傳感器與自動檢測技術(shù)（第二版）檢測系統(tǒng)的信號處理技術(shù)

檢測系統(tǒng)的信號處理技術(shù)9.1信號處理技術(shù)9.2干擾抑制技術(shù)9.3信號的調(diào)制與解調(diào)9.4傳感器的非線性補償傳感器的輸出信號具有種類多、信號微弱、易衰減、非線性、易受干擾等不利于處理的特點。1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路系統(tǒng)。9.1信號處理技術(shù)

9.1.1傳感器信號的預(yù)處理

（1）信號調(diào)理電路——是內(nèi)容極為豐富的各種電路的綜合名稱。具體采用的信號調(diào)理技術(shù)及其電路，由傳感器輸出信號的特性和后續(xù)采樣／保持電路（或A／D轉(zhuǎn)換器）的要求或確定的測量要求所決定。把信號調(diào)整到符合A/D轉(zhuǎn)換器工作所需要的數(shù)值（如放大、衰減、偏移等）；濾除信號中不需要的成分（如低通、帶通、高通、帶阻濾波等）；把信號調(diào)整到進一步處理的需要（如線性修正電路、改善信噪比的“相加平均”電路等）。（2）多路模擬開關(guān)——在控制信號的作用下，按指定的次序把各路模擬信號分時地送至A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。作用：讓許多獨立的模擬信號共享采樣／保持電路和A／D轉(zhuǎn)換等器件。（3）采樣/保持電路（S/H電路）——A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換需要一定的時間，為了保證轉(zhuǎn)換的精度，在模擬信號源與A／D轉(zhuǎn)換器之間接入。

在A／D轉(zhuǎn)換前，應(yīng)使采樣／保持電路處于采樣模式，采樣后使采樣／保持電路處于保持模式。為了提高系統(tǒng)的測量速度，采樣時間越短越好；為了有良好的轉(zhuǎn)換精度，保持時間越長越好?？刂菩盘栞斎氡３謱嶋H保持電壓獲得時間應(yīng)保持電壓延時引入誤差SC采樣保持波形采樣保持原理控制開關(guān)保持電容（4）A／D轉(zhuǎn)換器——把模擬信號輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的輸出。常用的A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近型和雙斜積分型。A/D轉(zhuǎn)換過程包括采樣、量化和編碼三個步驟。（5）接口電路及控制邏輯電路——在A／D轉(zhuǎn)換器與計算機的總線之間加入接口電路以實行電路參數(shù)匹配；邏輯控制電路受控于計算機產(chǎn)生一定時序要求的邏輯控制信號，讓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照規(guī)定的動作次序進行工作。接口電路的功能：實現(xiàn)邏輯電平、驅(qū)動能力的匹配等。邏輯控制電路的功能：實現(xiàn)時序要求上的匹配。Log2580系列現(xiàn)場獨立智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①采樣速率100kHz，16bit分辨率②輸入通道：16單端/8差分模擬信號，可擴至256通道③14個可編程輸入量程，最大可到20V

