传感器的信号调理简介.pptx
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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分类电平调整线性化信号形式变换滤波及阻抗匹配Agenda信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理分类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概念这种电信号:受敏感元件及检测电路的特点限制在形式、幅值等方面一般无法直接用来实现对被测量的进一步分析、显示、记录及控制。因此,就需要进行信号调理。信号调理(SignalConditioning)对信号进行操作,将其转换成适合后续测控单元接口的信号被测量传感器电信号Agenda信号调理信号调理的概念信号调理的作用信号调理分类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作用数字式数据获取系统(DataAcQuisitionSystem,DAQS)趋势:越来越多的测量系统多采用数字电路对传感器信号进行处理策略:传感器的信号调理更多针对后续的数字式数据获取系统,即通过对传感器输出信号进行适当的调理,使之更适合转换为离散数据流。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。信号调理的作用满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求信号隔离:大部分应用需要将传感器与计算机的电源系统隔离开来。手段:磁隔离用于防止计算机与传感器电源之间的耦合用变压器实现光隔离用于将传感器信号与DAQS输入端隔离一般采用LED-PD联合的方式实现这两个功能可集成在同一个器件中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。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: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(MΩ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: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: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注意:电路的输出范围受运放供电电源电压的限制——可能出现削波;运放的带宽有限:增益带宽积(如增益带宽积为30MHz,100倍增益,意味着带宽仅为300kHz)运放噪声运放本身引入噪声;运放中的电阻器件会引入热噪声。失调电压失调电流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、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
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