传感器与检测技术课件第八章-传感检测系统的构成1.ppt

1、2022/11/41第八章 传感检测系统的构成 通过本章的学习，了解传感检测系统通过本章的学习，了解传感检测系统的组成及检测系统的抗干扰问题；掌握的组成及检测系统的抗干扰问题；掌握电桥、调制与解调器、滤波器、电桥、调制与解调器、滤波器、A/D及及D/A转换器的工作原理及用途；了解传感转换器的工作原理及用途；了解传感器与微机的连接通道。器与微机的连接通道。2第一节第一节 传感检测系统的组成传感检测系统的组成 传传感感器器信信息息传传输输接接口口信信息息分分析析处处理理控控制制显显示示记记录录中中间间转转换换电电路路被被测测对对象象传感检测系统通常由传感器、中间转换（信号调理）传感检测系统通常由传

2、感器、中间转换（信号调理）电路、微机接口电路、分析处理及控制显示电路等部电路、微机接口电路、分析处理及控制显示电路等部分组成，分别完成信号的获取、转换（调理）、传输、分组成，分别完成信号的获取、转换（调理）、传输、分析处理、显示记录等功能。分析处理、显示记录等功能。微机、I/O接口、外设2022/11/43 第二节第二节 电桥电桥电桥是把电阻、电感和电容等原件参电桥是把电阻、电感和电容等原件参数转换成电压或电流的一种测量电路。这数转换成电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直接，而且精度和灵敏度种测量电路简单直接，而且精度和灵敏度都较高，在检测系统中应用较多。都较高，在检测系统中应用较多。

3、电桥的分类：电桥的分类：按采用的电源：直流、交流按采用的电源：直流、交流按工作方式：平衡、不平衡按工作方式：平衡、不平衡按被测电阻接入方式：单臂、差动按被测电阻接入方式：单臂、差动2022/11/44一、电桥工作原理一、电桥工作原理 1.直流电桥直流电桥直流电桥 当当RL时，电桥输出电压为时，电桥输出电压为 第二节第二节 电桥电桥2022/11/45当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有，则有 R1R4=R2R3或或 电电桥桥平平衡衡条条件件：欲欲使使电电桥桥平平衡衡，其其相相邻邻两两臂臂电电阻阻的的比比值值应应相相等等，或或相相对对两两臂臂电电阻阻的的乘乘积积应应相相等。等。电桥平衡条件

4、电桥平衡条件2022/11/46 引引入入原原因因：由由于于应应变变电电桥桥输输出出电电压压很很小小，一一般般都都要要加加放放大大器器，而而直直流流放放大大器器易易于于产产生生零零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。漂，因此应变电桥多采用交流电桥。交流电桥输出交流电桥输出：2.交流电桥交流电桥2022/11/47电桥平衡条件电桥平衡条件：Uo=0，即，即 Z1Z4=Z2Z3有有:交流电桥的平衡条件必须同时满足阻抗的模交流电桥的平衡条件必须同时满足阻抗的模和幅角两个条件。和幅角两个条件。2022/11/481.分类分类按所用电源分：直流电桥、交流电桥按所用电源分：直流电桥、交流电桥按电桥工作方式分：

5、平衡电桥、不平衡电按电桥工作方式分：平衡电桥、不平衡电桥桥按被测电阻的接入方式分：单臂电桥、差按被测电阻的接入方式分：单臂电桥、差动电桥动电桥二、电桥的分类与应用二、电桥的分类与应用2022/11/49单、双差动电桥单、双差动电桥 减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法2022/11/4102.电桥的应用电桥的应用（1）平衡状态的应用平衡状态的应用基于零测法基于零测法适于测量静态值适于测量静态值（2）不平衡状态的应用）不平衡状态的应用基于偏差测量法基于偏差测量法可测量动态值与静态值可测量动态值与静态值常态时电桥平衡，输出电压为零；常态时电桥平衡，输出电压为零；测量时，被测物理量引

