自動檢測技術第12章-檢測裝置的信號處理技術課件

1、 第一節(jié) 信號的放大與隔離第二節(jié) 信號在傳輸過程中的變換技術第三節(jié) 信號的非線性補償技術第十二章 檢測裝置的信號處理技術 在檢測系統(tǒng)中，被測的非電信號經傳感器后可變換為電信號，如電壓、電流、電阻等。但傳感器輸出的電信號往往很微弱且輸出阻抗高，輸出信號在包含被測信號的同時，又不可避免地被噪聲所污染。 檢測裝置的信號處理是比較復雜的，它包括微弱信號的放大、濾波、隔離、標準化輸出、線性化處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等。 本章介紹信號的放大與隔離、信號的變換、線性化等比較重要的處理技術。第一節(jié)信號的放大與隔離 目前的放大電路幾乎都采用運算放大器，由于其輸入阻抗高，增益大，可靠性高，價格低廉，使用

2、方便，因而得到廣泛應用。一、運算放大器1、反相放大器用運算放大器構成的反相放大器電路如圖所示。根據“虛地” 原理，即，反相放大器的傳遞函數和放大倍數分別為：2、同相放大器采用同相放大器電路，可以得到較高的輸入阻抗。根據“虛地原理”，同相放大器的放大倍數為：二、測量放大器1、測量放大器的特點 運算放大器對微弱信號的放大，僅適用于信號回路不受干擾的情況。然而，傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器的兩個輸出端上經常產生較大的干擾信號，有時是完全相同的，完全相同的干擾信號稱為共模干擾。簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結構的不對稱，抵御共模干擾的能力很差。因此，需要引入另一種形式的放大器，即測量

3、放大器，又稱儀用放大器、數據放大器，它廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。 測量放大器除了對低電平信號進行線性放大外，還擔負著阻抗匹配和抗共模干擾的任務，它具有高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲等特點。2、測量放大器的組成測量放大器的基本電路如圖所示。由三個運算放大器組成，其中、兩個同相放大器組成前級，為對稱結構。差動放大器為后級。測量放大器的放大倍數用下面公式計算：AD521的管腳功能與基本接法如圖所示。3、實用測量放大器（1）AD521放大倍數為：（1）AD522AD522的管腳功能如圖所示。AD522的典型電路如圖

4、所示。三、程控測量放大器 可編程增益放大器 （），它是通用性很強的放大器，其特點是硬件設備少，放大倍數可根據需要通過編程進行控制，使轉換器滿量程信號達到均一化。1、程控測量放大器原理結構圖12-7為程控測量放大器的原理結構圖。圖12-8為實際的程控測量放大器原理圖。2、程控測量放大器的應用智能化數字電壓圖12-9是具有量程自動切換的數字電壓表原理圖。表中采用程控放大器和微處理器，可以很容易實現量程自動切換。設的增益為、三檔。轉換器為位雙積分式。用軟件實現量程自動切換的框圖如圖12-10所示。四、隔離放大器對于模擬量信號的隔離，廣泛采用隔離放大器。隔離放大器按原理分有兩種類型，一種是按變壓器耦合

5、的方式，另一種是利用線性光電耦合器再加相應的補償的方式。第二節(jié)信號在傳輸過程中的變換技術 目前，世界各國均采用直流信號作為統(tǒng)一信號，并將直流電壓和直流電流或作為統(tǒng)一的標準信號。 采用直流信號作為統(tǒng)一的標準信號與交流信號相比有以下優(yōu)點：在信號傳輸線中，直流不受交流感應的影響，干擾問題易于解決；直流不受傳輸線路的電感、電容及負荷性質的影響，不存在相位移問題，使接線簡單；直流信號便于轉換，因而巡回檢測系統(tǒng)都是以直流信號作為輸入信號。一、信號在傳輸過程中變換的意義二、常用的信號變換方法 變換器的作用是將電壓變換為標準的電流信號。圖12-13和圖12-4所示的就是一個及42變換的典型電路。第三節(jié)信號的非

6、線性補償技術 在模擬量自動檢測系統(tǒng)中，一般采用三種方法非線性補償：縮小測量范圍，并取近似值；采用非線性的指示刻度；增加非線性補償環(huán)節(jié)（亦稱線性化器）。增加非線性補償環(huán)節(jié)的方法有：硬件電路的補償方法。微機軟件的補償方法，利用微機的運算功能可以很方便地對一個自動檢測系統(tǒng)的非線性進行補償。一、非線性補償環(huán)節(jié)特性的獲取方法1、解析計算法設圖12-16中所示的傳感器特性解析式為：放大器特性解析式為：要求整個檢測儀表的輸入與輸出特性為：三式聯立求解消去中間變量和可得：2、圖解法 當傳感器等環(huán)節(jié)的非線性特性用解析式表示比較復雜或比較困難時，可用圖解法求取非線性補償環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性曲線。二、非線性補償環(huán)節(jié)

7、的實現方法1、硬件電路實現方法 常用的是利用二極管組成非線性電阻網絡，配合運算放大器產生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得到非線性補償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線。折線逼近法如圖12-18所示，將非線性補償環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用若干個有限的線段代替，然后根據各折點xi和各段折線的斜率ki來設計電路。可以看出，轉折點越多，折線越逼近曲線，精度也越高，但太多則會因電路本身誤差而影響精度。圖12-19是一個最簡單的折點電路圖12-20為精密折點單元電路二、微機軟件的實現方法1、線性插值法 用實驗測出傳感器的輸入輸出數據，利用一次函數進行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。

8、假如傳感器的特性曲線曲率大，可以將該曲線分段插值，把每段曲線用直線近似，即用折線逼近整個曲線。這樣可以按分段線性關系求出輸入值所對應的輸出值。圖12-21所示是用三段直線逼近傳感器等器件的非線性曲線。圖中是被測量，是測量數據。 由于每條直線段的二個端點坐標是已知的，例如圖中直線段的兩端點（，）和（，）是已知的，因此該直線段的斜率可表示為：該直線段上的各點滿足下列方程式：對于折線中任一直線段可以得到： 在實際應用中，預先把每段直線方程的常數及測量數據存于內存儲器中，計算機在進行校正時，首先根據測量值的大小，找到合適的校正直線段，從存儲器中取出該直線段的常數，通過計算獲得實際被測量。線性插值法的程序流程圖2、二次曲線插值法 二次曲線插值法就是用拋物線代替原來的曲線，結果比線性插值法更精確。二次曲線插值法的分段插值如圖12-23所示，圖示曲線可劃分為、三段，每段可用一個二次曲線方程來描述，即：式中每段的系數可通過下述辦法獲得。即在每段中找出任意三點，如圖中的，其對應的值為，然后解聯立方程：圖12-24為二次