传感器的信号调理
Agenda
信号调理
信号调理的概念
信号调理的作用
信号调理的分类
电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
电平调整
无源电平调整电路
最简单的电平调整电路
R2 VO Vi R1 R2
R1和R2的精度和稳定性直接影响电平调整的效果; R1和R2的选取需要综合考虑:
RHb ( RHa RHc ) 2RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
无源线性化电路
线性化后的电压输出曲线如下图所示,也是一个S形
曲线。
无源线性化电路
热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法
热敏电阻的阻值与温度呈指数关系,实践中可用温度系数很
小的金属电阻与其串联或并联或同时串、并联,构成电阻网
无源线性化电路
无源线性化电路
运算后可得:
RHb ( RHa RHc ) 2RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
无源线性化电路
无源线性化电路
经修正后的特性曲线呈S形,线性度得到改善,各点R H 值与直线
'
(图中虚线)关系对应值的偏差 R如图b所示 :
无源线性化电路
电路的输入阻抗约为Ri ,输出阻抗接近于0; 不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整,而且满
足了阻抗匹配的要求.
电平调整
有源电平调整电路
反相放大电路:
是最常见的有源电平调整电路,电压增益为:
G
Rf Ri
电路的输入阻抗约为Ri ,输出阻抗接近于0; 不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整,而且满
信号形式变换 -电压电流转换电路
在进行信号转换时,为保证足够的转换精度和较宽的
适应范围,要求:
I/V转换电路:要有较低的输入阻抗和输出阻抗 V/I转换电路:要有较高的输入阻抗和输出阻抗。
信号形式变换 -电压电流变换
电压-电流变换
定义:输出负载中的电流正比于输入电压的电路称为电压-电
信号调理的作用
DAQS的输入信号的要求
输入信号必须是电压信号;
输入信号的动态范围应符合或接近DAQS的动态范围,以充
分利用A/D转换器的分辨率;
输入信号源的内阻应足够低,DAQS的输入电阻不至于对输
入信号产生显著影响;
输入信号的带宽应限制在A/D采样频率的一半以下,防止混
叠。
信号调理的作用
流变换器。由于传输系数是电导,又称转移电导放大器。
不同敏感区的敏感元件进行组合
湿敏电阻的线性化效果
有源线性化电路
无源线性化方法的特点:
电路简单,易实现; 引入固定参数元件串并联,使变换灵敏度降低。
无源线性化的共同缺点!
有源线性化:
没有上述缺点; 利用运放、场效应管或三极管等有源元件实现函数变换。 运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法,可
电平调整电路作为传感器电路输出的负载,希望输入阻抗高一些; 作为后一级电路的输入端,希望输出阻抗小一些; 大阻值(M Ω级)电阻在阻值精度及噪声方面都较差;
一般应用于要求不高的场合
电平调整
有源电平调整电路
反相放大电路:
是最常见的有源电平调整电路,电压增益为:
G
Rf Ri
离和抗干扰方面具有重要作用。
信号形式变换
进行信号转换时,需考虑如下因素:
转换电路应有良好线性; 要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗,以便与
之相联的器件或电路阻抗匹配。
信号形式变换 -电压电流转换电路
在成套仪表和计算机测控系统中,传感器和仪表之间、
仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号,即0~5V 直流电压或0~10mA、4~20mA直流电流。
简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。
在许多应用中,采用模拟电路对传感器的输出进行线
性化是最佳的。
无源线性化电路
无源线性化电路
无源线性化电路比较简单,性能可靠,成本低廉。在某些应用场合,
通过合理设计电路结构及元件参数,可获得满意的精度,是一种广
泛应用的线性化方法。
一种简单的无源线件化电路是用固定参数元件与敏感器件并
络,代替单个热敏电阻。只要金属电阻的阻值选择合适,可 使其等效电阻值与温度的关系在一定温度范围内呈线性。
无源线性化电路
热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法。
一般情况下,取回路电流作输出量时选用串联形式,在电桥
测量电路中则选用并联形式或串、并联形式。电阻串、并联