6、起桥路电阻变化，电测量时，被测物理量引起桥路电阻变化，电桥失去平衡，输出电压随被测物理量的变化而桥失去平衡，输出电压随被测物理量的变化而变化变化2022/11/4112022/11/412解解(1)根据电桥平衡原理有：根据电桥平衡原理有：RBR0=2R0RtRB=2Rt=4R0（1+0.01t）(2)当当t=20时，时，RB=4R0（1+0.01t）=48k当当t=40时，时，RB=4R0（1+0.01t）=56kRB的变化范围为的变化范围为48k56k2022/11/413三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标1.电桥的灵敏度电桥的灵敏度当当某某一一桥桥臂臂电电阻阻变变化化R，其其它它

7、桥桥臂臂固固定定不不变变时时，则则电电桥桥输输出出电电压压Uo有有一一变变化化量量U，电电桥桥的的灵灵敏敏度度规规定定为为电电压压的的相相对对变变化化量量与与电电阻阻的的相相对对变化量之比，变化量之比，即即:2022/11/4142.电桥的非线性误差电桥的非线性误差电桥的电桥的非线性误差定义非线性误差定义为：为：式式中中，U0为为电电桥桥的的实实际际输输出出电电压压；U0S为为电电桥桥的的线线性性化化输输出出电电压压（理理想想输输出电压）。出电压）。2022/11/415（1）单臂电桥分析单臂电桥分析当桥臂电阻当桥臂电阻R1有一变化量有一变化量R1，其它桥臂，其它桥臂固定不变时，则电桥失去平衡

8、，输出电压固定不变时，则电桥失去平衡，输出电压Uo为：为：2022/11/416令令=R1/R1，当桥臂电阻，当桥臂电阻R1=R2，R3=R4时，时，上式为：上式为：忽略分母上的忽略分母上的/2，可得线性输出电压为：，可得线性输出电压为：2022/11/417则电桥的则电桥的非线性误差非线性误差为：为：显显然然，输输入入变变化化量量越越大大，非非线线性性误误差越大。差越大。单臂电桥的输出电压灵敏度为：单臂电桥的输出电压灵敏度为：2022/11/418（2）差差动动半半桥桥：在在试试件件上上安安装装两两个个工工作作应应变变片片，一一个个受受拉拉应应变变，一一个个受受压压应应变变，接接入入电电桥桥

9、相相邻邻桥桥臂臂。该该电电桥输出电压为桥输出电压为 若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得，则得 显然：显然：Uo与与R1/R1成成线性线性关系，无非线性误差，关系，无非线性误差，电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍。电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍。2022/11/419单、双差动电桥单、双差动电桥 减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法2022/11/420(3)全全桥桥差差动动：电电桥桥四四臂臂接接入入四四片片应应变变片片，即即两两个个受受拉拉应应变变，两两个个受受压压应应变变，将将两两个个应应变变符符号号相相同同的的接接入入相相对桥臂上。对桥臂上。R1=R2=R3=R4

10、，且，且R1=R2=R3=R4，则，则 结结论论：全全桥桥差差动动电电路路不不仅仅没没有有非非线线性性误误差差，而而且且电压灵敏度为单片工作时的电压灵敏度为单片工作时的4倍。倍。2022/11/421 四、电桥的调零四、电桥的调零1.串联调零电路串联调零电路调零电位器阻值调零电位器阻值R5较小较小2.并联调零电路并联调零电路R5较大较大串联调零示意图串联调零示意图2022/11/423分析：分析：电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度正正比比于于电电桥桥电电源源电电压压，供供电电电电压压越越高高，电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度越越高高，但但供供电电电电压压的的提提高高受受到到桥桥路路电电阻阻（应应变变片片

11、）允允许许功功耗耗的的限限制制，所所以以要要作作适适当选择；当选择；电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度是是桥桥臂臂电电阻阻比比值值n的的函函数数，恰恰当当地地选选择择桥桥臂臂比比n的的值值，保保证证电电桥桥具具有有较较高高的的电电压压灵灵敏敏度。度。？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？2022/11/424第第三三节节 调制与解调调制与解调通过传感器输出的电信号一般多为微弱、通过传感器输出的电信号一般多为微弱、变化缓慢的非周期信号，需要进行放大和某些变化缓慢的非周期信号，需要进行放大和某些处理后才能送到显示仪及计算机等。对于微弱处理后才能送到显示仪及计算机等。对于微弱的、变换缓慢的、类似于直流

