模拟式传感器信号的检测

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。 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。
(五)线性化放大器 线性化放大器：指通过放大器的作用，使包括传感器及信 号检测电路在内的整个检测系统的输出与输入之间具有良 好的线性。 许多情况下，放大器前、后各环节都可能具有非线性 特性，由于作为中间环节的放大器的特性最容易调节和控 制，因而常要求其具有按给定规律变化的增益特性，以补 偿或校正整个系统的线性。
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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:
U 0 (1 Rf R1 )U i , Z Ad Z i 1 R f / 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。
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(一)幅值调制与解调 1．幅值调制(让一个具有特定角频率ωc的高频信号的幅值 随被测量x而变化) 高频信号称为载波信号，被测量x称调制信号，载波 信号经被测量x调制后所得到的幅值随x变化的信号称已调 制信号或调幅信号。 最简单的幅值调制是线性调制，即让高频振荡信号的幅值 为被测信号x的线性函数，所得到的调幅信号的一般表达 式为：
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设传感器具有非线性特性ui＝f(x)，要求系统输出uo与输 入x之间具有线性关系uo＝kx。若放大器开环增益为Ao， 则
u f ui u f (x)
uo
Ao
Ao足够大时，上式可简化成： (只要反馈环节具有与传感器 uo u f f ( x ) f ( ) 相同形式的非线性特性，检 测系统就能获得良好的线性) k
U0 Z 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
U0
Z 4Z 0 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：
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将Uc按傅里叶级数展开得：
Uc 1 2 2

cos c t
2 3
cos 3 c t
将ui与Uc相乘后，再用带通滤波器滤除直流分量和频率高 于3ωc的高频分量，就得到相乘调制信号
us 2

u i cos c t
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2．包络检波
是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管 等具有单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再 用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化 的调制信号。
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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。
U 0 (1
Rf R1
)(
R3 R2 R3
)U i 2
Rf R1
U i1
若取R1＝R2，R3＝Rf，则上式变为:
U0
Rf R1
(U i 2 U i 1 ) 22
若只有共模信号输入，即Ui1=Ui2=Uic
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要精确实现任意函数关系f(x)的反馈补偿是很困难的 ，一般是先用一组折线来代替f(x) ，然后用分段折线反馈 来实现线性化补偿。
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①当反馈网络的输入电压uo较小时，P点电位 uP<UD+E1<UD+E2 (UD是稳压管VSl～VS3的压降)，且输出 电压uf<UD+E3，则VSl～VS3均不导通，反馈网络增益较 小，输出电压对应着直线段OA。 ②当uo1<uo≤uo2时，适当选择E1～E3和UD，可使 UD+E1<up<UD+E2，且uf<UD+E3，则VS1导通，VS2、VS3 仍截止，从而增加了反馈电阻，使得反馈网络增益加大， 输出电压uf对应着直线段AB。 ③当uo2<uo≤uo3时，UD+E1<up<UD+E2，但uf>UD+E3，则 VSl、VS3导通，VS2截止，相当于在RL上并联一个电阻R8 ，使反馈网络增益减小，uf对应着直线段BC。 ④当uo3<uo<uo4时，up>UD+E2>UD+El，且uf>UD+E3，则 VS1~VS3全部导通，使反馈电阻增加，负反馈减小，反馈 网络增益增加，uf对应直线段CD。
取R1=R2，R3=R ( R是传感器电阻公称值 )
uo R R1 R ui
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用于将差动式传感器的电阻变化转换成电压变化 传感器电阻R3和R4分别为R3＝R－Δ R，R4＝R+Δ R。若取 及R1＝R2＝R，Rf>>R ，则：
uo ( 1 2 Rf R ) R R ui
2731(六)Fra bibliotek大器增益切换当Uo>Uc时，通过量程切换电路控制继电器或模拟开关动 作，使适当的分压电阻接通，从而对不同的输入信号Ui实 现不同程度的衰减，以保证放大器工作在线性范围内。
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四、信号调制与解调电路 采用调制与解调的方法对信号进行检测，以防止干扰 信号对检测精度的影响。 例如：采用特定频率的交流电源对电感传感器供电，或对 由应变片、热敏电阻等组成的桥路供电，目的是为了对信 号进行调制。经过调制的信号在经过放大后，还需通过解 调(或称检波)的方法将其还原成原始信号，以获得被测物 理量及其变化的信息。 信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和 脉宽调制等，其中前三种又分别简称为调幅、调相和调频 。对应不同的信号调制方法需采用不同的方法来解调。
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。
U0 Rf R1 (1 2R f RW )( U i 2 U i 1 )
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(四)参量放大器 (1)电容参量放大器
uo
C o S
ui
式中：ε是电容传感器的介电常数；S是极板工作面积；δ 是极板之间的距离，或称气隙。
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(2)电阻式传感器
用于将单臂传感器的电阻变化Δ R转换成输出电压uo的变化。
Z Z0
U0
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:
U0 Z 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：
3．相敏检波 Uc：与载波信号同频率的参考信号（作为场效应管VF的 开关控制信号），从而实现调幅信号US与参考信号UC相 乘。
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在设计调幅及其解调电路时，应注意合理选择各参数。 ①如果调制信号的最大角频率为ωm，则要求载波频率 ωc>10ωm，否则会给滤波器设计带来困难或降低信号检测 精度。 ②为了保证调幅信号顺利通过并被放大，放大器的通频带 应按ωc±ωm选取。 ③在相敏检波后，滤波器应保留频率在ωm以下的信号。 ④在包络检波后，滤波器应滤除频率在ωc-ωm或2ωc-ωm以 上的信号。
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当要求检波精度较高时，常采用由运算放大器构成的精密 整流器来实现包络检波。
R2 us,us 0 u a R1 0, u s 0
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取R'3＝2R3，在不考虑电容C的滤波作用时，N2的输出为:
uo R4 R3 (u a 1 2 us)
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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