法可使热敏电阻最大非线性误差在0~40℃范围内校正为 0.15℃,在0~l00℃内为1.5℃。热电阻(如铂、铜电阻)等特性 曲线一般为二次或三次多项式,可用这种方法校正,且校正 效果较好。
若想直接进行输出电压线性化,则可采用串联电路
从固定电阻 R 上取电压 是为了得到随相、C三点,应有
RHa RRHb RHb RHc Vi Vi Vi Vi R RHa R RHb R RHb R RHc
得出固定电阻仍为
上补偿传感器的非线性,但此方式的适用范围有限,尤其受 A/D采样速度及运算处理速度限制,在需要动态测量的场合
难以满足要求。
线性化
传感器线性化的目的:
若传感器输入输出特性的非线性不严重,不会引起显著误差
时,可用切线或割线等直线近似代表局部实际曲线,如拟合
直线。
传感器线性化的目的在于,通过在信号调理电路中加入非线
获得各种各样的函数变换特性。
从原理上讲,任何敏感器件的变换特性都可校正为足够好的
直线特性。
随着运放性价比的不断提升,实际应用中被越来越多地采用。
有源线性化电路
有源线性化:
缺点:线路复杂、调整不便,成本相对高。
一种简单有源线性化电路是利用非线性反馈,使反馈支路的
非线性和原有敏感器件变换特性的非线性相互抵消,从而得 到线性化。
满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求
信号的预处理:在采集信号之前对传感器信号进行预处理。 具体内容取决于具体应用,一般应达到如下功能:
降低计算机处理时间开销 降低系统采样频率 简化整个DAQS结构
信号调理的作用
满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求
去除无用信号:大量传感器的输出信号中包含许多不同的信
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电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
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滤波及阻抗匹配
信号调理的概念
被测量
传感器
无源线性化电路
上述非线性校正法
优点:成本低,简便 缺点:校正范围一般较窄、准确度不是很高 主要应用:被测量变化范围不大的场合
被测量变化范围较大的场合怎么处理?
采用更复杂的无源电路
无源线性化电路
思路
将工作于不同敏感区的敏感元件组合,
使特性曲线弯曲部分互补,可消除高 次项误差,获得宽线性范围。
目前有多种使用方便的函数运算电路可选。
也可采用运算放大器搭建函数运算器进行线性化。
有源线性化电路
实例:对数/指数运算电路
有相当多的敏感元件的特性曲线呈指数或对数形式,如硅光
电池传感器的输出电压为
vI VoeI
vA K ln(VI )
即可得到线性的输出:
I 为光强
利用由运算放大器组成的对数电路,使电路输出为:
性环节,使传感器的线性范围最大化。
线性化
传感器线性化的分类:
按所用元件分类:
无源线性化 有源线性化
线性化
传感器线性化的分类:
根据线性化所处阶段分类:
模拟线性化:在数字化以前进行的线性化; 数字线性化:在数字化以后进行的线性化。
线性化
采用硬件方法对传感器特性进行线性化,在实时性、
联或串联。对有些非线性传感器,简单地用固定电阻器与传 感元件串、并联,只要电阻值选取合适,即可将非线性校正 到满意的程度。
无源线性化电路
无源线性化电路
湿敏传感器的电阻值 RH与相对湿度RH的 典型例子:Dunmore式湿敏传感器的非线性校正。 关系曲线是非线性的。 根据具体测量需要,选 用一个固定电阻 择A、B、C三点,且 R与RH并联。 Ha-Hb=Hb-Hc。
号成分,在对信号进行采集之前,甚至需要必须去除信号中 的某些成分,如50Hz的工频成分。
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电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
信号调理的分类
电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
失调电流
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信号调理的概念
信号调理的作用
信号调理的分类
电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
线性化
传感器的线性特性:
有利于后续电路的设计;
可简化传感器的标定工作。
但是,现实中大量的传感器特性从原理上就是非线性的。 数字电路、单片机技术、嵌入式系统的介入,能在某种程度
为使传感器输出信号便于处理、显示、传输,要对不
同类型信号进行相互转换。例如:
电压/电流变换:将电压信号变成不易受干扰的电流源信号。