项目二+++信号处理电路实现Word下载.docx

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任务一单臂、双臂和全桥电桥电路调试

2.1任务布置

一、任务说明

1.目的

理解单臂、双臂和全桥电桥的性能，通过任务分析三者之间的灵敏度关系。

2.条件

传感器综合实验台（含直流稳压电源、差动放大器、电桥、双平行梁、主副电源、应变片、数显电压表）

二、任务书

表2-1-1

任务

分别利用单电桥、双电桥和全电桥组成的电路测量金属箔式应变片受力情况，比较单电桥、双电桥和全电桥的性能及灵敏度。

任务要求

1.各小组接受任务后讨论并制订工作计划；

2.了解单臂、双臂和全桥电桥电路的结构、特性及测量原理；

3.能分别利用单臂、双臂和全桥组成的电路测量金属箔式应变片受力情况，比较单臂、双臂和全桥电桥的性能及灵敏度；

4.能根据测量的要求和测量的其他条件等选择单臂、双臂和全桥电路；

5.小组讨论完成电桥电路应用的分析。

课时分配

自学2课时，课堂2课时，实验2课时

任务评价

自评:

互评:

师评:

2.2学习资料

电桥的主要作用是把被测的非电量（或电量）转换成电阻、电感、电容的变化，再变成电流或电压的变化，它是测量系统中广泛使用的一种电路。

根据电桥的供电电源不同，可分为直流电桥和交流电桥两种。

图2-1-1A和图2-1-1B分别是传感器使用直流电桥的直流检测系统图和使用交流电桥的交流检测系统图。

直流检测系统主要用于检测纯电阻的变化，如电阻应变仪、热电阻温度计等，也可用于检测直流电压的变化，如热电偶测温仪表等。

交流检测系统主要用于检测阻抗的变化，振荡频率通常在50Hz～20KHz；

用于电容式传感器，振荡频率可达0.5MHz。

图2-1-1传感器信号检测系统

一、直流电桥

图2-1-2为直流电桥基本电路。

电桥各臂的电阻值分别为R1、R2、R3、R4,U是电桥直流电源电压，UO为电桥输出电压。

图2-1-2直流电桥基本电路

当电桥输出端有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，输出电压为电桥输出端的开路电压。

此时，桥路的分支电流为:

