传感器所感知、检测、转换和传递信息的表现形式为不同的电信号。传感器输出电信号的参量形式可分为电压输出、电流输出和频率输出。其中,以电压输出传感器最多,在电流输出和频率输出传感器中,除了少数直接利用其电流或频率为输出信号外,大多数配有电流—电压变换器或频率—电压变换器,以将它们转换成电压输出传感器。传感器的输出信号一般比较微弱(mV、μV级),有时夹杂有其他信号(干扰或载波),因此,在传输过程中,需要依据传感器输出信号的具体特征和后端系统的要求,连接接口电路,对传感器输出信号进行各种形式的处理,如阻抗变换、电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、A/D和D/A等。同时还要考虑在传输过程中可能受到的干扰影响,如噪声、温度、湿度、磁场等,需要采取一定的措施。
由于电子技术的发展和微加工技术的应用,现在的许多传感器中均已经配置了部分处理电路(或配置有专用处理电路),大大简化了设计和维修人员的技术难度。例如,反射式光电开关传感器中集成了逻辑控制电路;压力传感器的输出端连接专用接口处理电路后可以直接输送给A/D;光电编码传感器输出的是5 V的脉冲信号,可以直接传送给计算机。
传感器输出信号种类较多,输出信号具有微弱、易衰减、非线性及易受干扰等特点。因此使用时需要选择合适的测量电路才能发挥其作用。测量电路不仅能使其正常工作,还能在一定程度上克服传感器本身的不足,并对某些参数进行补偿,扩展其功能,改善线性和提高灵敏度。要使传感器输出信号能用于仪器、仪表的显示或控制,一般要对输出信号进行必要的加工处理。
一、测量电路的基本概念及传感器输出信号的特点
在传感器技术中,通常把对传感器的输出信号进行加工处理的电子电路称为传感器测量电路。传感器输出信号一般具有以下特点:
(1)传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开关信号型等。
(2)传感器输出信号的种类有电压、电流、电阻、电容、电感及频率等,通常是动态的。
(3)传感器的动态范围大。
(4)输出的电信号一般都比较弱,如电压信号通常为μV~mV级,电流信号为μA~mA级。
(5)传感器内部存在噪声,输出信号会与噪声信号混合在一起。当噪声比较大而输出信号又比较弱时,常会使有用信号淹没在噪声中。
(6)传感器的大部分输出—输入关系曲线呈线性。有时部分传感器的输出—输入关系曲线是非线性的。
(7)传感器的输出信号易受温度的影响。
二、测量电路的作用
在各种数控设备及自动化仪表产品中,对被测量的检测控制和信息处理均采用计算机来实现。因此,传感器输出信号需要通过专门的电子电路进行必要的加工、处理后才能满足要求。传感器输出信号经过加工后可以提高其信噪比,并易于传输和与后续电路环节相匹配。传感器测量电路可由各种单元电路组成,常用的单元电路有电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保持电路、A/D和D/A转换电路、调制解调电路。随着计算机技术和微电子技术的进一步发展,各种数字集成块及专用模块的应用会越来越广泛。(www.xing528.com)
在测量系统中,传感器测量电路只是一个中间环节。根据测量项目的要求,测量电路有时可能只是一个简单的转换电路,有时则要与数台为了完成某些特定功能的仪器、仪表相组合。
三、测量电路的要求
选用传感器测量电路主要是根据传感器输出信号的特点、装置和设备等对信号的要求来确定的,还要考虑工作环境和整个检测系统对它的要求,并采取不同的信号处理方式。一般情况下,应考虑以下几个方面的要求:
(1)在测量电路与传感器的连接上,要考虑阻抗匹配问题,以及电容和噪声的影响。
(2)放大器的放大倍数要满足显示器、A/D转换器或I/O接口对输入电压的要求。
(3)测量电路的选用要满足自动控制系统的精度、动态特性及可靠性要求。
(4)测量电路中采用的元器件应满足仪器、仪表或自动控制装置使用环境的要求。
(5)测量电路应考虑温度影响及电磁场的干扰,并采取相应的措施进行补偿修正。
(6)电路的结构、电源电压和功耗要与自动控制系统整体相协调。
四、传感器测量电路的类型及组成
由于传感器品种繁多,输出信号的形式各不相同,因此其输出特性也不一样。后续仪器、仪表和控制装置等对测量电路输出电压的幅值和精度要求也各不相同,所以构成测量电路的方式和种类也不尽相同。按传感器输出信号的要求,可将传感器检测电路分为模拟型测量电路、数字型测量电路和开关型测量电路,见表3-1。
表3-1 传感器检测电路分类
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