傳感器的信號檢測電路

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)于輸出信號的處理電路也就是信號檢測電路。

關(guān)鍵詞：傳感器；信號檢測；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處理的各種接口電路統(tǒng)稱為傳感器檢測電路。

一、輸出信號的特點

由于傳感器種類繁多，傳感器的輸出形式也是各式各樣的。傳感器的輸出信號，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，這樣會使傳感器信號輸入到測量電路時，產(chǎn)生較大的信號衰減。傳感器輸出信號動態(tài)范圍很寬，輸出信號隨著輸入物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系。而且傳感器的輸出信號大小會受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。

二、檢測電路形式

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

有許多非電量的檢測技術(shù)要求對被測量進(jìn)行某一定值的判斷，當(dāng)達(dá)到確定值時，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)輸出控制信號。在這種情況下，大多是用開關(guān)型傳感器，利用其開關(guān)功能，作為直接控制元件使用。使用開關(guān)型傳感器的檢測電路比較簡單，可以直接用傳感器輸出的開關(guān)信號驅(qū)動控制電路和報警電路工作。

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

當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)要獲得某一范圍的連續(xù)信息時，必須使用模擬信號輸出型傳感器。傳感器輸出信號經(jīng)接口電路預(yù)處理后，再經(jīng)放大器放大，然后由數(shù)字式電壓表將檢測結(jié)果直接顯示出來。數(shù)字電壓表一般由A/D轉(zhuǎn)換器、譯碼器、驅(qū)動器及數(shù)字顯示器組成。這種檢測電路以數(shù)字讀數(shù)的形式顯示出被測物理量，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量系統(tǒng)的前置電路。常見的阻抗匹配器有半導(dǎo)體管阻抗匹配器、場效應(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，實際上是一個半導(dǎo)體管共集電極電路，又稱為射極輸出器。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，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)，常用來作阻抗變換電路和前后級隔離電路。

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，仍然無法滿足一些傳感器的要求。

場效應(yīng)管是一種電平驅(qū)動元件，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。場效應(yīng)晶體管阻抗匹配器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，因此常用作前置級的阻抗變換器。場效應(yīng)晶體管阻抗匹配器有時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電路中經(jīng)常使用的電路，主要用來把傳感器的電阻、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，這是因為，應(yīng)變片電橋輸出信號微弱需經(jīng)放大器進(jìn)行放大，而使用直流放大器容易產(chǎn)生零點漂移。此外，應(yīng)變片與橋路之間采用電纜連接，其引線分布電容的影響不可忽略，使用交流電橋還會消除這些影響。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

R2R4=R1R3，輸出電壓為零。如果R1=R2=R3=R4時，則電橋電路被稱為四等臂電橋，此時輸出靈敏感度最高，而非線性誤差最小，因此在傳感器的實際應(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。放大電路主要用來將傳感器輸出的直流信號或進(jìn)行放大處理，為監(jiān)測系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號，它對檢測系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用。

目前檢測系統(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，差動放大器最突出的優(yōu)點是能夠抑制共模信號。

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是電荷量的變化，配上適當(dāng)?shù)碾娙莺?，輸出電壓可高達(dá)幾十伏到數(shù)百伏，但信號功率卻很小，信號源的內(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關(guān)。但是，測量精度卻與配接電纜的分布電容

有關(guān)。

作者簡介

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