第六章 常用传感器原理及其测量电路

传感器常用测量电路
4 电荷放大器
q ei (Ca Cc Ci ) (ei ey )C f
F
ey

(C

Kq Cf )
KC
f
+
传感器常用测量电路
二 电桥电路
1 直流电桥
R1
R4
e0
ey
R2
●平衡条件
R1R3 R2 R4
R3
ey

(
R1 R1
R3 R2
)(
R2 R3
3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
A( f ) 2f 1
1
1 (2f 1 )2 1 (2f 2 )2
(
f
)

arctg
1
2f 1

arctg2f 2
传感器常用测量电路
应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的 相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又 是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者 用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源 的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放 大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。
低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器
低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器
传感器常用测量电路
3 理想滤波器
理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都 不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。
H(f)
|
H
(
f
)
|

A0
0
0 f fc 其它
fc
( f ) 2ft0
A
0
f
理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特 性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。
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5 实际滤波器的技术指标
A0 0.707A0
0
fc1
fc2
f
1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率．
fc1----下截止频率 fc2----上截止频率
传感器常用测量电路
d
0
f
2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值 最大波动指标： a p 20 lg d (分 贝)
传感器常用测量电路
传感器常用测量电路
8 滤波器的应用
案例：旅游索道钢缆检测
超门限报警
传感器常用测量电路
由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤
滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警
传感器常用测量电路
案例：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙 度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时， 传感器输出的电压信号中包含三种成分： （1）表面坡度信号 x1(t) f1 （2）表面粗糙度信号 x2(t) f2 （3）高频电气干扰 x3(t) f3
φ(f)
f
传感器常用测量电路
理想滤波器的物理不可实现
理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sinc函 数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。
H(f)
fc
给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉 冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理 不可实现。
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4 实际滤波器
s

1 2
e0
全桥
s e0
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2 交流电桥
传感器
传感器
电感
电容
●平衡条件 Z1 Z 3 Z 2 Z4
传感器常用测量电路 两种常见的交流电桥：
a、RC电桥
b、RL电桥
电桥平衡条件

R1
R3

R2 R4
R3 C1

R2 C4
应用场合： 电容传感器的转换电路
R1R3 R2R4
1、参数 （1）开环放大倍数A=∞; （2）输入阻抗ri=∞；输出阻抗ro=0; （3）频带宽度BW=∞； （4）当UP=UN,UO=0; （5）没有温漂；
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2、常见集成运算放大器 通用集成运算放大器； 高输入电阻型运放； 高速型运放； 低失调电压运放； 高精度运放； 斩波稳零运放； 大功率运放；
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四 调制与解调
1 目的
解决微弱缓变信号的放大以及信号 的传输问题。
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“调制”与“解调”的过程:
低频人信号
高频飞信机号 （（载载波体））
控制
装调 载飞波机的的参参数数（（如如幅度、 载制
频重率量、、相速位度）等）
载已有调人波的飞机
传感器常用测量电路
传感器常用测量电路
一 集成运算放大器 二 电桥电路 三 滤波器 四 调制与解调
这些处理手段称为信号调理
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目的 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
1
1 (2f )2
( f ) arctg2f
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2) 一阶RC高通滤波器
e y

1 RC
eydt ex
H ( f ) 2f j2f 1
2f
A( f )
1 (2f )2 ( f ) arctg 1
2f
传感器常用测量电路
Ui
+
A
U0
-
R2
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（3）运算电路
Rf R3 U3
U2
R2
R1
U1
+
A
U0
-
加法电路 C
Ui R
+
A
U0
-
积分电路
Rf
C
Ui
+
A
U0
-
Ui
R1
微分电路 R
C
+
A
U0
-
一阶惯性环节电路
传感器常用测量电路 （4）测量放大器电路
U0 (U1 U2 )[1 (R1 R2 ) / R3 ]R5 / R4
传感器常用测量电路
7 有源滤波器
如果在低通滤波器后 面接一个放大器：
1 R2
H ( j)
R1
jRC 1
| H ( j) |
1 R2 R1
( f )2 1 fC
可见，其增益由1 R2 确定，而与时间常数RC无关。
R1
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通常利用一个运放可以构成 一个二阶滤波器，其电路为：
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量进行调制解调处理。
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一 集成运算放大器
集成运算放大器是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直 接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组 成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。
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A0 0.707A0
B
0
fc1
fc2
f
3)带宽B： 上下两截频间的频率范围称为带宽。
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4）倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，
即频率变化一个倍频程时的衰减量。
W 20 lg A(2 fc2 ) A( fc2 )
A( fc1 )
且 f1< f2 <f3
V0= x1(t)+ x2(t)+ x3(t)
我们对V0进行频谱分析： 为了准确地测量粗糙度信号，我们可以让V0分别通过一个低
通滤波器和一个高通滤波器，分别滤掉f3和f1，这样f2就不失真 的通过。
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案例：机床轴心轨迹的滤波处理
滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律
或: W 20 lg 2
A( fc1)
倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频）。 衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。
传感器常用测量电路
A0 0.707A0
0
fc1
fc2
f
5）中心频率fn：上下两截频间的频率fc1,fc2的集合 平均值。
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6）恒带宽、恒带宽比滤波器

