传感器信号处理技术

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1、传感器信号处理技术模块二传感器信号处理技术学习目标通过学习要求掌握传感器信号处理常用的基本电路以及传感器信号的放大、处理和转换。为以后学习传感器应用，组成测量系统打下基础。主要内容任务一分析电桥与电桥电源任务二分析传感器信号放大电路任务三分析信号滤波电路任务四分析信号转换电路一.阻抗电桥的构成及平衡条件构成：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。A和C接入电源E，B和D端为输出端。输出电压:桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为0。任务一分析电桥与电桥的电源2.电桥的平衡

2、条件z2z4-z1z3=0——称之为电桥平衡条件或者：z2z4=z1z3——即对边乘积相等若为复阻抗平衡条件可改写为：z2z4=z1z3——模平衡条件——相位平衡条件电桥与电桥的电源直流电桥：当电桥的电源为直流。直流电桥的桥臂只能是电阻。如右图所示为最常用的电阻电桥，有四个电阻组成桥臂，一个对角接电源，另一个作为输出。（1）桥路形式当四臂电阻相等时，为等臂电桥；当R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R，R2=R3=R’(R≠R’)时，称为电源对称电桥。直流电桥电桥与电桥的电

3、源（2）工作方式单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥形式灵敏度最高，结构最复杂，要综合考虑选择。直流电桥电桥与电桥的电源（3）输出方式电桥的输出方式根据负载情况有电流型和电压型两种a.电流输出型：当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载时，如下图所示，可得：直流电桥电桥与电桥的电源b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗

4、很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为直流电桥电桥与电桥的电源对于单臂电桥R1=R2=R3=R4=R，当R1的电阻增量ΔR1=ΔR时，可得输出电压为对于全桥等臂输出R1=R2=R3=R4=R，当R1的电阻增量ΔR1=ΔR时，可得输出电压为直流电桥电桥与电桥的电源交流电桥通常是采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响，主要用于随时间变化的被测量。如右图。交流电桥电桥与电桥的电源（1）平衡条件设交流电桥的电源电压为，

5、式中，Um为电源电压的幅值；ω为电源电压的角频率，ω=2πf；f为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的5--10倍。输出电压可用下式表示：交流电桥电桥与电桥的电源任务二分析传感器信号放大电路测量放大器在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这样特点的放大器称为测量放大器或仪用放大器。传感器信号放大电路测量放大器＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRU

6、o2RLA3RiUo图中三个运放组成的测量放大器,差动输入端U1和U2分别是两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端,因此输入阻抗很高。采用对称电路结构,而且被测信号直接加入到输入端上,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由左式确定：AD522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。由于AD522具有低电压漂移(2μV/℃)、低非线性(0.005％，增益为100时)、高共模抑制比(>110dB,增益为1000时)、低噪声(1.5V（P-P）,0

7、.1～100Hz)、低失调电压(100V)等特点,因而可用于许多12位数据采集系统中。左图为AD522的典型接法。传感器信号放大电路测量放大器U＋＋Ui－UiRG8114236139111874510kWAD522输出基准µØ地U－AD522的外围电路利用数据防护端可以克服上述影响。对于无此端子的仪器用放大器,如AD524、AD624等,可在RG2端取得共模电压,再用一运放作为它的输出缓冲屏蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放,以减少偏流流经增益电阻时对增益产生的误差。传感器信号放大电路测量放大器利

8、用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为而当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为选择不同的开关闭合,即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择,即可实现程控增益变换。传感器信号放大电路程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR¡äAD521和模