12、的信号，若采用的、变换缓慢的、类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大，零点漂移会影响测一般直流放大器进行放大，零点漂移会影响测量精度。量精度。常用调制器将直流信号先变成某种频率的常用调制器将直流信号先变成某种频率的交流信号，经过变流放大后，在通过解调器，交流信号，经过变流放大后，在通过解调器，使交流信号重新恢复到原来的被测信号。使交流信号重新恢复到原来的被测信号。2022/11/425滤滤波波器器:只只允允许许某某一一频频带带的的信信号号通通过过或或只阻止某一频带信号通过的装置。只阻止某一频带信号通过的装置。滤滤波波方方式式:无无源源滤滤波波、有有源源滤滤波波、数数字字滤波滤波 一、无

13、源波滤器一、无源波滤器无无源源滤滤波波器器电电路路简简单单，带带负负载载能能力力差差，用于对用于对滤波要求不高滤波要求不高的场合。的场合。第四节第四节 滤波器滤波器2022/11/426输出电压为：输出电压为：1.一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器2022/11/427幅频特性为：幅频特性为：=0时，时，A（）=1；=1/RC时，时，A（）=0.707；截止频率；截止频率=时，时，A（）=02022/11/428相频特性为：相频特性为：=0时，时，（）=0；=1/RC时，时，（）=-/4；=时，时，（）=-/22022/11/429滤滤波波器器仍仍为为RC串串联联电电路路，但但从从电阻两端输出电

14、压：电阻两端输出电压：2.一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器2022/11/4302022/11/4313.带带通通滤滤波波器器用用于于通通过过某某一一频频段段的的信信号号，而将此频段以外的信号加以抑制。而将此频段以外的信号加以抑制。对对一一RLC串串联联电电路路，当当从从电电阻阻两两端端输输出出电电压时：压时：2022/11/432当当L=1/C时时，幅幅值值最最大大，对对应应的的频频率率称称为为称为固有角频率（中心角频率）称为固有角频率（中心角频率）2022/11/433当当输输出出电电压压下下降降到到输输入入电电压压的的0.707倍倍时时的的截截止止角角频频率率分分别别为为下下限限角角频频

15、率率1和和上上限限角角频频率率2，在在1 Y，则本次采样值用上次采样值代替，则本次采样值用上次采样值代替，即为：即为：0.301若两次采样差值若两次采样差值 Y，则取本次采样值。，则取本次采样值。2.算术平均值法算术平均值法3.加权平均滤波法加权平均滤波法2022/11/448将数字信号转换为模拟信号称数将数字信号转换为模拟信号称数-模转换模转换将模拟信号转换为数字信号称模将模拟信号转换为数字信号称模-数转换数转换传感器传感器A/DC数字计算机数字计算机D/AC模拟控制模拟控制控制对象控制对象数数字字信信号号模模拟拟信信号号第五节 D/A和A/D转换2022/11/449 2RRF+S0S1S

16、2S3UR2R2R2RRRR2R数码寄存器数码寄存器基准电源基准电源T形电阻网络形电阻网络 DAC原理电路原理电路U0R2R11110000d0Q0Q1Q2Q3d1d2d3MSBLSB电子开关电子开关一、数/模转换原理2022/11/4502RRF+2R2R2RRRR2RIU0R2R+UR+RUR2+RUR22+RUR23+RUR24T形电阻网络形电阻网络 DAC原理电路分析原理电路分析2022/11/4512RRF+2R2R2RRRR2RIU0R2R+UR+RUR2+RUR22+RUR23+RUR24T形电阻网络形电阻网络 DAC原理电路分析原理电路分析+RUR24U0=IRF设设RF=3R2022/11/4522RRF+2R2R2RRRR2RIU0R2R+URR+RUR2+RUR22+RUR232022/11/4532RRF+2R2R2RRRR2RIU0R2R+URR+RUR2+RUR22+RUR23+RUR23U0=IRF设设RF=3R2022/11/454 2RRF+S0S1S2S3UR2R2R2RRRR2R数码数码寄存器寄存器基准电源基准电源U0R2R11110000d0Q0