項目九檢測技術知識目標

了解信號處理與變換的目的、基本的方法；掌握測量放大器、可編程放大器、隔離放大器等幾種典型的信號的放大和隔離電路，了解其集成芯片；了解幅值和頻率調制與解調的基本原理；了解數／模和模／數轉換技術；了解電子測量裝置的兩種干擾形式；掌握常用的抗干擾措施；了解檢測技術的綜合應用。

技能目標

能根據實際要求傳感器輸出信號的特性、工作方式及系統要求對傳感器輸出信號進行簡單的處理和轉換，會采取一定的抗干擾措施。任務一信號處理與變換

在檢測系統中，傳感器所感知、檢測、轉換和傳遞的信息表現為不同形式的電信號。其電信號的形式多為電荷、電壓、電流、頻率等。其中以電壓輸出型為最多，在電荷、電流輸出和頻率輸出傳感器當中，除了少數直接利用其電流或頻率輸出信號外，大多數是分別配以電荷放大器、電流一電壓變換器或頻率一電壓轉換器，從而將它們轉換成電壓輸出型傳感器。信號需要處理的原因：（1）傳感器的輸出信號一般比較微弱（mV、μV級），有的傳感器輸出電壓僅有0.1μV，信號很容易被周圍環境和系統本身所產生的噪聲所掩沒；（2）傳感器的輸出阻抗都比較高，當其輸出信號接到測量電路時會產生較大的衰減。知識準備

信號處理與變換方法：微弱信號的放大、濾波、隔離、標準化輸出、線性化處理、溫度補償、誤差修正、模一數轉換等。下面介紹信號的放大和隔離、信號的變換等比較重要的處理技術。1.信號的放大與隔離隨著集成電路的發展，目前傳感器的信號放大越來越多地采用集成運算放大器，由于其輸入阻抗高，可靠性高，價格便宜，維護方便，因而得到廣泛應用。現在已經生產出各種專用或通用運算放大器以滿足高精度檢測系統的需要，其中有運算放大器、測量放大器、可編程放大器、隔離放大器等。這里主要介紹幾種典型的傳感器信號放大器。1）測量放大器在許多檢測技術應用場合，傳感器輸出的信號往往較弱，傳感器的工作環境也往往比較惡劣，在傳感器的兩個輸出端上經常產生較大的共模干擾信號，對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，這種放大器即測量放大器，又稱儀用放大器、數據放大器，它廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。圖9-1測量放大器由圖可得測量放大器的放大倍數為：

目前，已有很多高性能的專門單片測量放大器芯片，主要有AD521、AD522、HG6101等。下面我們就具體介紹一下AD521、AD522集成測量放大器特點及應用。①AD521放大倍數按下式計算：圖9-2AD521的管腳圖9-3AD521基本聯接方法

放大倍數可在0.1到1000的范圍內調整，選用RS=100KΩ15%的電阻可得到比較穩定的放大倍數。在使用AD521時，特別注意偏置電流提供回路。為此，輸入端（1）或（3）必須與電源的地構成加路。可以與地直接相連，也可以通過電阻相連。②AD522

AD522是AD公司推出的高精度數據采集放大器，利用它可在惡劣工作環境下獲得高精度數據。AD522具有如下特性：低漂移；非線性低；高共模抑制比；低噪聲；單電阻可編程增益；具有輸出參考端及遠程補償端；可進行內部補償；除增益電阻外，不需其它外圍器件；可調整偏移、增益和共模抑制比。

圖9-4AD522的引腳排列

AD522的一個主要特點是有數據防護端，用于提高交流輸入時的共模抑制比。對遠處傳感器送來的信號，通常采用屏蔽電纜傳送到測量放大器，電纜線上分布參量RC會使其產生相移，當出現交流共模信號時，這些相移將使共模抑制比降低。2）程控增益放大器①AD526圖9-5變反饋電阻的增益放大器電路圖9-6AD526的內部功能圖

當向控制邏輯輸入適當的增益編碼時,就可以選擇所設計的增益。控制邏輯接通FET開關,使增益網絡相應分支接通放大器的反相輸入端。在這個過程中,增益開關導通電阻產生的誤差可以忽略,這是由于放大器輸入偏置電流極低(150μA)的原因。

②AD524圖9-7AD524結構原理圖

AD524即是常用的一種集成可編程增益控制測量放大器。其特點是具有低失調電壓（50mV），低失調電壓漂移（0.5μV/℃），低噪聲（0.3μV（p-p），0.1～10Hz），低非線性（0.003％，增益為1時），高共模抑制比（120dB，增益為1000時），增益帶寬為25MHz，具有輸入保護等；從其結構圖可知，對于1，10，100和1000倍的整數倍增益，無需外接電阻即可實現，在具體使用時只需一個模擬開關來控制即可達到目的；對于其他倍數

