第一篇：熱電偶溫度傳感器信號調理電路設計與仿真介紹

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錄

第1章 緒 論.........................................................................................................1 1.1 課題背景與意義..........................................................................................1 1.2 設計目的與要求..........................................................................................1 1.2.1 設計目的...........................................................................................1 1.2.2 設計要求...........................................................................................1 第2章 設計原理與內容...........................................................................................2

2.1 熱電偶的種類及工作原理.............................................................................3

2.1.1熱電偶的種類....................................................................................3

2.1.2 工作原理分析....................................................................................4

2.2 設計內容......................................................................................................4 2.2.1 總體設計...........................................................................................4 2.2.2 原理圖設計.......................................................................................5 2.2.3 可靠性和抗干擾設計.......................................................................7 第3章 器件選型與電路仿真...................................................................................8 3.1 器件選型說明..............................................................................................8 3.2 電路仿真......................................................................................................8 第4章 設計心得與體會...........................................................................................9 參考文獻.....................................................................................................................10 附錄1：電路原理圖...................................................................................................11 附錄2：PCB圖............................................................................................................11 附錄3：PCB效果圖....................................................................................................11

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第1章 緒 論

1.1 課題背景與意義

溫度是一個基本的物理量，在工業生產和實驗研究中，如機械、食品、化工、電力、石油、等領域，溫度常常是表征對象和過程狀態的重要參數，溫度傳感器是最早開發、應用最廣的一類傳感器。本設計中正是關于溫度的測量，采用熱電偶溫度測量具有很多的好處，它具有結構簡單，制作方便，測量范圍廣，精度高，慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。

同時，熱電偶作為有源傳感器，測量時不需外加電源，使用十分方便，所以常在日常生活中被應用，如測量爐子，管道內的氣體或液體溫度及固體的表面溫度。熱電偶作為一種溫度傳感器，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用。熱電偶可直接測量各種生產中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。

1.2 設計目的與要求 1.2.1 設計目的

(1)了解常用電子元器件基本知識（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路）；(2)了解印刷電路板的設計和制作過程；(3)掌握電子元器件選型的基本原理和方法；

(4)了解電路焊接的基本知識和掌握電路焊接的基本技巧；

(5)掌握熱電偶溫度傳感器信號調理電路的設計，并利用仿真軟件進行電路的調試。

1.2.2 設計要求

選用熱電偶溫度傳感器進行溫度測量，要求測溫范圍100-300℃、精度為0.1℃。設計傳感器的信號調理電路，實現以下要求：

（1）將傳感器輸出4.096-12.209mV的信號轉換為0-5V直流電壓信號；（2）對信號調理電路中采用的具體元器件應有器件選型依據；（3）電路的設計應當考慮可靠性和抗干擾設計內容；（4）電路的基本工作原理應有一定說明；

（5）電路應當在相應的仿真軟件上進行仿真以驗證電路可行性

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第2章 設計原理與內容

2.1 熱電偶的種類及工作原理 2.1.1 熱電偶種類

1、K型熱電偶鎳鉻

Ｋ型熱電偶是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶，可測量0～1300℃的介質溫度，適宜在氧化性及惰性氣體中連續使用，短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃，其熱電勢與溫度的關系近似線性，是目前用量最大的熱電偶。然而，它不適宜在真空、含硫、含碳氣氛及氧化還原交替的氣氛下裸絲使用；當氧分壓較低時，鎳鉻極中的鉻將擇優氧化，使熱電勢發生很大變化，但金屬氣體對其影響較小，因此，多采用金屬制保護管。Ｋ型熱電偶缺點：

(1)熱電勢的高溫穩定性較Ｎ型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下(例如超過1000℃)往往因氧化而損壞；

(2)在250～500℃范圍內短期熱循環穩定性不好，即在同一溫度點，在升溫降溫過程中，其熱電勢示值不一樣，其差值可達2～3℃；

(3)其負極在150～200℃范圍內要發生磁性轉變，致使在室溫至230℃范圍內分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場中使用時往往出現與時間無關的熱電勢干擾；

(4)長期處于高通量中系統輻照環境下，由于負極中的錳(Ｍn)、鈷(CO)等元素發生蛻變，使其穩定性欠佳，致使熱電勢發生較大變化。

2、S型熱電偶

該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負極為純鉑。其特點是：

(1)熱電性能穩定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續使用、長期使用溫度可達1300℃ 超達1400℃時，即使在空氣中、純鉑絲也將會再結晶，使晶粒粗大而斷裂；(2)精度高，在所有熱電偶中準確度等級最高，通常用作標準或測量較高溫度；(3)使用范圍較廣，均勻性及互換性好；

(4)主要缺點有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價格較貴，機械強度低，不適宜在原

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性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。