④可直接測試各種傳感器信號⑤24路通用數(shù)字I/O，16路專用數(shù)字輸入，可擴至208通道性能參數(shù)：PersonalDaqsUSB

接口數(shù)據(jù)采集器CBook2000系列高精度便攜數(shù)據(jù)采集器Cerebus多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.傳感器信號的預(yù)處理方法1）傳感器輸出信號的特點（1）有開關(guān)信號型、模擬信號型（有電壓型、電流型和阻抗型等）、數(shù)字信號型等。（2）一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓僅有0.1μV。（3）輸出阻抗都比較高，傳感器信號輸入到測量轉(zhuǎn)換電路時會產(chǎn)生較大的信號衰減。（4）動態(tài)范圍很寬。（5）輸出與輸入之間的關(guān)系有時不是線性關(guān)系。（6）輸出量會受溫度的影響。2）傳感器信號的預(yù)處理方法傳感器的信號經(jīng)預(yù)處理后，使其成為可供測量、控制及便于向微型計算機輸入的信號形式。傳感器信號預(yù)處理的主要目的：根據(jù)傳感器輸出信號的特點，采取不同的信號處理方法來抑制干擾信號，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修正，從而提高檢測系統(tǒng)的測量精度和線性度。根據(jù)傳感器輸出信號的特點及后續(xù)檢測電路對信號的要求選擇不同的預(yù)處理電路常用的傳感器信號預(yù)處理方法：（1）阻抗變換電路：高阻抗→低阻抗（2）放大電路（3）電流電壓轉(zhuǎn)換電路：輸出電流→輸出電壓（4）頻率電壓轉(zhuǎn)換電路：頻率→輸出電流或電壓（5）電橋電路：電阻、電感和電容值→電流或電壓（6）電荷放大器：電荷量→電壓（7）交-直流轉(zhuǎn)換電路：交流輸出→直流輸出（8）濾波電路：消除噪聲（9）非線性校正電路（10）對數(shù)壓縮電路：對動態(tài)范圍較寬的輸出信號9.1.2信號放大技術(shù)1.儀表放大器及其選擇共模干擾：在傳感器的兩條輸出線上產(chǎn)生的完全相同的干擾。儀表放大器——廣泛用于傳感器信號的放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。1）儀表放大器使用場合：主要用于微小信號的精確測量，在工業(yè)自動控制、多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、航空及生態(tài)研究中，廣泛用于傳感器信號放大、高阻電橋、光電管、生物電放大及高阻比較器等。又稱數(shù)據(jù)放大器，一般由三只高精度運放及精密電阻組成。優(yōu)點：輸入阻抗高、共模抑制比高、噪聲低、穩(wěn)定性好。差分輸入級儀表放大器原理圖增益調(diào)整電阻總的電壓放大倍數(shù)為放大器所采用的上述電路形式，使它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補償以及輸出不包含共模信號等一系列優(yōu)點。調(diào)節(jié)R1可改變放大倍數(shù)。國產(chǎn)儀表放大器組件ZF603～ZF605，它對應(yīng)美國AD公司的AD605。ZF603是一種體積小、價格低的儀表放大器，內(nèi)部有有源調(diào)零線路，可在±10V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)零輸入時的輸出電壓，且不影響共模抑制比，它按溫漂參數(shù)不同分為A、B兩檔，可用于需擴展輸出電流的場合。表9–

1ZF603～ZF605參數(shù)性能表儀表放大器型號ZF603A/BZF604ZF605參數(shù)名稱條件單位最小典型最大最小典型最大最小典型最大增益范圍-倍1-10001-10001-1000失調(diào)電壓G=1000mV可調(diào)零可調(diào)零-0.20.3輸入電流-nA-5080-5080-3050共模抑制比G=1000dB94100-94100-100110-輸出電流VOPP=±10VmA810-810-25-失調(diào)電壓溫漂G=1000μV/oC7/251增益精度G=100%0.20.20.1非線性畸變G=100%0.050.050.02大信號帶寬G=1kHz252515輸入噪聲G=10000.1Hz～10HzμV221.5輸入阻抗-Ω108109109輸入電壓-V±10±10±10外形尺寸-mm22×22×1228×28×1838×38×14注：組件可在-40oC～85oC范圍內(nèi)工作，溫漂參數(shù)在正溫區(qū)內(nèi)測得。ZF605儀表放大器原理圖及管腳排列圖如下圖(a)、(b)所示，圖中2、3端接增益調(diào)整電阻RG。(a)ZF605儀表放大器原理圖(b)ZF605儀表放大器引腳圖（引腳向上）反向輸入2）儀表放大器的選擇（3）高抗干擾性能（4）高輸入阻抗應(yīng)具有如下性能要求：（1）低噪聲（2）高穩(wěn)定性、低漂移（5）高共模抑制比（6）高線性度（7）適宜的頻率特性2．隔離放大器1）隔離放大器的應(yīng)用場合主要功能：在輸入信號與輸出信號之間提供優(yōu)良的歐姆隔離。特點：兩個輸入端完全浮離，輸入與輸出回路之間電絕緣！隔離放大器和普通放大器的區(qū)別？隔離放大器的輸入和輸出信號之間通過光耦等元件隔離開，彼此之間沒有直接電位的聯(lián)系，而普通放大器的輸入和輸出信號都是共地的，有電氣上的直接連接。主要應(yīng)用場合：（4）必須浮地連接的信號源，例如在低電平信號測量中避免地線環(huán)路和噪聲的影響。（1）測量放大疊加在高共模電壓上的低電平信號，例如有關(guān)電力環(huán)境的測量。（2）需要高電壓隔離和極低的漏電流，例如醫(yī)療用的病人監(jiān)護儀器。（3）對電子儀器提供保護，防止高壓對儀器產(chǎn)生故障和損壞。