（2-1）

（2-2）

a、b之间和a、d之间的电位差为：

（2-3）

（2-4）

输出电压为：

（2-5）

若电桥处于平衡，式（2-5）中输出电压为零，即R1R2=R3R4，这是初始平衡条件。

根据此条件可分为以下三种情况。

（1）电桥四臂电阻都相等，即R1=R2=R3=R4，称为等臂电桥,此时只要电桥桥臂有一个电阻发生变化，电桥就会失去平衡，输出电压U0不为零。

电阻应变片就是利用此原理测应力的。

（2）R1=R2=R，R3=R4=R′称为输出对称电桥。

（3）R1=R3=R，R2=R4=R′称为电源对称电桥。

假设电桥桥臂各电阻的变化值为ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4，则电桥的输出为：

若电桥桥臂初始电阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R,且ΔR<

<

R，则输出电压为：

（2-6）

根据式（2-6）可知，相邻臂的符号相反，相对臂的符号相同，这就是电桥的加法特征。

根据电桥的加法特征，通过适当的组桥可以提高测量灵敏度或消除温度等影响产生的不需要的电阻变化。

电阻应变片接入电桥通常有三种接法：

如果一个电桥臂接入应变片，其他三个臂采用固定电阻，称为单臂电桥；

如果两个电桥臂接入应变片，称为双电桥，又称为半桥；

如果四个电桥臂都接入应变片，则称为全桥。

1.单臂工作电桥

单臂工作电桥的一个电阻变化，即ΔR1≠0，如果是等臂电桥，其余各臂为固定电阻，ΔR2=ΔR3=ΔR4=0，代入式（2-6）得：

（2-7）

2.双臂工作电桥

若等臂电桥的两个臂接入应变片，其中一个应变片受压，另一个应变片受拉，即ΔR1=-ΔR2，其余两个为固定电阻，即ΔR3=ΔR4=0，代入式（2-6）得：

（2-8）

3.全桥工作电桥

若等臂电桥的四个桥臂都为应变片，且R1=-R2=R3=R4，代入式（2-6）得：

（2-9）

比较（2-7）～（2-9）式可知，全桥电桥的灵敏度最高，输出电压最大。

直流电桥的优点是：

所需的高稳定度直流电源较易获得；

电桥输出U0是直流，可以用直流仪表测量；

对从传感器至测量仪表的连接导线要求较低；

电桥的平衡电路简单。

直流电桥的缺点是：

直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。

二、交流电桥

当U为交流电源时，图2-1-2所对应的电桥电路就为交流电桥。

在电感、电容式传感器的检测电路中，就需要广泛应用交流电桥。

交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下，需要考虑分布电感和分布电容的影响。

1.交流电桥的平衡条件

交流电桥的四个桥臂分别用阻抗Z1、Z2、Z3、Z4表示，它们可以是电感值、电容值或电阻值，其输出电压也是交流。

设交流电桥的电源电压为：

（2-10）

式中：

Um电源电压幅值，ω为电源电压的角频率，ω=2πƒ,ƒ电源电压的频率，一般取被测传感器最高频率的5～10倍。

此时，交流电桥的输出电压为

（2-11）

所以，交流平衡的条件为：

Z1Z2=Z3Z4（2-12）

2.电阻交流电桥

应变片接入交流电桥，是一种纯电阻型的，电桥输出的电压的大小与应变片变化的电阻大小成正比，可以通过电桥输出电压的幅值来测量应变的大小。

一个单臂接入应变片的等臂电桥，即Z2=Z3=Z4=Z，Z1=Z+△Z，当△Z《Z时，根据式（2-11）可以得到电桥的输出电压为：

（2-13）

如果相邻两桥臂接入差动变化的应变片，则为双臂差动电桥，其灵敏度提一倍，输出电压增大一倍。

3.电感电桥

图2-1-3（a）为常用的电感电桥，两相邻臂为电感L1和L2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中R1′和R2′为电感线圈的有功电阻。

若设Z1和Z2为传感器阻抗，并且R1′=R2′=R′，L1=L2=L，则有Z1=Z2=R′+jωL。

另有R1=R2=R。

电桥接入差动电感式传感器，工作时，Z1=Z+△Z和Z2=Z+△Z，当Z→∞、ωL>

>

R′时，电桥的输出电压为：

（2-14）

由此可看出，交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。

4.电容电桥

图2-1-3（b）为常用的电容电桥，两相邻桥臂为电容C1和C2，另两臂为纯电阻R1和R2，其中R1′和R2′为电容介质损耗电阻。

若设Z1和Z2为传感器阻抗．并且R1′=R2′=R′，C1=C2=C，则有Z1=Z2=Z=R′+

，另有R1=R2=R。

由于电桥是双臂工作，所以电桥接入差动电容式传感器，Z1=Z+△Z和Z2=Z+△Z，当Zc→∞时，电桥的输出电压为:

（2-15）

当ωC<

R′时，式（2-15）可近似为

≈

由此可以看出交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。

5.变压器电桥电路

电感式传感器和电容式传感器的转换电路还经常采用变压器电桥，如图2-1-4所示。

它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差动电容或差动电感分别接在另两个臂，设其阻抗分别为Z1和Z2，如果负载阻抗为无穷大，若由于被测量使传感器的阻抗发生变化，即Z1=Z+ΔZ和Z2=Z+ΔZ，则有

