[工学]勘查仪器原理

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1、勘查仪器原理教师：王旭Email：hfli@xsyu.edu.cn第三章测量系统基本部件在利用物探仪器进行野外数据采集中,经常会遇到被检测的物理量经过传感器转换成很微弱的微伏级模拟信号,需要用放大器加以放大，此放大器也称为前置放大器,其作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是将传感器输出的模拟信号放大到A/D转换器的量程范围之内。上一节,我们学习了集成运放,知道了集成运放是组成模拟集成电路的最基本“积木块”,而且集成运放种类繁多,特别是通用运放,价格便宜,用途广泛,那么,能不能用作测量微弱信号的前置放大器?回答是否定的。因为,在实际工程中,来自生产

2、现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰(任何载流导体与参考地之间不希望的电位差),并且,通用运放一般都具有毫伏级的失调电压及数微伏/°C的温度漂移,所以不能直接用于放大微弱信号。常采用一组运放构成的测量放大器,也称仪表放大器来担任此处的前置放大器。第三节测量放大器3.3.1概述问题：在数据采集中,经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，检波器输出信号等需要用放大器加以放大。放大器类型通用运算放大器测量放大器通用运算放大器：具有mV级失调电压、数μV/℃的温飘，不能用于放大微弱信号。特点那么选择何种放大器来放大微弱信号？目前市场上的放大器有以下特点。测量

3、放大器：具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛用于放大微弱信号。3.3.2测量放大器的电路原理电路原理如下图所示：Ui1Ui2+-A1-+A2RgR1R2R3-+A3R4UOU01U02R5R6图A经典测量放大器原理电路IgUaUb两级运放第一级：两个同相放大器A1、A2完全对称直接与被测信号相连,具有强抑制共模干扰的能力,且输入阻抗高。第二级：普通差动放大器A3,把双端输入变为对地的单端输出。差动放大器属于直流放大器,它能放大差模信号,抑制共模信号。(纯差模信号是大小相等,相位相差1800；纯共模信号是大小相等，相位差为00的信号)两个

4、技术问题：1、测量放大器的增益由上式可知，调节外接电阻Rg的大小，可以改变测量放大器的增益。(当采用集成仪用放大器时，Rg一般为外接电阻)-+A3R3R5R6R4U01U02UO为了抑制共模干扰，降低温漂，仪用放大器电路结构要采取上下对称形式，即R1=R2，R4＝R3，R5＝R6可以看出此电路为减法运算电路，因此可得：（1）AB+-A1R1Rg-+A2R2IgUaUbUi1Ui2U02U01由理想运放可得：Ua＝Ui1Ub＝Ui2I1=I2=Ig又I1I2（2）（4）（3）由（1）（2）（3）（4）解得：2、抗共模干扰能力(一般共模信号是干扰信号)从直流共模信号和交

5、流共模信号两方面考虑⑴对直流共模信号来说，其抑制比为无穷大。看图,(传输线存在线阻Ri1、Ri2一般比较小,直流信号在其上产生的分压可忽略不计)因为Ui1=Ui2所以Ua=Ub那么Ig=0U01=U02U0=0也就是说,直流共模信号的输出为零,即测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。Ui1Ui2UO⑵对交流共模信号来说，由于输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容C1、C2(因电容是隔直通交的,所以电容在直流共模信号中不起作用)，Ri1C1、Ri2C2分别对地构成回路,情况就不那么简单。在实际电路中由于线路阻抗不平衡，此时抑制交流共模信号干扰有个措施：在

6、其输入端接一个输入保护电路，并将信号线屏蔽。参考图如下：输入信号的共模分量传给屏蔽体输入保护电路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2′R1′交流共模干扰影响及抑制方法A4+-A1+-A2-+C1C2o′Ui1′Ui2′关于分布电容再强调一下,任何两金属之间均存在电容,电路中除了专为电容功能设计的电容外,其余产生的电容效应应该都可称为“杂散”电容,比如导线与导线间的潜在电容,线圈圈匝与圈匝之间的潜在电容,另外导线本身也有潜在的电容。由图看出,由于Ri1、C1和Ri2、C2分别对地构成回路,当Ri1C1≠Ri2C2时,输入交流共模信号在A

7、1、A2运放输入端产生分压,设交流共模信号在两运放输入端产生分压Ui1′、Ui2′，且Ui1′≠Ui2′，所以,Ig≠0，对输入信号产生干扰,可在其输入端接一个输入保护电路，并将信号线屏蔽。由上图,当R1′=R2′时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的,故C1、C2的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。看图中运放A4，它接成电压跟随器,也就是说它的输入电压与输出电压大小相等,相位相同,而A4的输入电压正好是共模信号分量,此分量通过跟随器A4传递给屏蔽体,这时,屏蔽体和信号线间对交流共模信号（又称为对地感应信号）是等电位的,C1、C2的分压作用就不存