反饋信號不能從輸出端取出，而由輸入部分反饋端取出加在隔離集成運放的反相輸入端。隔離集成運放的符號和基本引線端2）隔離放大器的隔離指標隔離指標一般有以下幾項：（1）絕緣阻抗：輸入公共端與輸出公共端之間的等效阻抗，即右圖中虛線所示的R1與Cc的并聯(lián)阻抗值。（2）絕緣電壓范圍：在保持隔離集成運放特性參數(shù)不超過允許值的情況下，輸入公共端與輸出公共端之間允許加的最大電壓（包括脈沖電壓）值。（3）絕緣電壓抑制比：當輸入級、隔離級的失調(diào)電壓為零時，反相端的電壓差與輸出電壓之比。失調(diào)電壓：使放大器輸出為零時，輸入端加的補償電壓。9.2干擾抑制技術(shù)

自動檢測系統(tǒng)在工作的過程中，有時可能會出現(xiàn)某些不正常的現(xiàn)象，這表明存在著來自外部和內(nèi)部影響其正常工作的各種因素，尤其是當被測信號很微弱時，問題就更加突出。這些因素總稱為“干擾”。干擾不但會造成測量誤差，有的甚至還會引起系統(tǒng)紊亂，導致生產(chǎn)事故。因此，在自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝和使用中都必須充分注意干擾抑制問題。干擾的例子：電磁信號干擾器手機干擾器9.2.1干擾的來源1.機械的干擾根據(jù)產(chǎn)生干擾的物理原因指由于機械振動或沖擊（包括聲波的干擾），使傳感器裝置中的元件發(fā)生振動、變形，使連接導線發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動。對于機械的干擾主要是采用減振措施來解決，例如使用減振彈簧或減振橡皮墊等。2．熱的干擾在工作時傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動和環(huán)境溫度的變化等都會引起檢測電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，或產(chǎn)生附加的熱電動勢等，從而影響了傳感器系統(tǒng)的正常工作。對于熱的干擾，工程上通常采用熱屏蔽、恒溫措施、對稱平衡結(jié)構(gòu)和溫度補償元件等方法進行抑制。3.光的干擾閃電擊中摩天樓戰(zhàn)斗機發(fā)射曳光干擾彈半導體材料在光線的作用下會激發(fā)出電子空穴對，使半導體元器件產(chǎn)生電勢或引起阻值的變化。半導體元器件應(yīng)封裝在不透光的殼體內(nèi)，對于具有光敏作用的元件，尤其應(yīng)注意光的屏蔽問題。4．濕度變化的影響下雨的路面濕度增加會使元器件的絕緣電阻下降，漏電流增加，高值電阻的阻值下降，電介質(zhì)的介電常數(shù)增加，吸潮的線圈骨架膨脹等。在南方潮濕地帶、船舶及鍋爐等地方，更應(yīng)注意密封防潮措施。例如，電氣元件印制電路板的浸漆、環(huán)氧樹脂封灌和硅橡膠封灌等均是強有力的防濕措施。5．化學的干擾金屬的腐蝕銅晶界的腐蝕化學物品，如酸堿鹽及腐蝕性氣體等，會通過化學腐蝕作用損壞傳感器裝置，因此，良好的密封和注意清潔是十分必要的。6．電和磁的干擾閃電是很強的電磁干擾信號電焊也是很強的電磁干擾信號源電和磁可以通過電路和磁路對傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用，電場和磁場的變化也會在有關(guān)電路中感應(yīng)出干擾電壓。傳感器系統(tǒng)最普遍和影響最嚴重的干擾7．射線輻射的干擾切爾諾貝利核泄漏事故現(xiàn)場的資料照片射線會使氣體電離、半導體激發(fā)電子-空穴對、金屬逸出電子，等等，因而用于原子能、核裝置等領(lǐng)域內(nèi)的傳感器系統(tǒng)，尤其要注意射線輻射對傳感器系統(tǒng)的干擾。受到核污染的患者宇宙中超大質(zhì)量的黑洞天體發(fā)生高能離子輻射時的效果圖9.2.2信噪比和電磁兼容性1.信噪比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。表示噪聲對有用信號影響的大小2．電磁兼容性