（2-16）

图2-1-4变压器电桥

由式（2-16）可以看出，输出电压反映了传感器阻抗的变化。

用差动电容传感器组成电桥相邻两臂，当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为

（2-17）

C1、C2为差动电容传感器的两电容。

若此差动电容传感器为变间隙式，则电容C1=

，C2=

，代入式（2-17）得

（2-18）

从式（2-18）可知，在电源激励电压恒定的情况下，电桥输出电压与电容传感器输入位移成正比。

由于该输出电压无法反映位移的方向，相敏检波电路可识别方向，所以输出电压必须经后续放大并经相敏检波和滤波后才可由指示表显示位移的方向和大小。

任务二信号调理电路调试

2.3任务布置

理解信号放大电路、信号滤波电路和信号转换电路的性能，通过任务分析掌握三种电路的选择和应用。

了解自动检测仪器干扰源及抗干扰的措施。

分别利用信号放大电路、信号滤波电路和信号转换电路根据需要连接成所需的信号调理电路。

5.各小组接受任务后讨论并制订工作计划；

1.了解信号放大电路、信号滤波电路和信号转换电路的结构、特性及测量原理；

2.通过本任务了解直流稳压电源、差动放大器等信号处理电路的工作原理及连接方法；

3.通过本任务，学会处理信号干扰的一般方法；

4.小组讨论完成信号放大电路、信号滤波电路和信号转换电路应用的分析。

2.4学习资料

传感器信号处理电路是自动检测系统的重要组成部分，也是传感器与A/D（模拟量转换成数字量）或D/A（数字量转换成模拟量）之间及执行机构之间的桥梁。

传感器输出的信号往往是弱电信号，如热电偶输出电压是毫伏级，它必须经放大、滤波等信号处理变为工业仪表的标准信号。

为了将微弱的传感器输出倍号放大到足以进行各种转换处理或用以推动各种执行机构，必须要用放大电路放大信号。

常见的放大器有差动放大器、电荷放大器。

目前工业仪表通常采用0～10MA、0～20mA等标准信号，为了与A/D输出形式相适应，必须经I/V电路变换为0～5V、或1～5V电压信号。

同样，D/A转换的输出也要经I/V电路变为电流信号。

二、信号放大电路

1．差动放大器

差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为多级直流放大器的前置级，用以放大很微小的直流信号或缓慢变化的交流信号。

图2-1-5所示是一种差动放大器电路，Rl=R2=R3=R4=5lKΩ，R5=5.lkΩ，R6=2kΩ，W1=5lOkΩ，W2=lOkΩ，C1=C2=33μF，通频带为O～lOkHz，增益为1～100倍，可接成同相、反相、差动结构。

图2-1-5差动放大器

如果输入信号接在A、B两点之间，则放大器工作于双端输入的差动状态。

如果输入信号接在A点与地之间，而B点接地，则差动放大器工作于单端输入的反相状态。

如果输入信号接在B点与地之间，而A点接地，则差动放大器工作于单端输入同相状态。

2．电荷放大器

电荷放大器用于放大压电传感器的输出信号。

电荷放大器是一个具有反馈电容C1的高增益运算放大器电路，如图2-1-6所示。

它把压电传感器的输出信号放大并将高输出阻抗变换成低阻抗输出，输出电压与输入电荷成正比。

图2.6中，Ca为压电传感器的等效电容，Cc为连接电缆的等效电容，Ci为电荷放大器的输入电容，Cf为反馈电容，Rf为反馈电阻。

电荷放大器的输出电压为

（2-19）

当放大器开环增益A和输入电阻R、反馈电阻Rf相当大，A>

1时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷q，反比于反馈电容Cf，即

（2-20）

图2-1-6电荷放大器原理图

电荷放大器仅与输入电荷印和反馈电容Cf有关，与电缆电容Ce无关。

当反馈电容Cf数值不变时，就可得到与电荷变化呈线性关系的输出电压。

反馈电容Cf小，则输出电压大，所以要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。

三、信号滤波电路

传感器输出的信号通常要进行滤波，滤去不必要的高频或低频信号，或为了取得某特定频段的信号。

例如，在机械加工中常常要用电动轮廓仪测量零件的表面光洁度。

测量过程中，轮廓仪的电感式传感器测针划过被测表面，输出与表面形状相似的电压信号，如

图2-1-7（a）所示。

图2-1-7（b）所示电压信号除了反映零件表面光洁度信号外，还含有电气噪声干扰信号。

为了最终获得代表表面光洁度的信号输出，必须将传感器输出的信号进行滤波。

图2-1-7零件表面光洁度测量

根据滤波器选频作用的不同，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种类型。

低通滤波器用于通过低频信号，抑制或衰减高频信号；

高通滤波器与低通滤波器相反，它允许高频信号通过，抑制或衰减低频信号；

带通滤波器只允许通过某一频段的信号，而在此频段以外的倍号将被抑制或衰减；

带阻滤波器允许频率低于某一频段的下限截止频率和高于上限截止频率的信号通过。

滤波器的设计有专门的书籍进行论述，我们仅介绍常见的一阶低通滤波器电路。

一阶低通滤波器电路的原理图如图2-1-8所示，图中Ri、Rs组成比例放大器，通带电压增益Ao等于比例放大器的电压增益，R6、C4组成RC滤波器。

在低频段，由于Cl、C2的容抗非常大，输入信号经过R2、R3、W1直接传入放大器，电压传输系数约为1；

在高频段，由于Cl、C2的容抗非常小，输入信号经过Cl、C2传入放大器，电压传输系数也约为l；

只有当信号频率厂等于它的特征频率时，阻抗变得非常大，电压传输系数约为0。

图2-1-8-阶低通滤波器

R6、C4组成的RC滤波器的传递函数为

（2-21）

f=

为转折频率，在f≤

时，信号不衰减通过。

四、信号转换电路

各种非电量经传感器转换后的电量形式有电阻、电感、电容、电压、频率和相位等，而在自动检测系统中，希望传感器和仪表之间以及仪表和仪表之间的信号传送均采用统一的标准信号，可使仪表通用化，便于检测。

