U out
RFUin R1
(10-7)
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10.2 传感器信号检测电路
式中的负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数只取 决泛于应用RF于与各R1种的比比例值运，算具中有。很大的灵活性，因此反相放大器广
(2) 同相放大器
图输相1入放0端大-3(加器b)入的是， 输同而 出相输 电放出 压大电U器o压的ut可U基由o本ut通下电过式路确R。F定反输，馈入即到电反压相U输in直入接端从。同同相
(10-2)
当时电，桥电桥4个的臂平的衡电被阻打发破生，变电化桥而此产时生的增输量出电R1压、为R2、R3、 R4
U out
R1R4U (R1 R4 )2
( R4 R4
R3 R3
R2 R2
R1 ) R1
(10-3)
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10.2 传感器信号检测电路
若取 a R4 R3 ，则
差动放大器U最out突出RRF1的(U优2点是U1能) 够抑制共模信号。(10共-9模) 信号是
指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号。理想的
差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零，所以差动放大
器零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信
号，它们也会被差动放大器所抑制，所以说差动放大器的抗
第10章 传感器接口电路
10.1 传感器输出信号的特点和处理方法 10.2 传感器信号检测电路 10.3 传感器与微型计算机的连接 10.4 传感器接口电路应用实例
10.1 传感器输出信号的特点和处理 方法
10.1.1 输出信号的特点
要对传感器的输出信号进行处理，必须了解传感器输出信号 的特点才能选择合适的处理方案。
了关为方，100便例p条如F，件，要。 当求但C测f=是1量0，0精0测p度F量,为K精=11度%04却时，与，C配允a=接1许0电0电p缆F缆，的的电分长缆布度分电约布容为电C0容有 1000m，当要求的精度为0.1%时，则允许电缆的长度仅有 100m。
5. 传感器与放大电路配接的示例
图10-5所示是应变片式传感器与测量电桥配接的放大电路。
10.2.1 检测电路的形式
有许多非电量检测技术要求对被测量与某一定值的判断进行 比较，当达到确定值时，检测系统应输出控制信号。在这种 情况下，大多使用开关型传感器，利用其开关功能，直接控 制元件使用。使用开关型传感器的检测电路比较简单，可以 直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。
当
a
R1
U out
R2
aU
(1 a)2
( R4 R4
R3 R3
=1时，输出灵敏度最高，此时
R2 R2
R1 ) R1
(10-4)
U out
U 4
( R4 R4
R3 R3
R2 R2
R1 ) R1
(10-5)
如果R1=R2=R3=R4，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输 出灵敏度最高，而非线性误差最小，因此在传感器的实际应
用中多采用四等臂电桥。
直流电桥在应用过程中常出现误差，消除误差通常采用补偿 法，其中包括零点平衡补偿、温度补偿和非线性补偿等。
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10.2 传感器信号检测电路
(2) 交流电桥
U
如Z1和图Z102为-2所阻示抗为元交件流，桥它式们电同路时，可其以中为变电压感器或T电的容输，出电为桥双两2臂， 为差动方式，又称为差动交流电桥。在初始状态时，
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10.2 传感器信号检测电路
因此可以把电桥的输出端看成是开路，电路不受负载电阻的
影响。在电桥的另一对角线接点上加有直流电压U：电桥的 输出电压可由下式给出，即
U out
U (R2 R4 R1R3 ) (R1 R4 )(R2 R3 )
电桥的平衡条件为
(10-1)
R2 R4 R1R3 当电桥平衡时，输出电压为零。
定值判断的检测系统中，由于检测对象的原因，也常使用具 有模拟信号输出的传感器。在这种情况下，往往要先由检测 电路进行信号的预处理，再放大，然后用比较器将传感器输 出信号与设置的比较电平相比较。当传感器输出信号达到设 置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，由原来的低电 平转为高电平输出，驱动控制电路及报警电路工作。
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10.2 传感器信号检测电路
3. 放大电路 传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需
要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或 交流信号进行放大处理，为检测系统提供高精度的模拟输入 信号，它对检测系统的精度起着关键作用，如图10-3所示。 目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都由运算 放大器构成。 (1) 反相放大器 图加R确F1到定反0反，-馈3(相即到a)是输反反入相相端输放，入大同端器相。的输反基入相本端放电接大路地器。，的输输输入出出电电电压压压UUUioonuut通t通可过过由电电下阻阻式R1