電磁兼容是指電子系統(tǒng)在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能正常工作的能力，而且還不允許產(chǎn)生超過規(guī)定的電磁干擾信號。自然界干擾源人為干擾源宇宙射電噪聲大氣層的雷電噪聲等太陽耀斑輻射噪聲有意發(fā)射干擾源無意發(fā)射干擾源電磁干擾源可分為：9.2.3電磁干擾的途徑電磁干擾的途徑有“路”和“場”兩種形式。1）漏電流耦合形成的干擾1．通過“路”的干擾由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流所引起的噪聲干擾。2）傳導耦合形成的干擾當導線經(jīng)過具有噪聲的環(huán)境時，即拾取噪聲，并經(jīng)導線傳送到電路而造成干擾。3）共阻抗耦合形成的干擾共阻抗耦合是由于兩個電路共有阻抗，當一個電路中有電流流過時，通過共有阻抗便在另一個電路上產(chǎn)生干擾電壓。2．通過“場”的干擾1）靜電耦合形成的干擾電場耦合實質(zhì)上是電容性耦合，它是由于兩個電路之間存在寄生電容，可使一個電路的電荷變化影響到另一個電路。2）電磁耦合形成的干擾3）輻射電磁場耦合形成的干擾電磁耦合又稱互感耦合，它是在兩個電路之間存在互感，一個電路的電流變化，通過磁交鏈會影響到另一個電路。輻射電磁場通常來源于大功率高頻電氣設(shè)備、廣播發(fā)射臺和電視發(fā)射臺等。如果在輻射電磁場中放置一個導體，則在導體上產(chǎn)生正比于電場強度的感應(yīng)電動勢。9.2.4抑制電磁干擾的基本措施電磁干擾的形成必須同時具備三個要素，即干擾源、干擾途徑以及對電磁噪聲敏感性較高的接收電路——檢測裝置的前級電路。形成電磁干擾的三要素之間的聯(lián)系干擾源干擾途徑接收電路

抑制電磁干擾的基本措施：1.消除或抑制干擾源2．破壞干擾途徑3．削弱接收電路對電磁干擾的敏感性以上三個方面的措施可用疾病的預(yù)防來比喻，即消滅病菌來源、阻止病菌傳播和提高人體的抵抗能力。1．屏蔽技術(shù)9.2.5抗電磁干擾技術(shù)（電磁兼容控制技術(shù)）利用金屬材料制成容器，將需要防護的電路包在其中，可以防止電場或磁場的耦合干擾，此種方法稱為屏蔽。1）靜電屏蔽以銅或鋁等導電性良好的金屬制作封閉的容器并與地線連接，把需要屏蔽的電路置于其中。采用導電良好的金屬材料作屏蔽罩，利用電渦流原理，使高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生電渦流，消耗干擾磁場的能量，并利用渦流磁場抵消高頻干擾磁場，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻電磁場的影響。2）電磁屏蔽

若將電磁屏蔽層接地，則同時兼有靜電屏蔽作用。通常使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜就能同時起電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。收音機－屏蔽網(wǎng)房防電腦顯示器輻射的屏蔽罩程控交換機屏蔽機柜3）低頻磁屏蔽低頻磁屏蔽材料采用高導磁材料作屏蔽層，將低頻干擾磁力線限制在磁阻很小的磁屏蔽層內(nèi)部，使屏蔽層內(nèi)的電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。在干擾嚴重的地方常使用復(fù)合屏蔽電纜，其最外層是低磁導率、高飽和的鐵磁材料，最里層是銅質(zhì)電磁屏蔽層，以便一步步地消耗掉干擾磁場的能量。在工業(yè)中常用的辦法是將屏蔽線穿在鐵質(zhì)蛇皮管或普通鐵管內(nèi)，以達到雙重屏蔽的目的。2．接地技術(shù)1—接線盒；2—大地；3—熔斷器；4—相線；5—中性線；6—保護地線；7—電氣設(shè)備；8—外殼1）地線的種類導線接地起源于強電技術(shù)，它的本意是接大地，主要著眼于安全。這種地線也稱為“保護地線”。下圖所示為電氣設(shè)備接大地的示意圖。通常將儀器設(shè)備中的公共參考端稱為信號地線。（1）模擬信號地線信號地線又可分為以下幾種：（2）數(shù)字信號地線（3）信號源地線（4）負載地線（1）單級電路的一點接地原則。2）一點接地原則圖(a)中有8個線端要接地；如果將這8個線端接在接地母線的任意點上，這幾個點可能相距較遠，不同點之間的電位差就有可能成為這級電路的干擾信號，因此應(yīng)采取圖(b)所示的一點接地方式。接地母線（2）多級電路的一點接地原則。