输出非标准信号的传感器可以靠非标准信号转换成标准信号，不同标准信号也可借助相应的转换电路转换。

例如，4--20mA与0～5V之间的转换。

常用的信号转换有电压与电流转换、电压与频率转换。

1.电压与电流转换

目前实现0～5V、O～10V电压与O～lOmA、4～20mA电流的转换，可采用集成电压／电流转换电路来实现，如AD693、AD694、XTR110等。

有关它们引脚的接法可参考有关资料。

2．电压与频率转换

有些传感器敏感元件输出的信号为频率信号，如涡轮流量计，有时为了和其他标准信号接口显示仪表配套，需要把频率转换成电压。

目前实现电压／频率转换的方法很多，主要有积分复原型和电荷平衡型两种方法，这两种方法的工作原理可参看相关资料。

积分复原型转换器主要用于精度要求不高的场合。

电荷平衡型转换器精度较高，频率输出可较严格地与输入电流成比例，目前大多数的集成V/F转换器均采用这种方法。

V/F转换器常用集成芯片主要有VFC32和LM31系列。

LM31系列是美国国家半导体公司生产的，适合于V/F转换和A/D转换。

LM31系列的工作原理框图如图2-1-9所示，下面介绍它用做V/F转换的工作原理。

当2脚接Rs后，内部电流源产生的电流IS为50～500μA，它的计算公式为

（2-22）

图2-1-9LM31系列功能图

当输入比较器V+>

V-，即Vi>

Vc时，启动单脉冲定时器产生脉冲宽度为tos的脉冲，在tos期间，开关K导通，电流IS对CL充电，使Vc上升，在tos结束时，开关K断开，CL通过RL放电，使VC下降。

当放电过程持续一段时间，VC下降到小于Vi时，输入比较器再次启动，单脉冲定时器又产生一个宽为tos的脉冲，开关K再次闭合，CL充电，如此循环，3脚输出脉宽为tos、周期为T的方波。

五、抗干扰技术

1．传感器干扰分类

干扰就是指影响电路的噪声，噪声存在于任何电路中，因为传感器的输出阻抗一般都很高，其输出信号衰减很大，所以干扰噪声对传感器的影响很大，其噪声信号很容易淹没传感器的输出信号，影响传感器的精度和分辨率，从而影响整个测控系统的性能。

传感器的内部电源、电器、开关及导线等均可能成为干扰源，干扰的引入方式主要如下。

（1）机械干扰

机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，从而改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。