3、E型熱電偶(鎳鉻－銅鎳[康銅]熱電偶)Ｅ型熱電偶為一種較新產品，正極為鎳鉻合金，負極為銅鎳合金(康銅)。其最大特是 在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高；它的應用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛但要 求靈敏度高、熱導率低、可容許大電阻的條件下，常常被選用；使用中的限制條件與型相 同，但對于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感。

4、N型熱電偶(鎳鉻硅－鎳硅熱電偶)

該熱電偶的主要特點：在1300℃以下調溫抗氧化能力強，長期穩定性及短期熱循環復現性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在400～1300℃范圍內，Ｎ型熱電偶的熱電特性的線性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(-200～400℃)的非線性誤差較大，同時，材料較 硬難于加工。

5、J型熱電偶(鐵－康銅熱電偶)

J 型熱電偶：該熱電偶的正極為純鐵，負極為康銅(銅鎳合金)，具特點是價格便宜,適 用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200～800℃，但常用溫度只在500℃以下，因為超過這個溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；該熱電偶能耐氫氣(Ｈ2)及一氧化碳(ＣＯ)氣體腐蝕，但不能在高溫(例如500℃)含硫(Ｓ)的氣氛中使用。

6、T型熱電偶(銅－銅鎳熱電偶)

T型熱電電偶：該熱電偶的正極為純銅，負極為銅鎳合金(也稱康銅)，其主要特點是： 在賤金屬熱電偶中，它的準確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200～350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃，在-200～300℃范圍內，它們靈敏度比較高，銅－康銅熱電偶還有一個特點是價格便宜，是 常用幾種定型產品中最便宜的一種。

7、R型熱電偶(鉑銠13－鉑熱電偶)該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金，負極為純鉑，同S 型相比，它的電勢率大15% 左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產業界，作為高溫熱電偶用得最多，而在中國，則用得較少。

熱電偶通常分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩類。標準化熱電偶是指制造工藝比

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較成熟，應用廣泛，能成批生產，性能優良而穩定，并以利用工業標準化元件中的那些熱電偶。標準化熱電偶具有統一的分度表，常見的七種標準熱電偶是R型、S型、B型、K型、E型、J型、T型。N型熱電偶為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標準化的熱電偶。

2.1.2 工作原理分析

熱電溫度計是由熱電偶、補償導線及測量儀表構成的。其中熱電偶是敏感元件, 它由兩種不同的導體A 和B 連接在一起, 構成一個閉合回路, 當兩個連接點1 與2 的溫度不同時, 由于熱電效應,回路中就會產生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢, 記為EAB。接點1 在測量時被置于測場所, 故稱為測量端或工作端。接點2 則要求恒定在某一溫度下,稱為參考端或自由端, 如圖1 所示。

實驗證明, 當電極材料選定后, 熱電偶的熱電動勢僅與兩個接點的溫度有關, 即.比例系數SAB 稱為熱電動勢率, 它是熱電偶最重要的特征量。當兩接點的溫度分別為t1 , t2 時, 回路總的熱電動勢為 , 式中eAB(t1)、eAB(t2)分別為接點的分熱電動勢。

對于已選定材料的熱電偶, 當其自由端溫度恒定時, eAB(t2)為常數, 這樣回路總的熱電動勢僅為工作溫度t1 的單值函數。所以, 通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點的實際溫度

圖 1 熱電偶原理圖

2.2 設計內容 2.2.1 總體設計

本設計需要測量溫度為100到300度，選用K型熱電偶，在將測量所得電壓進行放大

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處理。

K型熱電偶作為一種溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用。K型熱電偶可以直接測量各種生產中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。

K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。K型熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。K型熱電偶絲直徑一般為1.2～4.0mm。正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=92：12，負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-200~1300℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優點，能用于氧化性惰性氣氛中廣泛為用戶所采用。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛.，熱電偶測量輸出的信號為4.096-12.209mV，我們用信號調理電路將其轉換為0-5V直流電壓信號

此信號調理電路由一個減法放大器和一個同相比例放大器組成，減法放大器一端電壓接4.096 mV，這樣在經過減法器的時候電壓變化范圍就會變成4.096-8.113mV，再由比例放大器輸出，就會得到0-5V直流電壓信號.2.2.2 原理圖設計

同相輸入放大電路如圖2所示，信號電壓通過電阻RS加到運放的同相輸入端，輸出電壓vo通過電阻R1和Rf反饋到運放的反相輸入端，構成電壓串聯負反饋放大電路。

根據虛短、虛斷的概念有vN= vP= vS，i1=if

于是求得所以該電路實現同相比例運算。同相比例運算電路的特點如下 1.輸入電阻很高，輸出電阻很低。

2.由于vN= vP= vS，電路不存在虛地，且運放存在共模輸入信號，因此要求運放有較高的共模抑制比。

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圖 2 同相比例放大電路

差分式減法運算電路

電路原理：差分式減法運算電路是利用一級運放實現的電路，圖1所示。要進行運算的兩路信號分別由運放的同相和反相輸入端送入，這是一種差分輸入方式。由于存在著負反饋，電路屬于線性電路，因此，可以利用疊加定理分析求解電路輸出電壓與輸入電壓之間關系。

