传感器与信号调理电路

传感器与信号调理电路 工业系统测量 传感器与信号调理电路 引言 如何测量你的体温, 如何测量你的体温, 包括: 包括:获取温度信号以及处理温度信号 温度测量系统 温度 电信号 温度 传感器 信号 预处理 符合要求 的信号 本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获 本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获 以及信号的预处理 另外， 信号的预处理。 取以及信号的预处理。另外，着重介绍在信号处 理中使用最多的器件:运算放大器。 理中使用最多的器件:运算放大器。 2011-10-25 力的测量与差动放大 2 被测量 可用信号 传感器 传感器 物理量 化学量 生物学量 传感器定义:能感受某种信息(被测量)，并 传感器定义:能感受某种信息(被测量)，并 定义 )， 一定规律将其转换成可用信号的器件或装置 将其转换成可用信号的器件或装置; 按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置; 可用信号: 可用信号:某一定场合中便于传输和处理且可以使用 的信号，常是电量。 的信号，常是电量。 传感器的本质:将被测量从一种能量形式转换 传感器的本质:将被测量从一种能量形式转换 本质 能量形式 成另一种能量形式，并作为可用信号输出; 成另一种能量形式，并作为可用信号输出; 狭义的传感器: 电信号; 狭义的传感器:被测量 电信号; 传感器是工业系统的感官， 传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的 位置、转速、温度、液位、压力等信息; 位置、转速、温度、液位、压力等信息; 对传感器的要求:线性度好、无滞环误差、 对传感器的要求:线性度好、无滞环误差、特 性稳定、测量范围宽、响应迅速。 性稳定、测量范围宽、响应迅速。 2011-10-25 西安交通大学训练中心 3 信号调理电路 问题: 问题: 传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信 传感器的输出信号往往很微弱， 波形不适当， 很微弱 号形式不适合， 号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和 控制。 控制。 解决:电压放大、整形、电流,电压转换、 解决:电压放大、整形、电流,电压转换、频率 电压转换等; ,电压转换等; 信号调理电路:对传感器的输出信号施行一定预 信号调理电路:对传感器的输出信号施行一定预 处理的装置 使信号适于显示或控制。 的装置， 处理的装置，使信号适于显示或控制。 主要技术:电子技术——运算放大器 运算放大器 主要技术:电子技术 测量同一被测量: 测量同一被测量:不同的测量 不同的传感 器及相应的信号调理电路 信号调理电路。 器及相应的信号调理电路。 同一传感器可以用于不同的工业系统。 同一传感器可以用于不同的工业系统。 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 4 典型测量系统的组成 直流电源 测量系统 现场 物理量 可用 信号 传感器 信号调理 电路 显示装置 控制装置 万用 信号发生器 示波器 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 5 常用仪器在测量系统中的应用 信号发生器:产生信号(不同波形种类、 信号发生器:产生标准信号(不同波形种类、不 标准信号 同频率和幅值的信号 信号); 同频率和幅值的信号); 调试和维修时， 调试和维修时，模拟传感器的输出信号 示波器:测量并显示电路中不同点的信号; 示波器:测量并显示电路中不同点的信号; 直流电源:为系统各部分供电; 直流电源:为系统各部分供电; 万用表: 万用表:最方便的检测仪器 可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度 可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度…… 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 6 集成运算放大器 集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放 集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放 高放大倍数 大器件; 大器件; 完成信号放大、信号运算(加、减、乘、除、对 完成信号放大、信号运算( 反对数、平方、开方等)、信号处理(滤波、 )、信号处理 数、反对数、平方、开方等)、信号处理(滤波、 调制等)以及波形的产生和变换等功能; 调制等)以及波形的产生和变换等功能; 由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、 由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、 体积小、重量轻、耗电量少等优点， 体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛 的应用; 的应用; 注意:集成运算放大器是一个有源器件。 注意:集成运算放大器是一个有源器件。 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 7 运算放大器 运算放大器的符号以及常见的运算放大器: 运算放大器的符号以及常见的运算放大器: OP07 LM324 _ + 管脚起始 2011-10-25 朝左 管脚序号逆时针方向增长～～ 管脚序号逆时针方向增长～～ 8 西安交通大学工程训练中心 运算放大器 运算放大器简称为运放; 运算放大器简称为运放; 运放有两个输入 端: 运放有两个输入端: 同相输入端 反相输入端 有单端和差动两种输入方式 一个输出端; 一个输出端; 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 9 运算放大器 “放大”的含义及工作特性曲线 V 放大” 放大 E+ 正向饱和 线性放大区 o 0 Vi Vo = AVi = A(V+ ? V? ) 反向截止 E? “放大”的含义 放大” 放大 运放的工作特性曲线 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 Vo?( E- , E+ ) 10 理想运算放大器 理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 高增益 的器件 1反相输入端 反相输入端 1 _ V2 V1 Vo = AVi = A(V+ ? V? ) A很大，1000以上 很大， 很大 以上 ri很大，兆欧以上 很大， ro很小，可以忽略 很小， Vo有限，电源电压范围内 有限， 2011-10-25 Vi 2 ri _ AVi + ro 3 + Vo 考虑电压 2同相输入端 同相输入端 A?? ri?? ro?0 V V ?0 Ii = i = i ?0 Vo?(E-,E+) 虚通 Vo Vo ? ( E? , E+ ) V+=V- 虚短 Vi = = ?0 A A?? ri ri ? ? Ii=0 虚断 西安交通大学工程训练中心 考虑电流 11 理想运算放大器 I =0 i 1 _ Vi = 0 3 V2 V1 2 + Vo 在输入一侧考虑电压关系时: 在输入一侧考虑电压关系时:反相输入端与同相 输入端的电压相等，称为“虚通” 虚短” 输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”; 若同相端(反相端)接地，即同相端(反相端) 若同相端(反相端)接地，即同相端(反相端)电位为 则反相端(同相端)电位也为零，称为“虚地” 零，则反相端(同相端)电位也为零，称为“虚地”; 在输入一侧考虑电流关系时: 在输入一侧考虑电流关系时:反相输入端与同相 输入端之间的电流为零，称为“虚断” 输入端之间的电流为零，称为“虚断”。 2011-10-25 西安交通大学工程训练中心 12 单端输入与差动输入 i R1 10k R2 100k +10V ui R3 100k a uo -10V 单端输入方式 一端接输入信号，