的增益控制，也可用一般的改變增益調節電阻Rs的方法來實現，同樣也可用改變反饋電阻與D/A轉換器結合、甚至改變其參考端電壓的方法來實現程控增益。

圖9-7AD524結構原理圖③LH0084圖9-8LH0084結構原理圖3）隔離放大器在自動檢測系統中，一般希望工業現場傳感器輸出的模擬信號與檢測系統的后續電路隔離開來，這樣可以避免工業現場送出的模擬信號帶來的共模電壓及各種干擾對系統的影響。隔離放大器是指對輸入、輸出和電源在電流和電阻彼此隔離使之沒有直接耦合的測量放大器。

隔離放大器具有以下特點：能保護系統元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統的損壞；泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路；共模抑制比高，能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量。

隔離放大器按原理分有兩種類型：一、是按變壓器耦合的方式，具有較高的線性度和隔離性能，但是帶寬一般在lkHz以下；

二、是利用光電耦合的方式，可獲得10kHz帶寬，但其隔離性能不如變壓器耦合

。圖9-9284型隔離放大器電路結構圖

2.調制與解調調制：就是利用緩變信號來控制、調節高頻振蕩信號的某個參數（幅值、頻率或者相位），使其按緩變信號的規律變化。低頻信號稱為調制信號，高頻信號稱為載波信號，而調制出來的信號稱為已調制波。解調：是從已調制波中不失真地恢復原有的低頻調制信號的過程。

若載波信號是諧波信號調制可分為調幅、調頻和調相三種；若載波信號是方波則調制可分為脈寬、脈幅、脈相三種。1）幅值調制與解調①調幅調幅過程就是將調制信號與載波相乘，使載波的幅值隨調制信號的變化而變化。圖9-10正弦幅值調制②解調圖9-11同步解調原理框圖同步解調：解調過程中，所乘的信號與調制時的載波信號具有相同的頻率和相位

。整流檢波：對調幅波進行整流（半波或全波整流）和低通濾波處理，就可復現原調制信號（若已疊加了直流分量，則須準確地減去該直流分量）。相敏檢波：能根據調幅波和載波的相位差來判別調制信號極性的解調器，它適合對各種類型的調幅波進行解調。

2）頻率調制與解調調頻的主要作用也是實現移頻，但調頻較之調幅主要的優點是它的抗干擾能力較強。①頻率調制頻率調制是用低頻調制信號去控制高頻載波頻率的過程。頻率調制實現的方法主要是各種振蕩電路，例如LC振蕩器、電抗調制器、變容二極管調制器、壓控振蕩器等。

圖9-12LC振蕩器②解調頻率調制后的解調電路常稱為鑒頻器，其作用是將已調頻波的頻率變化轉換成電壓的變化，恢復原被測信號的波形。圖9-13調頻波的幅值解調3.數／模和模／數轉換

傳感器輸出的信號大部分是模擬信號，但由于計算機只能處理數字量，在與計算機系統和控制技術相結合時，就要進行模擬量向數字量或數字量向模擬量的轉換。現在這些轉換都已有專用的轉換器，并已集成化，具有體積小、功能強、可靠性高、誤差小、功耗低等特點。1）模／數轉換器技術

A／D轉換器用于實現模擬量—數字量的轉換，按轉換原理可分為四種，即：計數式A／D轉換器、雙積分式A／D轉換器、逐次逼近式A／D轉換器和并行式A／D轉換器。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式。一、雙積分型A/D轉換器工作原理：

將輸入電壓轉換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計數器獲得數字值。特點：1、優點：用簡單電路就能獲得高分辨率；

2、缺點：由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。適用場合：主要用于速度要求不高的場合。

二、逐次比較型A/D轉換器：工作原理：由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出數字值。特點：速度較高、功耗低，其轉換時間大約在幾微秒到幾百微秒之間。圖9-14ADC0809內部邏輯結構①ADC0809的內部邏輯結構②信號引腳圖9-15ADC0809引腳圖

2）數模轉換數模轉換就是將離散的數字量轉換為連接變化的模擬量，實現該功能的電路或器件稱為數模轉換電路，通常稱為D/A轉換器或DAC。

圖9-16DAC0832引腳圖圖9-17DAC0832內部結構框圖任務二抗干擾技術

傳感器或測量系統的工作環境往往十分復雜，存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備的啟停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們在系統中產生電磁感應和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統的正常運行，輕者造成系統的不穩定，降低了系統的精度；嚴重者會引起測量系統不能正常工作或造成后續控制系統的誤動作，為使檢測系統正常、可靠工作，必須研究系統的抗干擾技術。

