第一节 概述
一、检测系统的功用及组成 功用: 用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、 温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些 信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制 与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈 给控制装置或送去显示。 组成: 实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就 构成了机电一体化产品中的检测系统。
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二、机电一体化对检测系统的基本要求
1.精度、灵敏度和分辨率高； 2.线性、稳定性和重复性好； 3.抗干扰能力强； 4.静、动态特性好。 其它要求:体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修 、耐环境性能好等。
三、检测系统设计的任务、方法和步骤 检测系统设计的主要任务： 根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号 检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与 调试，使在机电一体化产品中实现预期的计测功能。
Z
U0 2Z0 Ui
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通过具有中间抽头的变压器二次线圈对传感器的一对差动 阻抗对称供电，其输出电压与传感器阻抗变化之间的关系 为：
Z
U0 2Z0 Ui
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(三)非差动桥式电路
若传感器的基准阻抗为Z0，并 取Z＝ZR＝Z0，传感器阻抗随 被测量的变化为Δ Z，则
Z U0 4Z0 2Z Ui
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当电容传感器的电容C或电 阻传感器的电阻R变化时， 输出电压的幅值U0＝Ui／2 不变，但相位角φ 却随之变 化，其输出特性表达式为：
2arctan 1 CR
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阻感相位电桥
输出信号相位随传感器电感 L或电阻R的变化关系为:
2arctan R L
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(四)调频电路
传感器电容C和标准电感L构成谐振电路并接入振荡器中 ，振荡器输出信号的频率f随传感器电容C的变化关系为:
2

R
Ui
C
Z 1 jL R jC
式中:ω是交流电源角频率；M2是 变压器互感。
U0

(r
(1 2LC )R
jL)U i jL r(1
jRC )
6
U0

R
R RX
Ui
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(二)差动电路 差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。
当被测量发生变化时，传感器阻抗也 随之变化，设变化量为Δ Z，则 Z1＝Z0+ΔZ ，Z2＝Z0 -ΔZ ，于是
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(二)高输入阻抗放大器
为了与传感器电路或基本转换电路相匹配，希望放大器具
有较高的输入阻抗。最简单和常用的高输入阻抗放大器是
同相输入放大器，其输出电压U0和输入阻抗Z分别为:
U0

(1
Rf R1
)Ui , Z

Ad Zi 1 Rf /
R1
式中: Ad是运算放大器的差模放大倍数；Zi是开环输入阻 抗。
f 1
2 LC
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(五)脉冲调宽电路
输出信号U0的脉宽占随电容C或电阻R的变化而变化，即:
B kRC
式中，k是与UR／Ui有关的常数。
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三、信号放大电路
信号放大电路（放大器），用于将传感器或经基本转换电 路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工 和处理。
(一)减小噪声和提高稳定性的方法 放大电路中常见的噪声: 热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取 措施加以抑制，以免有用信号被淹没在噪声中。
U0

Z2 Z1 Z2
Ui

Z0 Z 2Z0
Ui
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采用对称电源供电，在传感器处 于平衡位置时，电路输出为零； 当传感器失衡后，输出电压与阻 抗的变化成正比，即:
Z U0 Z0 Ui
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主要用于直流电桥中，两个阻抗元件Z的中点接地，构成 对称供电形式。当传感器处于平衡位置时，输出电压为零 ；当传感器失衡后，输出电压为:

Rf R1
常用的抑制放大器噪声的措施有： ①压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。 ②减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻 相等，以实现噪声阻抗匹配。 ③选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。 ④减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。
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放大器的稳定性：指其在环境、输入信号或电路中某些 参数发生变化时能够稳定工作的能力。 提高放大器稳定性的措施有： ①采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定 静态工作点。 ②采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数。 ③采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其 它寄生耦合所引起的自激振荡。 ④妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的 影响。 ⑤采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。
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检测系统设计的主要方法: 实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法 。 检测系统设计的一般步骤： (1)设计任务分析 (2)系统方案选择 (3)系统构成框图设计 (4)环节设计与制造 (5)总装调试及实验分析 (6)系统运行及考核
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第二节 模拟式传感器信号的检测
一、模拟信号检测系统的组成 模拟式传感器其输出是与被测物理量相对应的连续变化的 电信号。
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为保证共模抑制比，取R1／Rf1＝Rf2／R4，则放大器输出 为
U0(1源自Rf 2 R4)(U 2
U1)
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U0＝－(R2／R1)Ui U01＝一(2R1／R2)U0＝2Ui，信号源的输出电流为:
Ii
I1 I
Ui R1
U01 Ui R
( 1 R1

1 R
)U
i
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(三)高共模抑制比放大器
对两被测信号的差值进行放大的同时，抑制来自环境的共 模干扰。
U0

(1
Rf R1
)( R3 R2 R3
)U i 2

Rf R1
Ui1
若取R1＝R2，R3＝Rf，则上式变为:
U0

Rf R1
(Ui2
Ui1) 22
若只有共模信号输入，即Ui1=Ui2=Uic
U0
[(1
Rf R1
)
R3 R2 R3
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二、基本转换电路 被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感 等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当 传感器的输出信号是电参数时，需采用基本转换电路将其 转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。
(一)分压电路
U0

Z
Z0 0
Z1
U
i
U0

R0 R0
R1
U
i
5
U0

jM jL j 1