圖3 減法電路圖

當令ui1單獨作用時，ui2=0，電路實質是一個反相輸入比例電路，如圖所示，輸出端電壓

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uo1=-R3*ui1/R2(2-2-1)電阻R2//R3，只起平衡作用，不影響電路輸入輸出關系。當u2單獨作用時，令ui1=0,此時電路實質是所分析的同相輸入比例電路。分析結果得：

uo2=(1+R3/R2)*Rf*ui2/(R+Ri)(2-2-2)最后，利用疊加定理就可以求出輸入信號ui1和ui2共同作用時，輸出電壓為 uo=uo1+uo2=-R3*ui1/R2+R3*ui2/R2=R3(ui2-ui1)/R2(2-2-3)若取R3=R2，則有 uo=ui2-ui1從而實現對輸入信號的減法運算。減法運算也可以看成是對兩個輸入信號的差進行放大，所以此電路也廣泛應用于自動檢測儀器中，實現對輸入信號的檢測。

2.2.3 可靠性和抗干擾設計

抗干擾的應用包括避免強磁場，補償導線加屏蔽動力電纜，與信號線、分開布線、保持距離。系統產生干擾的原因有很多，在工業生產過程中實現監視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統和執行機構，它們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、微安級的小信號，又有幾十伏，甚至數千伏、數百安培的大信號；既有低頻直流信號，也有高頻脈沖信號等等，構成系統后往往發現在儀表和設備之間信號傳輸互相干擾，造成系統不穩定甚至誤操作。出現這種情況除了每個儀表、設備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外，還有一個十分重要的因素就是由于儀表和設備之間的信號參考點之間存在電勢差，因而形成“接地環路”造成信號傳輸過程中失真。因此，要保證系統穩定和可靠的運行，“接地環路”問題是在系統信號處理過程中必須解決的問題。解決“接地環路”的方法 根據理論和實踐分析，有三種解決方案： 第一種方案：所有現場設備不接地，使所有過程環路只有一個接地點，不能形成回路，這種方法看似簡單，但在實際應用中往往很難實現，因為某些設備要求必須接地才能保證測量精度或確保人生安全，某些設備可能因為長期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點。第二種方案：使兩接地點的電勢相同，但由于接地點的電阻受地質條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案其實在實際中無法完全能做到。第三種方案：在各個過程環路中使用信號隔離方法，斷開過程環路，同時又不影響過程信號的正常傳輸，從而徹底解決接地環路問題

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第3章 器件選型與電路仿真

3.1 器件選型說明

在熱電偶測溫傳感器信號調理電路中，用到了電阻、集成運算放大器等。具體如下表所示：

表1所用元器件清單表

器件類型 K型熱電偶 電阻 放大器

數量 1 6 2

單價 128.00 0.02 2.60

合計 128.00 0.12 5.20 3.2 電路仿真

Proteus電路仿真軟件功能非常強大，在電路設計中，能夠直觀有效的觀察電路的運行狀態，工作點和電路參數，利用仿真來調整電路參數達到設計目的，有事半功倍的效果，尤其在單片機程序調試過程中，無需搭建實驗電路板，能夠跟Keil C單片機程序開發軟件直接聯調，方便快捷的調試單片機的程序，進行單片機系統的設計開發，在儀器的開發設計中，能夠有效地提高效率，減少試驗成本，縮短開發周期。根據電路原理，將信號放大電路、溫度采集電路、模擬開關，統一設計在一個電路原理圖中。使用proteus軟件的仿真功能，得到如圖4-1所示：

4-1總體電路圖

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第4章 設計心得與體會

本次課程設計我們的選題是熱電偶溫度傳感器信號調理電路設計與仿真，通過本周的課程設計。我對電子元器件基本知識（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路）有了更多的了解，增長了知識也對自己所學的知識有了新的認識，同時也可以真的切實的將所學的知識應用到實踐當中，這讓我對所學的課程知識和軟件的認知更加深刻，了解了如何利用仿真軟件進行簡單的電路的調試，通過本次課設，我深刻意識到紙上談兵對知識的認知終究只能停留在表面，只有通過實驗才能對知識有更好更深刻的理解與感悟。很高興我能有這個機會和大家共同交流學習，從中學到了很多。同時也發現自己對于軟件使用方面仍有不足，在今后應該加強.-10-