知識準備

干擾問題是檢測系統設計和使用過程中必須考慮的重要問題。所謂干擾，就是指有用信號以外對系統的正常工作產生不良影響的內部或外部因素的總稱。干擾的形成包括三個要素：干擾源、傳播途徑和接受載體。三個要素缺少任何一項干擾都不會產生。抗干擾技術就是針對三個要素的研究和處理。

干擾的來源（1）外部干擾空間電磁場的影響，包括輸電線路和電氣設備發出的電磁場，通信廣播發射的無線電波，雷電、火花放電、弧光放電和輝光放電等放電現象等；（2）內部干擾主要由分布電容、分布電感等分布參數所引起的耦合感應，電磁場輻射感應，長線傳輸的波反射，多點接地造成的電位差以及寄生振蕩引起的干擾；另外元器件產生的噪聲也屬于內部干擾。

傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。電磁信號在空中直線傳播，并具有穿透性的傳播叫作輻射方式傳播；電磁信號借助導線傳入設備的傳播被稱為傳導方式傳播。傳播途徑是干擾擴散和無所不在的主要原因。

接受載體是指受影響的設備的某個環節吸收了干擾信號，并轉化為對系統造成影響的電氣參數。接受載體不能感應干擾信號或弱化干擾信號使其不被干擾影響就提高了抗干擾的能力。接受載體的接受過程又稱為耦合，耦合分為兩類，傳導耦合和輻射耦合。傳導耦合是指電磁能量以電壓或電流的形式通過金屬導線或集總元件（如電容器、變壓器等）耦合至接受載體；輻射耦合指電磁干擾能量通過空間以電磁場形式耦合至接受載體。1.電子測量裝置的兩種干擾1）差模干擾差模干擾是使信號接收器的一個輸入端電位相對另一個輸入端電位發生變化，即疊加在被測信號上的干擾信號。產生差模干擾的原因有分布電容的靜電耦合、長線傳輸的互感、空間電磁場引起的磁場耦合等。

圖9-18差模干擾等效電路圖

針對具體情況可以采用雙絞信號傳輸線、傳感器耦合端加濾波器、金屬隔離線、屏蔽等措施來消除差模干擾。2）共模干擾

共模干擾往往是指同時加載在各個信號接收器輸入信號接口端的共有的信號干擾。雖然它不直接影響結果，但是當信號接收器的輸入電路參數不對稱時，它會轉化為差模干擾，對測量結果產生影響。

圖9-19共模干擾等效電路圖3）共模干擾抑制比檢測系統對共模干擾的抑制能力可以用共模干擾抑制比來衡量，它是指作用于系統的共模干擾信號與使系統產生同樣輸出所需的差模信號之比。通常用對數形式表示：2.常用的抑制干擾措施（1）屏蔽技術屏蔽是利用導電或導磁材料制成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸的技術措施。屏蔽的目的就是隔斷場的耦合通道。按需屏蔽的干擾場的性質不同，可分為靜電屏蔽、低頻磁場屏蔽和電磁屏蔽。

靜電屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。通常用銅和鋁等導電性能良好的金屬材料作屏蔽體，屏蔽體結構應盡量完整嚴密并保持良好的接地，使其內部的電力線不外傳，同時外部的電場也不影響其內部。使用靜電屏蔽技術時，應注意屏蔽體必須接地，否則雖然導體內無電力線，但導體外仍有電力線，導體仍受到影響，起不到靜電屏蔽的作用。靜電屏蔽原理

有些筆記本在機殼內部噴上一層金屬漆，來起到一定靜電屏蔽的作用

靜電屏蔽袋

磁場屏蔽是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。低頻磁場屏蔽的原理是使絕大部分磁通量經屏蔽體通過，所以對靜磁場及低頻交變磁場要采用坡莫合金之類高磁導率的材料做成屏蔽層，并保證磁路暢通，以便將干擾限制在磁阻很小的屏蔽體的內部，起到抗干擾的作用，同時要有一定厚度，以減少磁阻。圖中A為一磁導率很大的軟磁材料（如坡莫合金或鐵鋁合金）做成的罩，放在外磁場中。由于罩的磁導率μ大得多，所以絕大部分磁場線從罩殼的壁內通過，而罩殼內的空腔中，磁感線是很少的。這就達到了磁屏蔽的目的。

電磁屏蔽是利用導電良好的金屬材料如銅、鋁等做出屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內產生的渦流，再利用渦流磁場抵捎高頻干擾磁場的影響，從而達到抗高頻電磁場干擾的效果。考慮到高頻趨膚效應，高頻渦流僅在屏蔽層表面一層，因此屏蔽層的厚度只需考慮機械強度。將電磁屏蔽妥善接地后．其具有電場屏蔽和磁場屏蔽兩種功能。（2）隔離隔離是指把干擾源與接收系統隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。1）光電隔離

光電隔離所用的器件是光電耦合器。

圖9-20光電隔離原理2）變壓器隔離對于交流信號的傳輸一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。

