2.4 常用检测与转换电路_传感器检测技术与仪表-QQ阅读男生轻小说网

上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

2.4　常用检测与转换电路

被测信息采集由传感器完成，一般需要将被测信息转换成电信号，即把被测信号转换成电压、电流或电路参数（电阻、电感、电容、电荷、频率）等电信号输出。其中，电阻、电感、电容、电荷、频率等还需要进一步转换为电压或电流；一般情况下电压、电流还需要放大，这就是变送器的变换部分，这些功能由转换电路来实现。转换电路是信号检测传感器与测量、记录仪表和计算机之间的重要桥梁。转换电路的主要作用如下：

（1）将信号检测传感器输出的微弱信号进行放大、滤波，以满足测量、记录仪表需要；

（2）完成信号的组合、比较，系统间阻抗匹配及反相等工作，以实现自动检测和控制；

（3）完成信号的转换。

在信号检测技术中，常用的中间转换电路有电桥、放大器、滤波器、调频电路、阻抗匹配电路等。

2.4.1　电桥

电桥是将电阻、电感、电变换为电压或电流输出的一种测量电路。根据供桥电源，电桥可分为直流电桥和交流电桥。当电桥输出端接入的仪表或放大器的输入阻抗足够大时，可认为其负载阻抗为无穷大，这时的电桥称为电压桥；当其输入阻抗与内电阻匹配时，满足最大功率传输条件，这时的电桥称为功率桥或电流桥。

图2-6　直流电桥

1.直流电桥

直流电桥的桥臂全为电阻，如图2-6所示。电阻R1、R2、R3、R4作为四个桥臂，在A、C端（称为输入端，电源端）接入直流电源U，在B、D端（称为输出端Uo，测量端）输出电压UBD。测量时常用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4，或电源端对称电桥，即R1=R2，R3=R4。

直流电桥的输出电压为

则当R1R3=R2R4时，电桥输出为0。

称为直流电桥的平衡条件。

设电桥四个桥臂电阻增量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，则电桥的输出为

忽略高阶小量，有

式（2-9）称为直流电桥的和差特性。

（1）单臂电桥（应用中常选用R1=R2=R3=R4=R，称之为等臂电桥。）当R1阻值变化（为工作应变片），其他三个桥臂为固定电阻时的等臂电桥称为单臂电桥，此时的输出电压为

（2）半桥。当相邻的两个桥臂电阻为工作应变片，且阻值变化方向相反时，其他两个桥臂为固定电阻时的等臂电桥称为差动半桥，简称半桥。此时的输出电压为

（3）全桥。四个桥臂全为工作应变片的等臂电桥称为差动全桥，简称全桥。此时的输出电压为

从上可知单臂电桥、半桥、全桥的输出电压之比为

U1∶U2∶U3=1∶2∶4　　（2-13）

2.交流电桥

当供桥电源为交流时，电桥为交流电桥。交流电桥的桥臂除了有电阻外，还有电容或电感，如图2-7所示。其中，两个桥臂分别有电容C1和C2。

交流电桥的平衡条件为

式中： ——桥臂的复阻抗。

图2-7　交流电桥

平衡条件可以写成：

使其实部虚部相等，则

式（2-16）为交流电桥的平衡条件。

实际应用的交流电桥电路如图2-8所示。其中，Cx为传感器电容，Z1为可调等效配接阻抗，C0和Z分别为固定电容和固定阻抗。

图2-8　实际应用的交流电桥电路

首先将电桥初始状态调至平衡。当传感器工作时，电容Cx发生变化，电桥失去平衡，从而输出交流电压信号，交流电压信号经过交流放大器放大，再经过相敏检波器和低通滤波器分别检出直流电压、滤掉交流分量，最后得到直流电压输出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。

3.变压器电桥

（1）变压器电桥单臂接法。图2-9所示为变压器电桥单臂接法，供桥电源通过变压器耦合方式提供给电桥电路。

如图2-9所示，高频电源经变压器接到电容桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3构成电桥的三个臂，Cx为电容传感器，Zx为电容传感器所在桥臂的阻抗

传感器未工作时，桥臂四个电容符合电桥平衡条件，即Z1=Z2=Zx=Z3=Z，输出为0。

传感器工作时，电容Cx发生变化，产生的阻抗增量为ΔZ，输出电压不为0，此时输出电压为

从而可测得电容的变化值。

忽略高阶无穷小项，可得变压器电桥单臂接法非线性误差为。

（2）变压器电桥差动接法。变压器电桥多采用差动接法，如图2-10所示，C1和C2以差动形式接入相邻两个桥臂，若Z1产生增量ΔZ1，Z2产生反向增量ΔZ2，即ΔZ1=-ΔZ2=ΔZ，另外，两个桥臂为变压器的二次线圈。则