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參考文獻

[1]徐德炳譯，《傳感器的接口及信號調理電路》，北京：國防工業出版社，1984年 [2]劉宏，《電子工藝實習》，廣州：華南理工大學出版社，2009年 [3]俞雅珍，《電子工藝技術》，上海：復旦大學出版社，2007年 [4]康華光，《模擬電子技術》，北京：高等教育出版社，2004年

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附錄1：電路原理圖

附錄2：PCB圖

附錄3：PCB效果圖

第二篇：傳感器信號調理電路

傳感器信號調理電路

傳感器信號調理電路

信號調理往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數據采集、控制過程、執行計算顯示讀出和其他目的的數字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運動、位置、PH、光強等。通常，傳感器信號不能直接轉換為數字數據，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數字數據之前必須進行調理。調理就是放大，緩沖或定標模擬信號，使其適合于模/數轉換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數字化，并把數字信號送到微控制器或其他數字器件，以便用于系統的數據處理。此鏈路工作的關鍵是選擇運放，運放要正確地接口被測的各種類型傳感器。然后，設計人員必須選擇ADC。ADC應具有處理來自輸入電路信號的能力，并能產生滿足數據采集系統分辨率、精度和取樣率的數字輸出。

傳感器

傳感器根據所測物理量的類型可分類為：測量溫度的熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)、熱敏電阻；測量壓力或力的應變片；測量溶液酸堿值的PH電極；用于光電子測量光強的PIN光電二極管等等。傳感器可進一步分類為有源或無源。有源傳感器需要一個外部激勵源(電壓或電流源)，而無源傳感器不用激勵而產生自己本身的電壓。通常的有源傳感器是RTD、熱敏電阻、應變片，而熱電偶和PIN二極管是無源傳感器。為了確定與傳感器接口的放大器所必須具備的性能指標，設計人員必須考慮傳感器如下的主要性能指標：

·源阻抗

——高的源阻抗大于100KΩ

——低的源阻抗小于100Ω

·輸出信號電平

——高信號電平大于500mV滿標

——低信號電平大于100mV滿標

·動態范圍

在傳感器的激勵范圍產生一個可測量的輸出信號。它取決于所用傳感器類型。

放大器功用

放大器除提供dc信號增益外，還緩沖和定標送到ADC之前的傳感器輸入。放大器有兩個關鍵職責。一個是根據傳感器特性為傳感器提供合適的接口。另一個職責是根據所呈現的負載接口ADC。關鍵因素包括放大器和ADC之間的連接距離，電容負載效應和ADC的輸入阻抗。

選擇放大器與傳感器正確接口時，設計人員必須使放大器與傳感器特性匹配。可靠的放大器特性對于傳感器——放大器組合的工作是關鍵性的。例如，PH電極是一個高阻抗傳感器，所以，放大器的輸入偏置電流是優先考慮的。PH傳感器所提供的信號不允許產生任何相當大的電流，所以，放大器必須是在工作時不需要高輸入偏置電流的型號。具有低輸入偏置電流的高阻抗MOS輸入放大器是符合這種要求的最好選擇。另外，對于應用增益帶寬乘積(GBP)是低優先考慮，這是因為傳感器工作在低頻，而放大器的頻率響應不應該妨礙傳感器信號波形的真正再生。

傳感器和放大器匹配電路

PH電極緩沖器

高阻抗PH傳感器可與具有低功率電路(僅需要2個1.5V電池供電)的放大器配對。放大器MOS輸入晶體管為傳感器提供高阻抗，傳感器輸出阻抗為1MW或更大。此放大器的輸入偏置電流小于1pA，所以，放大器工作消耗非常小的電流。放大器的失調電壓小于1mV。放大器提供軌到軌工作并具有高驅動能力，能在長線上發送信號(放大器遠離ADC的情況)。在電路中增加了一個精密溫度傳感器，可以測量PH傳感器的溫度。這使得具有精確的PH溫度補償值。

完整的傳感器橋接口

·測量應變片傳感器通常要通過橋網絡，應變片構成橋的兩個(或4個)臂。應變片是低源阻抗器件，其輸出信號范圍是小的(幾百微伏~幾毫伏)。圖3所示的電路能為精確測量傳感器信號提供測量橋穩定激勵電壓和高共模電壓抑制(CMR)，消除了任何共模電壓。用高精度和非常低漂移(隨溫度)的精密電壓基準驅動放大器A1。這可為橋提供非常精確、穩定的激勵源。因為共模電壓大約為激勵電壓的一半，所以被測信號僅僅是橋臂之間小的差分電壓。放大器A2、A3、A4必須提供高共模抑制比(CMRR)，所以僅測量差分電壓。這些放大器也必須具有低值輸入失調電壓(VOS)漂移(也稱之為失調電壓溫度系數TCVOS)和輸入偏置電流，以使得從傳感器能精確地讀數。放大器A1~A4連接成儀表放大器以達到上述目標。這種配置的電壓增益(AV)為：AV=(1+2R2/bR2)(aR1/R1)，其中a和b是確定總增益的比值。