串聯(lián)接地方式：多級電路利用一段公用地線，在這段公用地線上存在著A、B、C點不同的對地電位差，有可能產(chǎn)生共阻抗干擾。只有在數(shù)字電路或放大倍數(shù)不大的模擬電路中，為布線簡便起見，才采取上述電路，但也應(yīng)注意以下兩個原則：一是公用地線截面積應(yīng)盡量大些，以減小地線的內(nèi)阻；二是應(yīng)把最低電平的電路放在距離接地點最近的地方，即A點接地。公用地線

并聯(lián)接地方式：不易產(chǎn)生共阻耦合干擾，但需要很多根地線，在高頻時反而會引起各地線之間的互感耦合干擾，因此只在頻率為lMHz以下時才予采用。當頻率較高時，應(yīng)采取大面積的地線，這時允許多點接地，這是因為接地面積十分大，內(nèi)阻很低，反而易產(chǎn)生級與級之間的共阻抗耦合。（3）傳感器系統(tǒng)的一點接地原則。(a)系統(tǒng)兩點接地l，2—信號傳輸線；3—傳感器外殼；4—測量系統(tǒng)外殼；5—大地電位差傳感元件與測量裝置構(gòu)成了一個完整的傳感器系統(tǒng)，兩者之間可能相距甚遠，所以這兩個部分的接地點之間的電位一般是不相等的，電位差可能高達幾伏甚至幾十伏，稱為大地電位差。若將傳感元件、測量裝置的零電位在兩處分別接地，會有很大的電流流過信號傳輸線，在Zi2上產(chǎn)生電壓降，造成干擾。(b)系統(tǒng)一點接地l，2—信號傳輸線；3—傳感器外殼；4—測量系統(tǒng)外殼；5—大地電位差為避免這種現(xiàn)象，應(yīng)采取系統(tǒng)一點接地的方法，大地電位差只能通過分布電容Ci1、Ci2構(gòu)成回路，干擾電流大為減小。若進一步采用屏蔽浮置的辦法就能更好地克服大地電位差引起的干擾。3.浮置技術(shù)

浮置指模擬輸入信號放大器的公共線（即模擬信號地線）不接機殼或大地。浮置與屏蔽接地相反，是阻斷干擾電流的通路，檢測系統(tǒng)被浮置后能大大減小共模干擾電流。4.平衡電路平衡電路又稱對稱電路。例如，電橋電路和差分放大器等電路就屬于平衡電路。采用平衡電路可以使對稱電路結(jié)構(gòu)獲得的噪聲相等，并可以在負載上自行抵消。

5．濾波技術(shù)濾波器是抑制噪聲干擾的重要手段之一。濾波技術(shù)就是用電容和電感線圈或電容和電阻組成濾波器接在電源輸出端、測量線路輸入端、放大器輸入端或測量橋路與放大器之間，以阻止干擾信號進入放大器，使干擾信號衰減。常用的是RC型、LC型及雙T型等形成的無源濾波器或有源濾波器。6.光電耦合技術(shù)（1）輸入、輸出回路絕緣電阻高（大于1010Ω）、耐壓超過1kV；（2）因為光的傳輸是單向的，所以輸出信號不會反饋影響輸入端；（3）輸入輸出回路完全是隔離的，能很好地解決不同電位、不同邏輯電路之間的隔離和傳輸?shù)拿堋?/p>

光電耦合器是一種電→光→電耦合器件。目前，檢測系統(tǒng)越來越多地采用光電耦合器來提高抗干擾能力。光電耦合器有如下特點：信號的調(diào)制與解調(diào)：把傳感器輸出的緩變信號先變成具有高頻率的交流信號，進行放大和傳輸，再還原成原來頻率但已被放大的信號的過程。