输出为开路时，电桥空载输出电压为

若Z1产生反向增量ΔZ1，Z2产生增量ΔZ2，即-ΔZ1=ΔZ2=ΔZ

由式（2-20）和式（2-21）可知，差动接法的变压器电桥不但可以测量电容的大小，还可以测量电容的变化方向。

图2-9　变压器电桥单臂接法

图2-10　变压器电桥差动接法

4.二极管双T形电桥

在交流电路中，常应用二极管双T形电桥，如图2-11（a）所示，高频电源u提供频率为f、幅值为U的正弦波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管。C1、C2为传感器的两个差动电容。

电路的工作原理：电源正半周的等效电路如图2-11（b）所示；电源负半周的等效电路如图2-11（c）所示。

图2-11　二极管双T型电桥及等效电路

在电源正半周，VD1导通，电容C1充电；VD2截止，电容C2放电；在随后的电源负半周，电容C1上的电荷通过电阻R1、负载电阻RL放电。一个周期内流经RL的平均电流为，即

在电源负半周，VD2导通，电容C2充电；VD1截止，电容C1放电；在随后的电源正半周，电容C2上的电荷通过电阻R2、负载电阻RL放电。一个周期内流经RL的平均电流为，即

在一个周期内，方向相反，当R1=R2=R时，上述两个过程在负载RL上流过的平均电流产生的电压为

传感器不工作时，C1=C2，输出电压为0；传感器工作时，负载电阻RL上产生的电压反映了C1-C2的大小和方向。

电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点。

2.4.2　放大器

由传感器输出的信号通常需要进行电压放大或功率放大，以便对信号进行检测，因此必须采用放大器。

放大器的种类很多，使用时应根据被测物理量的性质不同合理选择，如对变化缓慢、非周期性的微弱信号（如热电偶测温时的热电势信号），可选用直流放大器或调制放大器。对压电式传感器常配有电荷放大器。

放大器应满足如下条件：

（1）放大倍数大且线性度好；

（2）抗干扰能力强且内部噪声低；

（3）动态响应快；

（4）输入阻抗高以保证测量精度；

（5）输出阻抗低使之有足够的输出功率。

1.运算放大器

放大电路中，运算放大器是应用最广泛的一种模拟电子器件。其特点是输入阻抗高、增益大、可靠性高、价格低廉、使用方便。理想的运算放大器具有开环增益为无穷大、输入阻抗为无穷大、输出阻抗为零、带宽无穷、干扰噪声等于零等性质。

反相运算放大器是最基本的运算放大器电路，如图2-12所示。

其闭环电压增益Au为

反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。

反相运算放大器电容测量电路如图2-13所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。

图2-12　反相运算放大器电路

图2-13　反相运算放大器电容测量电路

同相运算放大器也是最基本的运算放大器电路，如图2-14所示。

其闭环电压增益Au为

同相运算放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大器。

2.差分放大器

当运算放大器的反相端和同相端分别输入信号U1和U2时，如图2-15所示。

图2-14　同相运算放大器电路

图2-15　差分放大器电路

输出电压Uo为

R1=R2，RF=R3时为差分放大器，其差模电压增益为

当R1=R2=RF=R3时，为减法器，输出电压为Uo=U2-U1。

由于差分放大器具有双端输入、单端输出、共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。

3.测量放大器

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，传感器的工作环境往往比较恶劣和复杂，在传感器的两条输入线上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的共模干扰。对微弱信号及具有较大共模干扰的场合，可采用测量放大器（又称仪用放大器、数据放大器）进行放大，如图2-16所示。

图2-16　测量放大器的基本电路

放大器由两级串联。前级由两个同相放大器组成，为对称结构，输入信号加在前两个运算放大器的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差分放大器，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输入方式，以适应对地负载的需要。