輻射分析儀通道

輻射譜測量來自輻射源的發射能量的分布，輻射源可以是粒子，X射線或γ射線。輻射照到閃光晶體上并發射強度正比于能量的短脈沖。然后由PIN光電二極管把光轉換為電流。放大器(見圖4)用做首置放大器和PIN光電二極管輸出的電流/電壓轉換器。此電路為用于基本輻射譜的單通道分析儀。信號的脈沖幅度包含重要信息，所以低輸入失調電壓和低失調電壓漂移是重要的。寬帶寬為處理脈沖(可窄到幾納秒)提供快速響應。首置放大器輸出(VOUT)到脈沖幅度分析儀(如快速ADC)來測量和儲存每個峰值發生的數。分布是單個源的光譜。反饋電阻R1值取決于來自PIN光電二極管的最大電流和到ADC的最大輸出電壓。因此，R1=(MaxVOUT)/(MaxISIGNAL)。電容C1用于PIN光電二極管寄生電容的補償。R2和C2相當于R1和C1用于補償放大器非倒相輸入的輸入偏置電流。

熱電耦接口電路

熱電偶根據兩個不同金屬線結點之間的溫度差提供電壓信號。熱電偶溫度傳感器具有一個感測端(金屬A/金屬B連接端)和一個參考端(金屬A和金屬B與銅導線連接端)。冷端參考溫度與熱電偶信號一道進行控制和測量。熱電偶具有大約10mV/℃~80mV/℃的小信號電平范圍和小的源阻抗。配置成差分放大器的單放大器(圖5)把信號放大到ADC輸入所需的電平。差分放大器增益為：

AV=xR/R

其中x是電阻比，它決定增益。差分配置有助于抑制熱電偶線的共模拾取。放大器應具有低失調電壓和低失調電壓漂移。

信號調理系統的最后級——ADC

信號調理系統的基本目標是盡可能快速、完整和便宜地把模擬傳感器數據變換為數字形式，此任務就落在ADC身上。所用ADC的類型由一系列參數決定。這包括所需的分辨率(位數)、速度(數據吞吐率)、ac或dc信號輸入、精度(dc和ac)、等待時間(取樣周期開始和第一個有效數字輸出之間的時間)和電源電平。在輸出端(接口到微控制器或數字信號處理器)的重要參數包括串行或并行、處理器的輸入電壓電平、有效的電源電壓和功耗考慮。

大多數信號調理應用采用逐次逼近(SAR)或積分型ADC。這兩種ADC能很好地處理dc信號，而SAR型ADC對快速ac信號能提供更好的支持。SAR轉換器是所有ADC中最通用的，這種轉換器把高分辨率(高達

16位)和高吞吐能力結合在一起。

積分ADC具有長操作時間，這是因為所用轉換方法的原因，但通過信號平均使其具有噪音低的特點。對于中頻ac信號，D-S轉換器是最好的選擇，因為它們具有高分辨率和高精度。D-S轉換器分辨率高達24位，但以降低速度為代價，其等待時間非常長。其他兩類ADC—流水線和分段ADC是高速器件，非常適合用于轉換高頻ac信號。

第三篇：干涉型光纖擾動傳感器信號調理電路的設計和仿真

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干涉型光纖擾動傳感器信號調理電路的設計和仿真

作者：盛興 鄧大鵬 廖曉閩 張建成來源：《現代電子技術》2011年第04期

第四篇：ICP加速度傳感器調理電路設計本科畢業設計2

第二章

ICP加速度傳感器簡介

2.1 壓電式加速度傳感器的結構與原理

2.1.1 壓電式加速度傳感器結構

壓電式傳感器是由壓電效應制作，其機構原理圖如圖2.1所示，它是一種機電轉換式與自發電式的傳感器。它的感應器件是采用壓電材料制成的。當壓電材料受到力作用之后表面會產生一定量的電荷。電荷通過電荷放大器放大、測量電路放大和變換阻抗后就成為與所受外力成正比的電量輸出。它的優點是信噪比很高、靈敏度高、頻帶較寬、重量較輕、結構簡單、和工作性能可靠等。缺點則是某些壓電材料需要良好的防水防潮防有害氣體措施，而直流輸出響應比較差，這就需要采用電荷放大器來克服這一條件，在缺少電荷放大器的情況下，也可以采用具有高輸入阻抗的電路來滿足要求。

圖2.1壓電式傳感器結構原理圖

2.1.2 典型的電荷放大系統

除了在上面已經提到了壓電式傳感器的特點和優點外，它也有自己的缺點，那就是某些壓電材料需要良好的防潮措施，而且輸出的直流響應差，所以一般都需要配套的放大器電路，圖2.2為典型的電荷放大測試系統。

