，而有用 的低频信号顺利通过;反之，在输入端接高通滤波器，将低频干扰滤 除，使高频有用信号顺利通过。除了上述滤波器外，有时还使用带通 滤波器和带阻滤波器。
• 三、输出信号的干扰及控制技术
• 在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流形式传送的，由于检 测装置内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，不 可避免地要受到各种噪声干扰，而使信号产生不同程度的畸变。
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• 噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声有自然界噪声 源(如电离层的电磁现象产生的噪声)和人为噪声源(如电气设备、电台 干扰等);内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产 生的，如热噪声、散粒噪声等。
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• 目前常用的抗干扰措施有以下几种。 • 1.屏蔽技术 • 利用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是
用导磁性良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种 方法主要是防止静电或电磁干扰，称之为屏蔽。 • 1)静电屏蔽 • 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是 利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不 外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。 • 静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于 寄生分布电容祸合而产生的干扰。
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• 4.退藕滤波器 • 当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成
几个电路之间互相干扰，应在每个电路的直流电源进线与地线之间加 装退祸滤波器。如图6-3所示，其中图6-3(a)是RC退祸滤波器、图6-3 (b)是LC退祸滤波器的示意图。应注意，LC滤波器有一个谐振频率， 其值为
• 在检测装置中常用的干扰抑制技术，是根据具体情况，对干扰加以认 真分析后，有针对性地正确使用，往往可以得到满意的效果。在对具 体问题进行分析时，一定要注意到信号与干扰之间的辩证关系。也就 是说，干扰对测量结果的影响程度，是相对信号而言的。如高电平信 号允许有较大的干扰;而信号电平越低，对干扰的限制也越严重。通 常，干扰的频率范围也是很宽的，但是，对于一台具体的测量仪器， 并非一切频率的干扰所造成的效果都相同。
开，故称为“虚断”。在土程中分析电路时，可以认为i- = i+ =0。 • 3.运放阻抗匹配器 • 传感器输出阻抗比较高，为防止信号的衰减，常采用高输入阻抗、低
输出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，常见 的阻抗匹配器有半导体阻抗匹配器、场效应品体管阻抗匹配器及运算 放大器阻抗匹配器。
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• 在检测装置中，上列4种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的 相互干扰。
• 通常在检测装置中至少要有3种分开的地线。若设备使用交流电源时， 则交流电源地线应和保护地线相连。使用这种接地方式可以避免公共 地线各点电位不均匀所产生的干扰。
• 为了使屏蔽在防护检测装置不受外界电场的电容性或电阻性漏电影响 时充分发挥作用，应将屏蔽线接到大地上。但是大地各处电位很不一 致，如果一个测量系统在两点接地，因两接地点不易获得同一电位， 从而对两点(多点)接地电路造成干扰。这时地电位是装置输入端共模 干扰电压的主要来源。因此，对一个测量电路只能一点接地。
• (1)对差模信号的开环放大倍数为无穷大。 • (2)共模抑制比无穷大。 • (3)输入阻抗无穷大。
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• 如果集成运放土作在线性放大状态，那么它具有以下两个特点: • (1)两输入端的电压非常接近，即ui1 ≈ ui2但不是短路，故称为“虚
短”。在土程中分析电路时，可以认为ui1 = ui2 。 • (2)流入两个输入端的电流通常可视为零，即ui≈ 0, i+ ≈ 0，但不是断
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• 在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它 接地，以此来防止两绕组间的静电祸合，就是静电屏蔽的范例。
• 2)电磁屏蔽 • 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁
场在屏蔽体内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而 削弱高频电磁场的影响。 • 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导 电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电 屏蔽两种作用。 • 3)低频磁屏蔽 • 在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁力线限 制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。
扰。因此，多级放大器的级间及供电必须进行退祸滤波，可采用RC 退祸滤波器。由于电解电容在频率较高时呈现电感特性，所以退祸电 容常由两个电容并联组成。一个为电解电容，起低频退祸作用;另一 个为小容量的非电解电容，起高频退褐作用。
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图6-1比例放大电路
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图6-2集成运算放大器表T符号
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图6-3电源退藕滤波器
• 在这个谐振频率fr上，经滤波器传输过去的信号，比没有滤波器时还 要大。因此，必须将这个谐振频率取在电路的通频带之外。在谐振频 率fr下，滤波器的增益与阻尼系数咨成反比。LC滤波器的阻尼系数ζ
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• 式中R—电感线圈的等效电阻。 • 为了把谐振时的增益限制在2 dB以下，应取ζ>0.5。 • 对于一台多级放大器，各放大级之间会通过电源的内阻抗产生祸合干
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• 4.电桥电路 • 由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器
构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于电参量式传感器，如电感式、 电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电 流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直 接构成电桥放大电路百度文库输出放大了的电压信号。
• 直接把非电量变换为电学量(电流或电动热)的有源型传感器(如磁电式、 热电式等)，需要进行放大处理。因此，一个非电量检测装置(或系统) 中，必须具有对电信号进行转换和处理的电路，即微弱信号放大、滤 波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号 处理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。
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• 通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高磁导率的材料。同时要有一 定的厚度，以减少磁阻。
• 2.接地技术 • (1)保护接地线。出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地
用的地线。 • (2)信号地线。它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，
除特殊情况之外，一般与真正大地是隔绝的。信号地线分为两种:模 拟信号地线及数字信号地线。因前者信号较弱， • 故对地线要求较高，而后者则要求可低些。 • (3)信号源地线。它是传感器本身的信号电位基准公共线。 • (4)交流电源地线。