检测仪表受到机械振动后，可能会使电缆接插件滑脱，开关、继电器、插头及各种紧固螺钉松动，印制电路板从插座中跳出等，造成接触不良或短路。

在振动中，仪表的固有频率与振动频率一致时，还会引起共振，导致振幅增大，其引脚在长期交变力作用下，会引起疲劳断裂。

机械干扰可选用专用减振弹簧或吸振海绵来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量。

（2）湿度和温度干扰

当环境相对湿度大于65%时，物体表面就会附着一层水膜，当相对湿度进一步提高时，水膜的厚度将进一步增加，并渗入材料内部，潮湿会造成漏电、击穿和短路现象；

潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰。

传感器处于湿度较大的环境，无论精度还是寿命都会受到致命的影响，因此实际中要采用给某些元件涂抹绝缘漆、设备配备加热驱潮装置等必要措施。

温度干扰是指电子元件在高温下工作时，对检测装置的干扰，主要表现在：

温度升高，电子元件电路参数改变，引起误差；

接触热电动势叠加在有用信号上引起测量误差；

高温下电子元件使用寿命降低，耐压等级降低。

克服温度干扰的防护措施有以下几种。

1①在设计检测电路时，尽量选用低温漂元件。

例如，采用金属膜电阻，低温漂、高精度运算放大器，对电容器容量稳定性要求高的电路使用聚苯乙烯等温度系数小的电容器等。

2②在电路中考虑采取软、硬件温度补偿措施。

3③尽量采取低功耗、低发热元件。

4④选用的元器件规格要有一定的余量。

例如，电阻的阻值要比估算值大一倍以上，电容器的耐压，晶体管的额定电流、电压均要增加一倍以上。

其成本并不与额定值成比例增加，但可靠性却大为增加。

5⑤仪器的前置级应尽量远离发热元件，如电源变压器、稳压模块、功率放大器等；

如果仪器内部采用上下层结构，前置级应置于最下层；

如果仪器本身有散热风扇，则前置级必须处于冷风进风口，功率级置于出风口。

6⑥加强散热，由于金属散热效果好，应尽量将散热片的热量传导到金属机壳上；

采用排风扇、半导体制冷等强迫对流方式散热；

用导热良好的金属材料做成热屏蔽罩，将敏感元件、前置级电路包围起来，防止热电动势的产生。

（3）电磁感应

电磁感应即磁耦合。

信号源与仪表之间的连接导线、仪表内部的配线通过磁耦合在电路中形成干扰。

在工程中使用的大功率的变压器、交流电机、高压电网等的周围空间中都存在很强的交变磁场，而仪表的闭合回路处于这种变化的磁场将会产生感应电动势。

感应电动势为

en=jωBAcosθ（2-23）

en为感应电动势；

B为磁通密度；

A为闭合回路的面积；

θ为磁力线与面积A的垂线的夹角。

这种磁感应电动势与有用信号串联，当信号源与仪表相距较远时，感应电动势较为突出。

为降低感应电动势，B、A或cosθ等项必须尽量减小。

所以采取将导线远离强用电设备或动力网等办法来降低电磁感应的干扰。

（4）静电感应

静电感应即电耦合。

在相对的两个物体中，如其中一物体的电位发生变化，则由于物体间的电容会使另一物体的电位也发生变化。

干扰源通过电容性的耦合在回路中形成干扰。

干扰是两个电场相互作用的结果，如图2-1-10所示。

图2-1-10电耦合干扰

导线1的电位会在导线2上感应出对地的电压ec

（2-24）

当把两根信号线与动力线平行敷设时，由于动力线到两信号线的距离不相等，因此分布电容也不相等。

它在两根信号线上能产生电位差，有时可达几十微伏甚至更大。

当把信号线扭绞时能使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。

而在采用静电屏蔽后，能使感应电势减小到1/1000～1/100。

（5）不同接地点电位引入的干扰

大地上各个不同点之间往往存在电位差。

尤其在大功率的用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，这一电位差更大。

而在仪表的使用中往往会使输入回路存在两个以上的接地点。

这样就会把不同接地点的电位差引入仪表，这种电位差有时会达1～10V以上，它同时出现在两根信号导线上，如图2-1-11所示。

图2-1-11不同地电位引入的干扰

通过静电耦合的方式，可以在两输入端感应出对地的共同电压，并以共模干扰的形式出现。

由于共模干扰不和信号相叠加，它不直接对仪表产生影响。

但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流，该漏电流通过电阻的耦合能直接作用于仪表，产生干扰。

电磁感应、静电感应和不同地电位等电磁干扰都是通过一定的耦合通道对仪表产生影响的，因此可以通过切断干扰的耦合通道来抑制干扰。

通常采用的抑制方式有导线扭绞、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等，一般会同时采取多种措施。

2．抗电磁干扰的措施

常用的抗干扰措施比较多，噪声形成干扰必须具备三个条件：

有噪声源、有对噪声敏感的接收电路和噪声源到接收电路之间的耦合通道。

抑制干扰必须从弄清干扰源、干扰接收电路以及耦合通道三个方面来采取措施。

消除干扰源是积极主动的措施。

例如，插接件接触不良、虚焊等情况，这类干扰源可消除。

但是，很多的噪声源是难以消除的，如泵房中的仪表、泵运动时电机的电磁干扰是不能消除的，这时必须采取防护措施来抑制干扰。

1）串模干扰的抑制

串模干扰与被测信号所处的地位相同，因此一旦产生串模干扰，就不容易消除。

所以应当防止它的产生。

防止串模干扰的措施一般有以下几种。

（1）信号导线的扭绞。

由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且使两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。

（2）屏蔽。

屏蔽分为静电屏蔽、低频磁屏蔽、电磁屏蔽等几种。

静电屏蔽用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不致影响内部的电路。

静电屏蔽不但能防止静电干扰，也可以防止交变电场