圖9-21變壓器隔離原理3）繼電器隔離繼電器線圈和觸點僅有機械上形成聯系，而沒有直接的電的聯系，因此可利用繼電器線圈接受電信號，而利用其觸點控制和傳輸電信號，從而可實現強電和弱電的隔離。同時，繼電器觸點較多，且其觸點能承受較大的負載電流，因此應用非常廣泛。3.接地接地是保證人身和設備安全、抗噪聲干擾的一種方法。接地有兩種情況，一種是設定一個基準面（如金屬機殼），所有信號回線都與之相連，包括測量儀器在內的所有電子儀器內部均為此接法。另一種是直接接地，工業電源、電力設備等都與大地相連。檢測系統接地包括一點接地和多點接地兩種方式。

1）一點接地

就是將各種具有不同信號電平的信號地線、噪聲地線和金屬件地線分別在電路中適當的一點接地，而不應相互串接。—點接地又分單級電路一點接地和多級電路一點接地兩種情況。

圖9-22串聯一點接地圖9-23并聯一點接地2）多點接地若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾，這時最好采用多點接地，如圖9-24所示，各接地點就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構件上。圖9-24多點接地

4.濾波濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由于干擾源發出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當接受器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。這時，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。

濾波電路的功能是能使一種頻率順利通過，而將另一部分頻率進行較大的衰減。由于傳感器輸出信號大多是緩慢變化的，因而對傳感器的輸出信號常采用低通濾波器，它只允許低頻信號通過而不能通過高頻信號。圖9-25二階RC有源低通濾波電路任務三檢測技術的綜合應用

實際應用檢測技術時，往往很少單獨地使用一個傳感器來組成儀表或系統，應用較多的是將多個不同類型的傳感器和計算機、控制電路等綜合在一起來構成檢測控制系統完成某種任務。知識準備1.檢測技術在數控伺服系統中的應用圖9-26數控銑床結構示意圖1-右工作臺2-工件支架3-下支架壓力油孔4-左工作臺5-數字編碼器6、7、8-直線磁柵傳感器9-溫度傳感器10-銑刀11-被加工軸12-工件夾具13-液壓系統14-壓力傳感器圖9-27數控機床閉環控制系統2.檢測技術在機器人中的應用機器人就是由計算機控制的能模擬人的感受、動作并可以完成有效工作的機器。傳感器在機器人的控制中起了非常主要的作用，有了傳感器，機器人就可以具備類似于人類的知覺功能。表9-1機器人傳感器的分類及應用任務實施1.絕對值放大器圖9-28絕對值放大器

2.光隔離放大器圖9-29光隔離放大器3.AC—DC變換電路圖9-30AC—DC變換電路4.直流電源濾波器圖9-31直流電源濾波器項目小結

信號處理與變換技術主要介紹了信號放大、調制/解調、隔離、標準化輸出、線性化處理、溫度補償、誤差修正、模一數轉換等。傳感器的信號放大多采用集成運算放大器，有運算放大器、測量放大器、程控增益放大器、隔離放大器等，測量放大器放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗；程控增益放大器是通過計算機軟件控制的辦法來實現增益的自動變換，它放大倍數可根據需要通過編程進行控制；隔離放大器是指對輸入、輸出和電源在電流和電阻彼此隔離使之沒有直接耦合的測量放大器。在直流放大時，常先用調制的方法把它先變成適當頻率的交流信號，再進行交流放大，然后用解調恢復被測量。調制一般利用緩變信號來控制、調節高頻振蕩信號的某個參數，使其按緩變信號的規律變化。若載波信號是諧波信號，調制可分為調幅、調頻和調相三種；若載波信號是方波，則調制可分為脈寬、脈幅、脈相三種。傳感器在與計算機系統和控制技術相結合時，就要進行模擬量向數字量或數字量向模擬量的轉換。模／數轉換器用于實現模擬量—數字量的轉換，數/模轉換器就是將離散的數字量轉換為連接變化的模擬量。知識拓展傳感器與微型計算機的接口技術1.概述接口技術有硬件接口和軟件接口兩種，軟件接口是指CPU通過編程來實現數據采集，主要方法有定時詢問，即定時查詢標志位，轉換結束取走數據；延時等待，即CPU發出啟動轉換指令后，延時一段時間，轉換結束后取走數據；中斷技術，即采用中斷方式取走數據等。

硬件接口就是傳感器與計算機之間的連接電路，主要考慮Ａ／Ｄ轉換和噪聲消除方法等。2.傳感器與微機接口的基本方式（1）數字開關量接口方式對于數字開關量信號，若符合TTL電平，可通過三態緩沖器直接輸入微機；若不符合TTL電平，則要經過放大、變換和整形后再進入微機。（2）數字信號接口方式