精品课程——传感器与检测专业技术

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1、第11章检测装置的信号处理及接口技术在检测系统中，被测的非电量信号经传感器转变后成为电信号，如电压、电流等。但传感器输出的电信号一般是很微弱的，并与输入的被测量呈非线性关系，而且易受外界环境的影响，易被噪声所污染。因此检测装置的信号处理技术是比较重要的，它包括微弱信号放大、滤波、隔离、A/D转换、标准化输出、线性化处理、误差修正、量程切换等技术。随着微型计算机，特别是单片机技术的发展，检测装置输出信号可以通过各种接口电路与微机相连，形成了智能化检测装置，在自诊断、数据处理、远距离通信等应用方面体现出

2、强大的优势。11.1信号的放大与隔离技术由于经传感器输出的信号属微弱信号，故一般采用运算放大器将小信号放大到与A/D电路输入电压相匹配的电压，才能进行A/D转换。现在已经生产出各种专用或通用运算放大器以满足高精度检测系统的需要，其中有测量放大器、程控放大器、隔离放大器等。在实际应用中，一次测量仪表的安装环境和输出特性千差万别。因此，选用哪种类型的放大器应取决于应用场合和系统要求，一般应首先考虑选择通用型，只在有特殊要求时才考虑选择其他类型的运放电路。选择集成运放的依据是其性能参数，运放的主要参数有：

3、差模输入电阻、输出电阻、输入失调电压、电流及温漂、开环差模增益、共模抑制比和最大输出电压幅度。这些参数均可在有关手册中查得。11.1.1运算放大器1．反相比例放大器由运放构成的反相比例放大器的电路如图11.1（a）所示。图11.1运算放大器应用反相放大器的传递函数为G(s)=（11.1）由拉氏变换终值定理，当s→0时，反相放大器的放大倍数为·205·G=（11.2）当R1=R2时，则为反相跟随器，Uo=-Ui2．同相放大器反相放大器存在的问题是输入阻抗Ri较低，R1=R2，通常R2为几千欧。采用如图

4、11.1（b）所示同相放大器电路，可以得到高的输入阻抗。1.根据“虚地原理”，同相放大器的放大倍数为G=（11.3）11.1.2测量放大器1．测量放大器概述运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况，然而传感器的使用环境通常比较恶劣。因此，在传感器的两个输出端上经常产生较大的干扰信号，而且有时它们是完全相同的。这种完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运放对输入到差动端的共模信号有较强的抑制能力，但对于像同相或者反相输入接法，由于电路结构不对称，表现为不平衡的输入阻抗，因此对共模干扰信

5、号不能起到很好的抑制作用，故不能在精密场合下运用。为此，需要引入另一种形式的放大器，即测量放大器。它广泛应用于传感器的信号放大，特别是对微弱信号及其有较大共模干扰的场合。测量放大器除了用于对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的作用。它具有高共模抑制比、高速度、高精度、宽频带、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗，低噪声等特点。2．测量放大器的组成图11.2测量放大器原理图测量放大器的基本电路如图11.2所示。放大器由两级串联而成，前级由两个同相放大器组成，为对称结构，输入信号加在A1

6、、A2的同相输入端，从而使前级放大器具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差动放大器，它不仅切断共模干扰的传输，而且将双端输入方式变换成单端输出方式，适应对地负载的需要。2.测量放大器的放大倍数由下面公式计算：G=（11.4）式中的RG是用于调节放大倍数的外接电阻，通常RG采用多圈电位计，并应靠近组件，若距离较远，应将连线绞合在一起。改变RG可使放大倍数在1～1000范围内调节。无论选用哪种型号的运算放大器，组成前级差动放大器的A1、A2·205·两个芯片必须配对，即两块芯片的温度漂移符号和数

7、值尽量相同或接近，以保证模拟输入为零时，放大器的输出尽量接近于零。此外，还应该满足条件R′3R′2=R3R2。3．实用测量放大器目前，国内外已有不少厂家生产测量放大器单芯片集成块。美国AD公司提供的有AD521、AD522、AD612、AD605等。国产芯片有7650ZF605、ZF603、ZF604、ZF606等。如图11.3所示为AD521引脚及连接方法。该测量放大器的放大倍数按下面公式计算：G=（11.5）放大倍数的调节范围为0.1～1000，RS=1000kW±15%。必须指出，任何测量放大

8、器在工作时都要有输入偏置电流，故要为偏置电流提供回路，为此，输入端“1”或“3”必须与电源地线相连。国产的7650芯片是高精度、低漂移的动态自动校零的斩波放大器，应用甚广泛。图11.3AD521引脚及连接方法11.1.3隔离放大器图11.4隔离放大器示意图在测量系统中，有时需要将仪表与现场相隔离（即无电路的联系），这时可采用隔离放大器。这种放大器能完成小信号的放大任务。由于在电路的输入端与输出端之间没有直接的联系，因而这种放大器具有很强的抗共模干扰的能力。隔离放大器有