圖2.2 典型電荷放大測試系統

在沖擊與振動測試中應用最為廣泛的就是壓電式加速度傳感器，但由于其壓敏元件具有非常高的阻抗，而且它產生的是微弱的電荷信號，因此需要將傳感器產生的高阻抗的輸出信號通過一個前置放大器轉換成低阻抗的信號。

常用的前置放大器可以分為電荷放大器和電壓放大器兩種。雖然電纜分布電容對電荷放大器的干擾不大，靈敏度不會受到太大影響，但是由于當彎曲或者振動電纜時，屏蔽層與絕緣體會因為存在相對移動造成摩擦，產生靜電荷，從而產生電纜噪聲，同樣的道理，電纜芯線與絕緣體也會因此而對測試產生干擾。結構簡單的電壓放大器盡管，穩定性和線性度良好，電纜分布電容的存在會干擾電荷放大器，從而影響到靈敏度。這些情況都會給測試工作帶來較大麻煩，由此ICP傳感器應運而生[21]。

2.1.3 ICP傳感器測試系統

ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）傳感器本質就是內置了集成電路電荷放大器的壓電傳感器。與前面所講的外部連接前置放大器的壓電傳感器相對比，它彌補了上述的不足。具有代表性的ICP傳感器測試系統通過恒流源供電，并且信號輸出線路直接與供電電纜相連接，輸出的信號為低阻抗形式的信號。整個測試系統包括ICP加速度傳感器，普通的雙芯電纜和一個能夠為傳感器連續供電的電源模塊。恒流源模塊為ICP傳感器供電，并從中讀取振動信號，典型的ICP測試系統如圖2.3所示：

圖2.3典型的ICP測試系統

2.2 ICP傳感器的選型

ICP加速度傳感器有很多型號，每種型號都有自己適用的某種特定用途。為了使測試數據準確度更高，我們需要基于測試系統的適用要求，選擇最合適的ICP傳感器。一般來講，重量，靈敏度和頻率響應是選擇ICP加速度傳感器最主要的參考因素。

2.2.1 重量

傳感器自身有質量，附加在被測物體上，自然會影響其運動狀態。而如果ICP傳感器的質量比較大，或者是被測物體的質量比較小，是傳感器接近于被測物體的動態質量，那么被測物體的振動就會由于受到干擾而有所減弱。對于有些被測物體，可能整體質量非常大，但在安裝ICP加速度傳感器的部位，典型的比如一些薄壁結構，傳感器的質量已經與結構的局部質量在一個數量級或者非常接近，這樣傳感器將會使局部運動狀態受到干擾和影響。因此，在工程實際中，傳感器的質量ma需要遠小于被測裝置傳感器安裝點的運動質量m。

因為受到傳感器質量的干擾，被測裝置的振動加速度a會有所減小，其減小的加速度△a可以使用下式進行粗略計算: △a =a[1-m/(ma+m)]……………………………………………………(式2.1)

2.2.2 靈敏度

系統的信噪比、分辨率和抗干擾能力是與傳感器的靈敏度成正比的。就特定功能的傳感器來講，靈敏度與傳感器的重量成正比，與諧振頻率和量程成反比。因此靈敏度的選擇主要考慮這三個方面，即重量、量程和頻率響應。此外，在滿足這三方面的要求下，我們還要考慮傳感器的靈敏度，當然越高越好，這樣有利于提高系統的信噪比。2.2.3 頻率響應特性

高頻響應特性：ICP傳感器使用手冊給出的上限截止頻率為+10%頻響，粗略計算為安裝諧振頻率的1/3。在要求上限截止頻率誤差為+5%的情況下，大概為安裝諧振頻率的1/5。如果設置適當的校正系數，則在更高的頻率范圍內依然能夠獲取非常可靠的檢測數據。

低頻響應特性：ICP傳感器使用手冊給出的下限截止頻率為-10%頻響。基座應變、內置IC放大電路芯片的下限截止頻率和熱釋電效應等環境特性決定ICP傳感器的低頻響應特性。應變片式ICP傳感器能夠響應靜態信號。

2.3 ICP傳感器輸出信號的分析

ICP傳感器是由恒流源芯片供電，LM334芯片我們選中12V直流電對其供電，如圖2.4所示：

圖2.4 傳感器接線

圖2.4中，JP1和JP2處就可以接傳感器和引出傳感器的信號（ICP傳感器有兩根引線，它們即是給傳感器供電的線，同時也是傳感器信號的引出線），若還沒接上傳感器根據前面對于恒流源電路的分析，那么在JP1和JP2處可以用電流表檢測到4mA的電流，如果沒有檢測到，或者是不為4mA，那么這個恒流源的電路就沒有搭建好。對我們搭建好的電路進行檢測，電流表的示數為4mA，證明我們所搭建的電路是正確的。查閱資料得知，這個時候JP1和JP2之間的電壓應該為11V~12V之間，對我們的電路測一下，為11.5V，這是一個很重要的電壓，對于我們后續傳感器信號的識別是非常關鍵的。