L1
R3

L4 R2
电感传感器的转换电路
传感器常用测量电路
交流电桥优点： ➢ 可以调制输出电压的频率 ➢ 交流放大容易；
缺点： ➢ 调节平衡困难 ➢ 易受分布参数影响；
传感器常用测量电路 4 电桥的应用
由电桥输出可以看出，不同的桥臂上的电阻（抗）的变化对输出的影响是不同的。
U (t)

(
R1R3 R1 R2
传感器常用测量电路
直流电桥优点：
所需的高稳定直流电源较易获得； 电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量； 对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低， 电桥的平衡电路简单。
缺点是：
直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电 位的影响。
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电桥的接法：
半桥 单臂
s

1 4
e0
半桥 双臂
该种类型滤波器被称为无限 增益多路反馈型滤波器.下面 推导其传递函数.
V(V2i
0 V1 )Y1

(V1

V0
)Y4

V1 (Y2

Y3
)
V1Y3 V0Y5
H (s) V0
Y1Y3
Vi (Y1 Y2 Y3 Y4 )Y5 Y3Y4
传感器常用测量电路
根据Y1到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、 高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：
Av

1
RF R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流 放大器的下限频率fL来确定。
C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL f L )
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C 其他放大电路
（1）差动输入放大电路：
U0

Rf R1
(U iU i)
（2）带平衡电阻的反向输入放大电路：
Rf
R1
6 RC无源滤波器
在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领 域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简 单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标 准阻容元件。
1) 一阶RC低通滤波器
传感器常用测量电路
RC
de y dt
ey

ex
令： RC
H( f ) 1
j2f 1
A( f )
R4 R4
)
e0
传感器常用测量电路
令： R1 R R2 R R4 R
R3 R R
ey

(
R1 R1
R3 R2
)(
R2 R3
R4 R4
)
e0

R( R R) RR ( R R)( R R R)
e0
e0 R 4R
灵敏度：s ey e0 R / R 4
三、滤波器
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．
传感器常用测量电路
1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通
高通
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带通
带阻
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2 滤波器的串/并联
低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种 最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这 两种类型的滤波器。
)(
R2 R3
R4 R4
)
U
0
+
dU


R1R2 (R1 R2
)
2

dR1 R1

R1R2 (R1 R2 )2
dR2 R2

R3 R4 (R3 R4 )2

dR3 R3

R3R4 (R3 R4 )2

dR4 R4
U 0
－
加法特性的应用
减法特性的应用
传感器常用测量电路
实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实
际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以
分为两种。
a) 恒带宽带通滤波器
f n
fc1 fc2 2
fc2 fc1 B 常数
b) 恒带宽比带通滤波器
fn fc1 fc2 B 1 常数 fn Q
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c）倍频程滤波器
倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。
H
(s)

S2

An2 2n S

n2
Y1.Y3

1 R1
.
1 R3
Y5 C5S
Y4

1 R4
Y2 C2S
1.1
H (s)
R1 R3
(1 R1
C2S

1 R3

1 R4
)C5
S

1 R3
1 R4
n2

1 C2C5 R3 R4
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产品
LineDa: LTC1564 MAXIM: MAX74xx
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2)同相放大器
同相放大器也是最基 本的电路 ，其闭环电压增 益Av为:
Av
1
RF R1
同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低 的特点，广泛用于前置放大级。
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B 交流放大电路 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运 放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3 为隔直电容。
fc2与fc1是带通滤波器的上、下截止频率，它们 可以用下列关系式表示：
fc2 2n fc1
当n=1时，称为倍频程滤波器； 当n=1/3时，称为1/3倍频程滤波器；
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A0 0.707A0
B
0
fc1
fc2
f
8）品质因数Q： 中心频率和带宽之比称为品质因数 。
Q fn B
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放大器
信号放大分类 直流放大器 交流放大器 直流电桥 交流电桥 电荷放大器
特点 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止
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3、常见放大电路
A 直流放大电路源自文库
1) 反相放大器
电压增益:
_
Av


RF R1
+
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一 般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。