傳感器的信號(hào)檢測(cè)電路

摘 要：傳感器是應(yīng)用的非常廣泛的元器件，本文主要介紹了傳感器電路中的關(guān)于輸出信號(hào)的處理電路也就是信號(hào)檢測(cè)電路。

關(guān)鍵詞：傳感器；信號(hào)檢測(cè)；電路

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)也逐漸得到了比較廣泛的應(yīng)用，在傳感器電路中，完成傳感器輸出信號(hào)處理的各種接口電路統(tǒng)稱(chēng)為傳感器檢測(cè)電路。

一、輸出信號(hào)的特點(diǎn)

由于傳感器種類(lèi)繁多，傳感器的輸出形式也是各式各樣的。傳感器的輸出信號(hào)，一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓最小僅有0.1μV。傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣會(huì)使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)，產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減。傳感器輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬，輸出信號(hào)隨著輸入物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線(xiàn)性比例關(guān)系。而且傳感器的輸出信號(hào)大小會(huì)受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。

二、檢測(cè)電路形式

要提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和線(xiàn)性度，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，這就用到了傳感器的接口電路。處理后的信號(hào)，應(yīng)成為可供測(cè)量、控制使用及便于向微型計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)形式。接口電路也有各種不同的類(lèi)型。

有許多非電量的檢測(cè)技術(shù)要求對(duì)被測(cè)量進(jìn)行某一定值的判斷，當(dāng)達(dá)到確定值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)輸出控制信號(hào)。在這種情況下，大多是用開(kāi)關(guān)型傳感器，利用其開(kāi)關(guān)功能，作為直接控制元件使用。使用開(kāi)關(guān)型傳感器的檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，可以直接用傳感器輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電路和報(bào)警電路工作。

定值判斷的檢測(cè)系統(tǒng)中，由于檢測(cè)對(duì)象的原因，也常使用具有模擬信號(hào)輸出地傳感器。在這種情況下，往往要先檢測(cè)電路進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，再放大，然后用比較器將傳感器輸出信號(hào)與設(shè)置的比較電平相比較。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)達(dá)到設(shè)置的比較電平時(shí)，比較器輸出狀態(tài)發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)控制電路及報(bào)警電路工作 。

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要獲得某一范圍的連續(xù)信息時(shí)，必須使用模擬信號(hào)輸出型傳感器。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)接口電路預(yù)處理后，再經(jīng)放大器放大，然后由數(shù)字式電壓表將檢測(cè)結(jié)果直接顯示出來(lái)。數(shù)字電壓表一般由A/D轉(zhuǎn)換器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器及數(shù)字顯示器組成。這種檢測(cè)電路以數(shù)字讀數(shù)的形式顯示出被測(cè)物理量，例如，溫度、水分、轉(zhuǎn)速及位移量等等。接口電路則根據(jù)傳感器的輸出特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

三、常用電路

1.阻抗匹配器

傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號(hào)的衰減，常常采用高輸入阻抗的阻抗匹配器作為傳感器輸入到測(cè)量系統(tǒng)的前置電路。常見(jiàn)的阻抗匹配器有半導(dǎo)體管阻抗匹配器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗匹配器及運(yùn)算放大器阻抗匹配器。

半導(dǎo)體管阻抗匹配器，實(shí)際上是一個(gè)半導(dǎo)體管共集電極電路，又稱(chēng)為射極輸出器。射極輸出器的輸出相位與輸入相位相同，其電壓放大倍數(shù)小于1，電流放大倍數(shù)從幾十到幾百倍。當(dāng)發(fā)射極電阻為Re時(shí)，射極輸出器的輸入阻抗Rin=βRe。因此射極輸出器的輸入阻抗高，輸出阻抗低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，常用來(lái)作阻抗變換電路和前后級(jí)隔離電路。

半導(dǎo)體管阻抗匹配器雖然有較高的輸入阻抗，但由于受偏置電阻和本身基極及集電極間電阻的影響，不可能獲得很高的輸入阻抗，仍然無(wú)法滿(mǎn)足一些傳感器的要求。

場(chǎng)效應(yīng)管是一種電平驅(qū)動(dòng)元件，柵漏極間電流很小，其輸入阻抗可高達(dá)1012Ω 以上，可作阻抗匹配器。場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗匹配器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，因此常用作前置級(jí)的阻抗變換器。場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗匹配器有時(shí)還直接安裝在傳感器內(nèi)，以減少外界的干擾，在電容式聲傳感器、壓電式傳感器等容性傳感器中，得到了廣泛的應(yīng)用。

除此之外，還可以使用運(yùn)算放大器做成阻抗匹配器。

2 .電橋電路

電橋電路是傳感器檢測(cè)電路中經(jīng)常使用的電路，主要用來(lái)把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流。根據(jù)電橋供電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋。直流電橋主要用于電阻式傳感器。例如，熱敏電阻、電位器等。交流電橋主要用于測(cè)量電容式傳感器和電感式器傳感器的電容和電感的變化。電阻應(yīng)變片傳感器大都采用交流電橋，這是因?yàn)椋瑧?yīng)變片電橋輸出信號(hào)微弱需經(jīng)放大器進(jìn)行放大，而使用直流放大器容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。此外，應(yīng)變片與橋路之間采用電纜連接，其引線(xiàn)分布電容的影響不可忽略，使用交流電橋還會(huì)消除這些影響。直流電橋的基本電路如圖1所示。

電路中，輸出電壓，當(dāng)電橋平衡時(shí)

R2R4=R1R3，輸出電壓為零。如果R1=R2=R3=R4時(shí)，則電橋電路被稱(chēng)為四等臂電橋，此時(shí)輸出靈敏感度最高，而非線(xiàn)性誤差最小，因此在傳感器的實(shí)際應(yīng)用中多采用四等臂電橋。

3.放大電路

傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，因而在大多數(shù)情況下都需要放大電路。放大電路主要用來(lái)將傳感器輸出的直流信號(hào)或進(jìn)行放大處理，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號(hào)，它對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用。

目前檢測(cè)系統(tǒng)中的放大電路，除特殊情況外，一般都采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。放大電路常用的有反相放大器、同相放大器、差分放大

器等。

在圖2所示電路中（a）是反相放大器的基本電路，（b）是同相放大器得基本電路，（c）是差分放大器的基本電路，差動(dòng)放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制共模信號(hào)。

除了上述幾種放大器外，還有電荷放大器。 壓電式傳感器輸出的信號(hào)是電荷量的變化，配上適當(dāng)?shù)碾娙莺螅敵鲭妷嚎筛哌_(dá)幾十伏到數(shù)百伏，但信號(hào)功率卻很小，信號(hào)源的內(nèi)阻也很大。放大器應(yīng)采用輸入阻抗高、輸出阻抗低的電荷放大器。

電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器。電荷放大器輸出電壓只與電荷和反饋電容有關(guān)，而與傳輸電纜的分布電容無(wú)關(guān)。但是，測(cè)量精度卻與配接電纜的分布電容

有關(guān)。

作者簡(jiǎn)介

姜蘭蘭（1978—），女，山東省乳山市人，工程碩士，就職于山東東營(yíng)職業(yè)學(xué)院，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化方面的教學(xué)、研究工作。