再接上我們的ICP傳感器，將其接在JP1處，JP2作為我們信號的輸出引線段，接在示波器上觀察，開啟我們的振動試驗平臺，調節我們的示波器選著交流耦合方式（也就是濾掉直流分量，只檢測交流分量），觀察示波器同樣得到了一個正弦信號，信號的頻率和我們振動實驗平臺的激振頻率一樣。說明我們所設計的恒流源能夠使我們的ICP傳感器正常工作。再調節示波器選擇直流耦合（既測直流信號又測交流信號）觀察示波器發現，和有一個直流分量存在。查閱資料上面說ICP傳感器輸出的信號不是基于0V的一個信號輸出而是帶有9V左右的直流分量的，用電壓表測JP2兩端的電壓，測得一個9V的電壓。傳感器沒有檢測信號，只要接在了恒流源上面就會產生這樣的一個信號。示波器上觀察到如圖2.5所示：

圖2.5 ICP傳感器傳輸信號

第五篇：傳感器與信號處理

傳感器

一、名詞解釋

1．傳感器;能感受規定的被測量并按照一定規律轉化成可用輸出信號的器件和裝置。

2．應電效應

某些電介質在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應。

3．壓阻效應

4．霍爾效應

金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，當有電流I通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢UH，這種物理現象稱為霍爾效應。

5．熱電效應

將兩種不同的導體A和B連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢。

6．光電效應

光電效應是物體吸收到光子能量后產生相應電效應的一種物理現象。

二、填空題

1．傳感器通常由三部分組成。

2．按工作原理可以分為、。

3．誤差按出現的規律分、。

4．對傳感器進行動態的主要目的是檢測傳感器的動態性能指標。

1．敏感元件、轉換元件、測量電路

2．電容傳感器、電感傳感器、電阻傳感器、壓電式傳感器

3．系統誤差、隨機誤差、粗大誤差

4．標定(或校準或測試)

5．傳感器的過載能力是指傳感器在不致引起規定性能指標永久改變的條件下，允許超過

6．傳感檢測系統目前正迅速地由模擬式、數字式，向

7．已知某傳感器的靈敏度為K0，且靈敏度變化量為△K0，則該傳感器的靈敏度誤差計算公式為

5．測量范圍

6．智能化

7．(△K0 / K0)×100%

8．電容式壓力傳感器是變

9．圖像處理過程中直接檢測圖像灰度變化點的處理方法稱為。

8．極距(或間隙)

9．微分法

10．目前應用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有、、。

11．根據電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有、12．熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為三類、。