差分放大器的输入为

则差分放大器输出电压U2为

测量放大器的放大倍数可由式（2-31）计算，即

R4是用于调节放大倍数的外接电阻，通常采用多圈电位器，并应靠近组件。若距离较远，应将连线绞合在一起，以减小干扰。

组成前级差分放大器的两个芯片必须要配对，即两块芯片的温度漂移符号和数值尽量相同或接近，以保证模拟输入为零时，放大器的输出尽量接近于零。此外，还要满足：

4.微分放大器

微分放大器电路如图2-17所示。

由运算放大器特性可得

I1=I2　　（2-33）

所以

由式（2-34）可知，运算放大器输出与输入的微分成正比，因此称其为微分放大器。

5.积分放大器

积分放大器与反向运算放大器类似，主要区别在于其反馈采用了电容元件，如图2-18所示。

图2-17　微分放大器电路

图2-18　积分放大器电路

由运算放大器特性可得

I1=I2　　（2-35）

所以

2.4.3　滤波器

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

根据带通和带阻所处的范围不同，滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

1.低通滤波器

低通滤波器幅频特性如图2-19所示，频率在0Hz～f2之间，幅频特性平直，它使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大衰减。

2.高通滤波器

与低通滤波器相反，高通滤波器幅频特性如图2-20所示，频率大于f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大衰减。

图2-19　低通滤波器幅频特性

图2-20　高通滤波器幅频特性

3.带通滤波器

带通滤波器幅频特性的通频带在f1～f2之间，如图2-21所示，它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其他频率成分受到衰减。

4.带阻滤波器

与带通滤波相反，带阻滤波器幅频特性如图2-22所示，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

图2-21　带通滤波器幅频特性

图2-22　带阻滤波器幅频特性

5.RC滤波器

在测试系统中，常用RC滤波器。在工程测试领域，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，在工程测试领域最常用到的滤波器是RC滤波器。

（1）一阶RC低通滤波器。一阶RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图2-23所示，其中τ=RC。

由图2-23可知，当ω（ω=2πf）很小时，A（ω）=1，信号不受衰减地通过；当ω很大时，A（ω）=0，信号完全被阻挡，不能通过。

图2-23　一阶RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性

（2）一阶RC高通滤波器。一阶RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图2-24所示。

图2-24　一阶RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性

由图2-24可知，当ω很小时，A（ω）=0，信号完全被阻挡，不能通过；当ω很大时，A（ω）=1，信号不受衰减地通过。

低通滤波器和高通滤波器的截止频率相同，。

（3）RC带通滤波器。带通滤波器可以看作低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如图2-25所示。

图2-25　RC带通滤波器电路及其幅频、相频特性

极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。

应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者运算放大器隔离，所以实际带通滤波器通常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间的隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。

（4）滤波器的选用。选用滤波器时需要注意仪表的外接阻抗及放大器的输入阻抗；滤波器时间常数对仪表动态性能的影响；滤波器的频率特性。

6.LC滤波器

利用电感的感抗与频率成正比、电容的容抗与频率成反比的特性，以电感作为串臂、电容作为并臂构成的就是LC滤波器，如图2-26所示。由于电感对高频的阻流作用和电容对高频的分流作用，它可以使较低频率的信号通过，从而抑制了高频的噪声干扰。

图2-26　LC滤波器

通过信号的频率为。

2.4.4　V/F变换

电压/频率转换器的作用是把电压信号转变成频率信号。将输出是脉冲电压信号的涡流流量计、光电式或磁阻式转速传感器与其配合使用，可以实现稳态和动态测量和记录；若与计算机连接，可以对流量、转速等物理量自动实现数据采集、处理和控制。

集成LM331 的线路图如图2-27所示。

图2-27　集成LM331的线路图

其输出为

集成LM131/231/331的V/F变换线性度高，可工作在单电源或双电源下，脉冲输出与TTLCMOS等逻辑电平兼容，温度稳定性好，低功耗，5V供电典型值为15mW，输入电压为0.2V～VCC；频率范围为1～100kHz。

2.4.5　V/I变换

电流信号适于长距离传输，传输中信号衰减小、抗干扰能力强，在工业控制系统中常以电流方式为传输信号。因此，大量的常规工业仪表以电流方式互相配接。

按仪器仪表标准，DDZ-Ⅱ系列仪表各单元之间的联络信号为0～10mA，而DDZ-Ⅲ系列仪表各单元之间的联络信号为4～20mA。D/A转换器的输出信号有的是电压方式，有的是电流方式，但是电流幅度大都在微安数量级。因此，D/A转换器的输出常常需要配接V/I（电压/电流）转换器。

