第10章傳感器的信號處理

第10章傳感器的信號處理

2023/2/22一、教學(xué)目標(biāo)（1）了解傳感器信號的非線性修正。（2）掌握傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換。（3）理解傳感器的干擾抑制技術(shù)。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn)：傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換2、難點(diǎn)：傳感器信號的調(diào)制、放大、轉(zhuǎn)換三、教學(xué)學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)10.1調(diào)制與解調(diào)1、調(diào)制的概念在被測信號上疊加一高頻信號，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。以一個(gè)高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號一般都便于放大和傳輸。在信號調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號作為載波信號。正弦信號的三要素為幅值、頻率和相位，對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。調(diào)制的種類包含以下三種：（1）高頻振蕩的幅度受緩變信號控制時(shí)，稱為調(diào)幅，以AM表示。（2）高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時(shí)，稱為調(diào)頻，以FM表示。（3）高頻振蕩的相位受緩變信號控制時(shí)，稱為調(diào)相，以PM表示。（a）調(diào)頻波（b）調(diào)幅波圖10-2兩種典型的波形2.解調(diào)的概念從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)。所謂解調(diào)就是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信號信息的高頻信號中，把原來信號取出的過程。解調(diào)的目的是為了恢復(fù)原來的信號。10.2信號的放大將傳感器的微弱信號精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(直流1～5V或4～20mA)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)，稱為信號的放大。10.2.1比例放大器1.反相比例放大器圖10-13簡單的反相比例放大器的內(nèi)部電路圖2.同相比例放大器圖10-15同相比例放大器的內(nèi)部電路圖3.差動比例放大器圖10-16差動比例放大器的內(nèi)部電路圖優(yōu)點(diǎn)：能抑制共模信號，抗干擾能力強(qiáng)。10.2.2電橋放大器圖10-18電源接地式電橋放大器的內(nèi)部電路圖10.2.3線性放大器圖10-20線性放大器的內(nèi)部電路圖圖10-20實(shí)際上是在圖10-18的基礎(chǔ)上增加了一級求和電路A2和一級反相電路A3，其電路形成的線性放大器的非線性偏差很小，常用在要求較高精度的測量電路中。10.2.4隔離放大器

隔離放大器是由隔離放大電路組成的，它是一種特殊的測量放大電路，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合。在隔離放大器中信號的耦合方式主要有兩種：一種是通過光電耦合，稱為光電耦合隔離放大器；另一種是通過電磁耦合，即經(jīng)過變壓器傳遞信號，稱為變壓器耦合隔離放大器。1.變壓器耦合隔離放大器圖10-27變壓器耦合隔離放大器的原理圖2.光電耦合隔離放大器圖10-28光電耦合隔離放大器的原理圖10.3信號在傳輸過程中的轉(zhuǎn)換技術(shù)圖10-29典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖10.3.1A/D轉(zhuǎn)換1.A/D轉(zhuǎn)換的概念和原理

1）A/D轉(zhuǎn)換的概念模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為A/D轉(zhuǎn)換。能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的元件稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱為ADC。圖10-31A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理過程2）A/D轉(zhuǎn)換的原理一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過采樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的圖10-33A/D轉(zhuǎn)換的過程10.3.2D/A轉(zhuǎn)換1.D/A轉(zhuǎn)換的概念和原理

1）D/A轉(zhuǎn)換的概念模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為D/A轉(zhuǎn)換。能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的元件稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱為DAC。2）D/A轉(zhuǎn)換的原理把輸入數(shù)字量中每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運(yùn)算放大器求和相加。式中，UREF為參考電壓（V）；Uo為輸出模擬量（V）；D為數(shù)字量。

10.4信號的非線性校正在自動檢測系統(tǒng)中，使用檢測元件把被檢測量轉(zhuǎn)換成電量的時(shí)侯，被檢測量與大多數(shù)檢測元件的輸出電量往往不呈線性關(guān)系，從而導(dǎo)致非線性輸出。導(dǎo)致非線性輸出的原因很多，常見的有：（1）檢測元件變換原理導(dǎo)致的非線性。（2）測量轉(zhuǎn)換電路導(dǎo)致的非線性這些問題的解決有以下三種方法：（1）縮小測量范圍，取近似值。（2）采用非線性指示刻度。（3）加非線性校正環(huán)節(jié)。10.4.1校正曲線的求取圖10-44校正特性的求取方法10.4.2模擬量的非線性校正圖10-45校正特性折線逼近法10.4.3數(shù)字量的非線性校正用軟件進(jìn)行傳感器特性的非線性補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：（1）采用這種方法省去了復(fù)雜的補(bǔ)償硬件電路，簡化了裝置。（2）采用這種方法可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能作用，提高了檢測的準(zhǔn)確性和精度。（3）適當(dāng)改變軟件內(nèi)容就可對不同的傳感器特性進(jìn)行補(bǔ)償，也可利用一臺微機(jī)對多個(gè)通道、多個(gè)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化，一般可分為計(jì)算法、查表法和插值法。