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10.2 传感器信号检测电路
2. 电桥电路 电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把
传感器的电阻、电容、电感等参数转换为电压或电流，根据 电桥供电电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直 流电桥主要用于电阻式传感器。例如，热敏电阻、电位器等； 交流电桥主要用于电容式传感器和电感式传感器。电阻应变 片传感器大都采用交流电桥，这是因为应变片电桥输出信号 微弱需经放大器进行放大，而使用直流放大器容易产生零点 漂移。此外，应变片与桥路之间采用电缆连接，其引线分布 电容的影响不可忽略，使用交流电桥会消除这些 影响。 (1) 直流电桥 直流电桥的基本电路，如图10-1所示。它是由直流电源供电 的路电的桥一电对路角， 线电 是阻 输出R1、端R，2、一R般3和接R有4构高成输桥入式阻电抗路的的放桥大臂器。，桥
干扰能力极强。
4. 电荷放大器
利用压电式传感器进行测量时，压电元件输出的信号是电荷 量的变化，配上适当的电容后，它的输出电压可高达几十伏 到数百伏，但信号源的内阻很大，信号功率很小。
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10.2 传感器信号检测电路
为此，要在压电元件和检测电路之间配接一个放大器，放大 器应具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。目前用的较多的 是电荷放大器。
电荷放大器是一种带电容反馈的高输入阻抗、高放大倍数的 运算放大器，其优点在于可以避免传输电缆分布电容的影响。
图10-4是用于压电传感器的电荷放大器的等效电路。图中Q为
电R容容F荷，。为量如R反a为果K馈为压忽电运电略阻算传较，放感高C大a器的为器的输压开等入电环效电传差电阻感模阻后器放，，等大C电效i倍为荷电数电放容，荷大，C放器Cf为大0的为反器输电馈的出缆电输电分容入压布，电电
从与而式R且1的其(10比绝-2值对)可，值以U这也看ou个比t 出数反(，1值相同为放RR相F1正大)U放，器in大说大器明。的输增出益电也压同与样输(1只0入-取8电)决压于同R相F ，
(3) 差动放大器
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10.2 传感器信号检测电路
图别输RF1经出=0R电-R331(，和压c)差是RU2o动差输ut则放动入经大放到R器大运F反的器算馈输的放到出基大反电本器相压电的输U路反o入u。相t 端，两输。可个入电由输端路下入和中式信同要确号相求定U输1R，和入1即=U端2R，分2 、
传感器输出信号的处理主要由传感器接口电路完成。因此， 传感器接口电路应具有一定的信号预处理功能，经预处理后 的信号，应成为可供测量、控制及便于向微型计算机输入的 信号形式。接口电路对不同的传感器是不同的，其典型的应 用接口电路如表10-2所示。
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10.2 传感器信号检测电路
完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测 电路。
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10.2 传感器信号检测电路
当检测系统要获得某一范围的连续信息时，必须使用模拟信 号输出型传感器。传感器输出信号经接口电路预处理后，再 经放大器放大，然后由数字式电压表将检测结果直接显示出 来。数字式电压表一般由A/D转换器、译码器、驱动器及数 字显示器组成。这种检测电路以数字读数的形式显示出被测 物理量，例如，温度、水分、转速及位移量等。接口电路则 根据传感器输出信号特点进行选择。
半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路， 又称为射极输出器。射极输出器的输出相位与输入相位相同， 其电压放大倍数小于1，电流放大倍数从几十到几百倍。当发
射射极极电输阻出为器的Re时输，入射阻极抗输高出，器输的出输阻入抗阻低抗，带负载Rin能。力因R强e此，，常
用来做阻抗变换电路和前后级隔离电路。 半导体管阻抗匹配器虽然有较高的输入阻抗，但由于受偏置
Z的Z1，=阻Z则抗2=电增Z桥0，加的电，输桥另出平一电衡个压，元为输件出的电阻压抗U减ou小t=，0。假测定量Z1时=Z，0+一Z，个Z元2=件Z0-
U out
( Z0 Z 2Z0
1 )U 2
ZU 2Z0
如果假定Z1=Z0-Z，Z2=Z0+Z，则电桥的输出电压为
U out
ZU 2Z0
(11-6)
由于传感器种类繁多，传感器输出信号形式也是各式各样的。 例如，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不 同的电压，热敏电阻随温度变化使电阻发生变化，而双金属 温度传感器则随温度变化输出开关信号如表10-1。
传感器输出信号的特点： 传感器的输出信号一般都比较微弱。有的传感器的输出电压
最小只有0.1µV。 传感器的输出阻抗都比较高。这样会使传感器输出信号输入
10.2.2 常用电路
1. 阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高
输入阻抗低输出阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系 统的前置电路。常见的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器、 场效应晶体管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。