調(diào)制：利用緩變信號來控制高頻振蕩的過程。調(diào)幅AM：高頻振蕩的幅度受緩變信號控制調(diào)頻FM：高頻振蕩的頻率受緩變信號控制調(diào)相PM：高頻振蕩的相位受緩變信號控制9.3信號的調(diào)制與解調(diào)9.3.1信號調(diào)制的概念調(diào)幅AM原理動畫演示調(diào)頻FM原理動畫演示調(diào)相PM原理動畫演示調(diào)制信號：控制高頻振蕩的緩變信號。解調(diào)：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。載波：載送緩變信號的高頻振蕩信號。調(diào)制波：已被緩變信號調(diào)制的高頻振蕩。調(diào)幅波調(diào)頻波調(diào)相波已調(diào)波

K—接法系數(shù)電橋的輸出與輸入關(guān)系通式為單臂橋接法半橋接法全橋接法ΔR—電橋輸入ui

—電橋的激勵電壓uo—輸出電壓9.3.2電橋調(diào)幅的原理當時：從信號調(diào)制角度說，電橋激勵電壓ui是調(diào)制過程的載波，電橋的輸入ΔR是調(diào)制過程的調(diào)制信號，電橋的輸出uo是調(diào)制過程的調(diào)制波。電橋輸出電壓uo的幅值隨輸入信號R（t）而變，受R（t）的控制。電橋調(diào)幅的輸出、輸入關(guān)系

調(diào)幅器包絡(luò)線：調(diào)制波的波峰的連線包絡(luò)線與調(diào)制信號的逼近程度表征了調(diào)制的精度。相敏檢波器（或稱相敏解調(diào)器）：能夠辨別調(diào)制信號極性（相位）的解調(diào)器。解調(diào)過程：調(diào)幅波經(jīng)過相敏檢波后，反映出調(diào)制信號的幅值和極性。再通過低通濾波器，可得到與信號一致，但放大了的信號，達到了解調(diào)的目的。9.3.3電橋調(diào)幅波的解調(diào)二極管相敏檢波器的結(jié)構(gòu)和輸出、輸入的關(guān)系A(chǔ)B調(diào)幅波參考電壓參考電壓與調(diào)幅波同頻同相或同頻反相（取決于調(diào)制信號的極性），幅值遠大于調(diào)幅波，以便有效控制四個二極管的狀態(tài)。二極管相敏檢波器的結(jié)構(gòu)和輸出、輸入的關(guān)系A(chǔ)B調(diào)幅波參考電壓解調(diào)器的輸出電壓（a）載波（b）調(diào)制信號（c）調(diào)幅波（d）解調(diào)后信號（e）輸出波調(diào)幅波在調(diào)制和解調(diào)時各瞬時波形圖隨調(diào)制信號的幅值與極性變化而變化的高頻波調(diào)幅器低通濾波器相敏檢波器Y6D-3型動態(tài)應(yīng)變儀調(diào)制過程各環(huán)節(jié)的波形

低通濾波電壓（電流）9.3.4應(yīng)用舉例9.4傳感器的非線性補償在傳感器和檢測系統(tǒng)中，特別是傳感器的輸出量與被測物理量之間的關(guān)系，絕大部分是非線性的。造成非線性的原因主要有兩個：一是許多傳感器的轉(zhuǎn)換原理非線性；二是采用的測量電路非線性。對于這類問題的解決，常采用增加非線性補償環(huán)節(jié)的方法。常用的增加非線性補償環(huán)節(jié)的方法有：（1）硬件電路的補償方法通常是采用模擬電路、數(shù)字電路，如二極管陣列開方器，各種對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)運算放大器，數(shù)字控制分段校正、非線性A/D轉(zhuǎn)換等。（2）微機軟件的補償方法利用微機的運算功能進行非線性補償。9.4.1非線性補償環(huán)節(jié)特性的獲取方法為保證傳感與檢測系統(tǒng)的輸入輸出具有線性關(guān)系，必須獲得非線性補償環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。工程上求取非線性補償環(huán)節(jié)特性有兩種方法，分述如下。1.解析計算法已知下圖中所示的傳感器特性解析式U1

=f1（x）、放大器特性的解析式U2

=GU1和要求整個檢測儀表的輸入與輸出特性U0

=f2（U2），將以上三式聯(lián)立求解，消去中間變量可得非線性補償環(huán)節(jié)的輸入與輸出關(guān)系表達式。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(fù)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。圖解法的步驟如下（見下圖）：（1）將傳感器的輸入與輸出特性曲線U1