1.計(jì)算法：當(dāng)傳感器的輸入量與輸出量之間有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)，就可以采用計(jì)算法進(jìn)行非線性補(bǔ)償。2.查表法：把被測量的變化分成若干等分點(diǎn)，把等分點(diǎn)和相對應(yīng)的輸出數(shù)值組成一張表格，存放在計(jì)算機(jī)的存儲器中，通過查表程序，直接從表中查出其對應(yīng)的輸出量的數(shù)值。3.插值法：插值法就是用一段簡單的曲線，近似代替這段區(qū)間里的實(shí)際曲線，然后通過近似曲線公式計(jì)算出輸出量。10.5干擾抑制技術(shù)10.5.1干擾的產(chǎn)生

1.干擾影響檢測系統(tǒng)正常工作的各種內(nèi)部和外部因素的總和稱為干擾，有時(shí)也稱干擾為噪聲。2.噪聲噪聲對檢測裝置的影響必須與有用信號共同分析才有意義。衡量噪聲對有用信號的影響常用信噪比（S/N）來表示，它是指在信號通道中，有用信號功率PS與噪聲功率PN之比，或有用信號電壓US與噪聲電壓UN之比。信噪比常用對數(shù)形式來表示，單位為dB.

在測量過程中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對測量結(jié)果的影響。3.干擾與噪聲的關(guān)系（1）噪聲是絕對的，它的產(chǎn)生或存在不受接收者的影響，與有用信號無關(guān)。干擾是相對有用信號而言的，只有噪聲達(dá)到一定數(shù)值，與有用信號一起進(jìn)入智能儀器并影響正常工作才能形成干擾。（2）噪聲與干擾互為因果關(guān)系，噪聲是干擾之因，干擾是噪聲之果，它們之間是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程。（3）干擾在滿足一定條件時(shí)，可以消除。噪聲在一般情況下難以消除，只能減弱。干擾外部干擾內(nèi)部干擾射線輻射干擾溫度干擾化學(xué)干擾濕度干擾機(jī)械干擾

光干擾電磁干擾電源電路干擾元件干擾負(fù)載回路干擾信號通道干擾數(shù)字電路干擾10.5.2干擾的來源10.5.3電磁干擾的概念電磁干擾主要是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低的電磁現(xiàn)象。它是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，通常是由電磁輻射發(fā)生源（如馬達(dá)和機(jī)器）產(chǎn)生的。自然界干擾源

閃電產(chǎn)生電磁場干擾電吹風(fēng)機(jī)干擾電視機(jī)的演示

電吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電磁波干擾以兩種途徑到達(dá)電視機(jī)：一是通過共用的電源插座，二是以空間電磁場傳輸?shù)姆绞接呻娨暀C(jī)的天線接收。應(yīng)設(shè)法切斷這些干擾途徑。10.5.4抗干擾的措施

1屏蔽

屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。2隔離1）光電隔離光電隔離是以光作為媒介在隔離元件的兩端之間進(jìn)行信號傳輸?shù)?，所用的元件是光電耦合器。具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能力。2）變壓器隔離變壓器隔離是利用隔離變壓器將模擬信號電路與數(shù)字信號電路隔離開，也就是把模擬信號的接地點(diǎn)與數(shù)字信號的接地點(diǎn)斷開，以使共模干擾電壓不能構(gòu)成回路，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。另外，隔離后的兩電路應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源供電，切斷兩部分的地線聯(lián)系。3）繼電器隔離電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒有直接的電聯(lián)系，因此，可利用繼電器線圈接收電信號，而利用繼電器的觸點(diǎn)控制和傳輸電信號，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離。圖11-24繼電器隔離的原理圖3濾波濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾頻譜比要接收的信號的頻譜寬得多，因而當(dāng)接收器接收有用信號時(shí)，也會接收干擾信號。（a）交流信號抑制電路（b）輸入信號的阻容濾波電路

圖11-27常見的干擾抑制電路4接地

接地技術(shù)是指將電網(wǎng)的零線及