常用的V/I转换器可分为两种，如图2-28所示。一种为负载共电源方式，另一种为负载共地方式。

图2-28　V/I转换器

对于图2-28（a）所示的负载共电源方式的V/I转换器，由于运算放大器输入负端与输入正端电位基本相等，即Vi≈Vf，可得

对于图2-28（b）所示的负载共地方式的V/I转换器，是一个电流并联负反馈电路。由于运算放大器正负输入端电位近似相等，当R2很大且远大于Rf，可得

化简得

如果取R1=100kΩ，R2=20kΩ，Rf=100Ω，则当Vi在0～+5V时，I0为0～10mA。

使用负载共地方式需要注意：电路中各电阻应当选用精密电阻，以保证足够的转换精度。转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用没有调零端的运算放大器，必须附加额外的调零电路。正电源的取值必须满足+V>（Rf+RL）Iomax，Iomax为Io的最大值。如果需要改变输入电压范围，只需要改变R2/R1的数值就可以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，则需要在运算放大器输入端附加偏置电压。

标准输出电流信号有0～10mA和4～20mA两种，如图2-29所示，其中4～20mA的标准输出电流被广泛地应用。

采用电流信号的原因是其不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。

图2-29　两种标准输出电流信号

另外，工业上应用的电流型V/I变送器实际使用两线制传感器越来越多。

电流型变换器将物理量转换成4～20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接四根线，称为四线制变送器，如图2-30（a）所示。当然，电流输出可以与电源共用一根线（共用VCC或者GND），可节省一根线，称为三线制变送器，如图2-30（b）所示。4～20mA电流本身就可以为变送器供电，如图2-30（c）所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4～20mA之间，根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串联在电路中即可。这种变送器只需要外接两根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电，这使得两线制传感器的设计成为可能。在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上，两者之间距离可能有数十米至数百米。按100m距离计算，省去两根导线意味着成本降低近百元。因此在实际使用中两线制传感器得到越来越多的应用。

图2-30　电流型V/I变送器的应用

2.4.6　调频电路

电容式传感器接在电容变换器的振荡器振荡槽路中，当传感器电容Cx发生改变时，其振荡频率发生相应变化，振荡器频率受电容式传感器的电容调制，实现由电容变化到频率的转换，故称为调频电路。但是伴随频率的改变，振荡器输出幅值往往也发生变化，为克服振荡器输出幅值的变化，在振荡器之后加入限幅放大器。此频率作为测量系统的输出量，可以用于判断被测量大小，但系统是非线性的，且不易校正。故在系统之后再加入鉴频器，用鉴频器可调整的非线性特性补偿其他部分的非线性，从而使整个系统获得线性特性，整个系统输出将为电压或电流等模拟量，如图2-31所示。

图2-31　调频电路

调频振荡器的频率可由式（2-41）计算。

式中：L——振荡回路的电感；

Cx——电容式传感器总电容（包括传感器电容、谐振回路中微调电容和传感器电缆分布电容等）。

调频电路抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高；可测量0.01μm级的位移变化量；能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。

2.4.7　脉冲调宽型电路

脉冲调宽型电路原理如图2-32所示。电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化，再通过低通滤波器得到相应被测量变化的直流信号。

A1及A2是电压比较器，两个比较器的同相输入端接入幅值稳定的参比电压+E。若Uc高于E，则A1输出为负电平；或UD高于E，则A2输出为负电平，A1和A2比较器是放大倍数足够大的放大器。

图2-32　脉冲调宽型电路原理图

FF为双稳态RS触发器，采用负电平输入。若A1输出为负电平时，则端为低电平（零电平），而端为高电平；若A2输出为负电平时，则端为低电平，而Q端为高电平。

假设传感器处于初始状态，即CX1=CX2=C0；且A点为高电平，即UA=U；而B点为低电平，即Ub=0。

此时，UA经过R1对CX1充电，使电容CX1上的电压按指数规律上升，时间常数为τ1=R1CX1当UC≥E时，比较器A1翻转，输出端呈负电平，触发器也跟着翻转，Q端（即A点）由高电平降为低电平，同时端（即B点）由低电平升为高电平；此时，CX1充有电荷，将经二极管VD1迅速放电。由于放电时间常数极小，UC迅速降为零，这又导致比较器A1再翻转成输出为正。从触发器输出端升为高电平开始，UB即经过R2按指数规律，以时间常数τ2=R2CX2的速率对CX2充电，D点电位开始上升，当UD≥E时。比较器A2翻转，其输出端由正变为负，这一负跳变促使触发器FF又一次翻转，使端为低电平，Q端为高电平，于是充在CX2上的电荷经VD2放电，使UD迅速降为零，A2复原，同时A点的高电位开始经D1对CX1充电，又重复前述过程。其波形如图2-33所示。