13．光電效應根據產生結果的不同，通常可分為、三種類型。

14．傳感器的靈敏度是指穩態標準條件下，輸出與輸入的比值。對線性傳感器來說，其靈敏度是。

10．壓電晶體、壓電陶瓷、有機壓電材料

11．變間隙型、變面積型、變介電常數型

12．負溫度系數熱敏電阻（NTC）、正溫度系數熱敏電阻（PTC）、臨界溫度系數熱敏電阻（CTR）

13．外光電效應、內光電效應、光生伏特效應

14．變化量、變化量、常數

15．用彈性元件和電阻應變片及一些附件可以組成應變片傳感器，按用途劃分用應變式傳感器、應變式傳感器等（任填兩個）。

16．采用熱電阻作為測量溫度的移時，為了得到較好的線性度和較好的靈敏度，應該讓的距離小于。元件是將的測量轉換為的測量。

17．利用渦流式傳感器測量位

式電容傳感器

15．壓力加速度

16．溫度、電阻

17．線圈與被測物、線圈半徑

18．差動

19．由光電管的光譜特性看出，檢測不同顏色的光需要選用不同的光電管，以便利用光譜特性的區段。

20．按熱電偶本身結構劃分，有熱電偶、鎧裝熱電偶、21．硒光電池的光譜響應區段與

19．光電陰極材料、靈敏度較高

20．普通、薄膜

21．人類

22．當半導體材料在某一方向承受應力時，它的發生顯著變化的現象稱為半導體壓阻效應。

23．磁敏二極管工作時加。

24．可以測量加速度的傳感器有

22．電阻率

23．正向、弱磁場

24．電容式傳感器、壓電式傳感器、電阻應變式傳感器18．空氣介質變隙式電容傳感器中，提高靈敏度和減少非線性誤差是矛盾的，為此實際中大都采用

三、選擇題

1．電阻應變片的初始電阻數值有多種,其中用的最多的是（B）。

A 60ΩB 120ΩC 200ΩD 350Ω

2．電渦流式傳感器激磁線圈的電源是（C）。

A 直流B 工頻交流C 高頻交流D 低頻交流

3．變間隙式電容傳感器的非線性誤差與極板間初始距離d0之間是（C）。

A 正比關系B 反比關系C 無關系

4．單色光的波長越短，它的（A）。

A 頻率越高，其光子能量越大B 頻率越低，其光子能量越大

C 頻率越高，其光子能量越小D 頻率越低，其光子能量越小

5．熱電偶可以測量（C）。

A 壓力B 電壓C 溫度D 熱電勢

6．光敏電阻適于作為（B）。

A 光的測量元件B 光電導開關元件C 加熱元件D 發光元件

7．目前我國使用的鉑熱電阻的測量范圍是（D）。

A-200～850℃B-50～850℃

C-200～150℃D-200～650℃

8．下列被測物理量適合于使用紅外傳感器進行測量的是（C）

A．壓力B．力矩C．溫度D．厚度

9．屬于傳感器動態特性指標的是（D）

A．重復性B．線性度C．靈敏度D．固有頻率

10．按照工作原理分類，固體圖象式傳感器屬于（A）

A．光電式傳感器B．電容式傳感器

C．壓電式傳感器D．磁電式傳感器

11．測量范圍大的電容式位移傳感器的類型為（D）

A．變極板面積型B．變極距型

C．變介質型D．容柵型

12．利用相鄰雙臂橋檢測的應變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差小（C）

A．兩個橋臂都應當用大電阻值工作應變片

B．兩個橋臂都應當用兩個工作應變片串聯

C．兩個橋臂應當分別用應變量變化相反的工作應變片

D．兩個橋臂應當分別用應變量變化相同的工作應變片

13．影響壓電式加速度傳感器低頻響應能力的是（D）

A．電纜的安裝與固定方式B．電纜的長度

C．前置放大器的輸出阻抗D．前置放大器的輸入阻抗

14．將電阻R和電容C串聯后再并聯到繼電器或電源開關兩端所構成的RC吸收電路，其作用是（D）

A．抑制共模噪聲B．抑制差模噪聲

C．克服串擾D．消除電火花干擾

四、問答題

1．傳感器有哪些組成部分？在檢測過程中各起什么作用？

1．答：傳感器通常由敏感元件、轉換元件及測量電路三部分組成。

各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量成一定聯系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉換為位移。轉換元件是能將敏感元件的輸出量轉換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應變片可將應變轉換為電阻量。測量電路可將傳感元件輸出的電參量轉換成易于處理的電量信號。

5.熱電阻傳感器有哪幾種？各有何特點及用途？

5.答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。

熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。

熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為負溫度系數熱敏電阻（NTC）、正溫度系數熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數熱敏電阻（CTR）三類，7.電阻應變傳感器主要由哪幾部分組成？

8.概述電渦流式傳感器的工作原理。

9．電容式傳感器有什么主要特點？可用于哪些方面的檢測？

9．答：電容式傳感器具有以下特點：功率小，阻抗高，動態特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態響應特性；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環境條件下工作；可進行非接觸測量；結構簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。

電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。

10． 根據工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？各自用途是什么？

10． 答：根據電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距(d)型（又稱變間隙型）、變面積(A)型和變介電常數(ε)型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數型可測量液體液位、材料厚度。

11．常用壓電材料有那幾種？

11．答：應用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，另一類是經過極化處理的壓電陶瓷，；第三類是有機壓電材料。

12．霍爾電動勢的大小、方向與哪些因素有關？

12．答：霍爾電動勢的大小正比于激勵電流I與磁感應強度B，且當I或B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當I和B的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。

13．試說明熱電偶的測溫原理。

13．答：兩種不同材料構成的熱電變換元件稱為熱電偶，導體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個端點固定焊接，用于對被測介質進行溫度測量，這一接點稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點處通常保持為某一恒定溫度或室溫，稱冷端。熱電偶閉合回路中產生的熱電勢由溫差電勢和接觸電勢兩種電勢組成。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點接觸面處產生自由電子的擴散現象；擴散的結果，接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴散繼續進行的作用，當達到動態平衡時，在熱電極接點處便產生一個穩定電勢差，稱為接觸電勢。其數值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點的溫度，接點溫度越高，接觸電勢越大。

14．光電效應有哪幾種類型？與之對應的光電元件各有哪些？簡述各光電元件的優缺點。

14．答：光電效應根據產生結果的不同，通常可分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應三種類型。

15．抑制干擾有哪些基本措施？

15．答：第一，消除或抑制干擾源。

第二，破壞干擾途徑。

第三，削弱接收電路對干擾信號的敏感性。