=f1（x）畫在直角坐標的第一象限。（2）將放大器的輸入與輸出特性U2

=GU1畫在第二象限。（3）將整臺測量儀表的線性特性畫在第四象限。（4）將x軸分成n段，段數(shù)n由精度要求決定。由點1，2，…，n各作x軸垂線，分別與第一、四象限中特性曲線交于11，12，13，…，1n及41，42，43，…，4n各點。再以第一象限各點作x軸的平行線與第二象限中特性曲線交于21，22，23，…，2n各點。（5）由第二象限各點作x軸垂線，再由第四象限各點作x軸平行線，兩者在第三象限的交點連線即為校正曲線U0

=f2（U2）。這也就是非線性補償環(huán)節(jié)的非線性特性曲線。9.4.2非線性補償環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方法1.硬件電路的實現(xiàn)方法目前最常用的是利用由二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運算放大器產(chǎn)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。折線逼近法如右圖所示，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(jù)各折點xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計電路。可以看出，轉(zhuǎn)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。右圖所示是一個最簡單的折點電路，其中E決定了轉(zhuǎn)折點的偏置電壓，二極管VD做開關(guān)用，其轉(zhuǎn)折電壓為：（10–

2）式中，UD為二極管的正向壓降。由式（10–

2）可知，轉(zhuǎn)折電壓不僅與E有關(guān)，還與二極管的正向壓降UD有關(guān)。下圖所示為精密折點單元電路，它是由理想二極管與基準電源E組成的。當Ui與E之和為正時，運算放大器的輸出為負，VD2導通，VD1截止，電路輸出為零。當Ui與E之和為負時，VD1導通，VD2截止，電路組成一個反饋放大器，輸出電壓隨Ui的變化而改變，有在這種電路中，折點電壓只取決于基準電壓E，避免了二極管正向電壓UD的影響，在這種精密折點單元電路組成的線性化電路中，各折點的電壓將是穩(wěn)定的。

（10–

3）2.微機軟件的實現(xiàn)方法采用硬件電路雖然可以補償測量系統(tǒng)的非線性，但由于硬件電路復(fù)雜、調(diào)試困難、精度低、通用性差，很難達到理想效果。在有微機的智能化檢測系統(tǒng)中，利用軟件功能可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的非線性補償，這種方法實現(xiàn)線性化的精度高、成本低、通用性強。線性化的軟件處理經(jīng)常采用的有線性插值法、二次曲線插值法、查表法。1）線性插值法

線性插值法就是先用實驗測出傳感器的輸入輸出數(shù)據(jù)，利用一次函數(shù)進行插值，用直線逼近傳感器的特性曲線。假如傳感器的特性曲線曲率大，可以將該曲線分段插值，用折線逼近整個曲線，這樣可以按分段線性關(guān)系求出輸入值所對應(yīng)的輸出值。下圖是用三段直線逼近傳感器等器件的非線性曲線。圖中y是被測量，x是測量數(shù)據(jù)。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2的兩端點（x1，y1）和（x2，y2）是已知的，因此該直線段的斜率也可表示為：

（10–

4）該直線段上的各點滿足方程式：對于折線中任一直線段i可以得到：

（10–

5）

（10–

6）在實際應(yīng)用中，預(yù)先把每段直線方程的常數(shù)及測量數(shù)據(jù)，x1，x2，…，xn存于內(nèi)存儲器中，計算機在進行校正時，首先根據(jù)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(shù)，然后計算直線方程式（10–

6）就可獲得實際被測量y。圖10–

16是線性插值法的程序流程圖。線性插值法的線性化精度由折線的段數(shù)決定，所分段數(shù)越多，精度越高，但數(shù)據(jù)所占內(nèi)存越多。一般情況下，只要分段合理，就可獲得良好的線性度和精度。圖10–

16線性插值法的程序流程圖2）二次曲線插值法

若傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，采用線性插值法就會產(chǎn)生很大的誤差。此時可采用二次曲線插值法，就是用拋物線代替原來的曲線，這樣代替的結(jié)果顯然比線性插值法更精確。二次曲線插值法的分段插值如右圖所示，圖示曲線可劃分為a、b、c三段，每段可用一個二次曲線方程來描述，即

（10–

7）式（10–

7）中，每段的系數(shù)ai、bi、ci可通過下述辦法獲得，即在每段中找出任意