1.5 传感器与仪表的接口电路

1.5.1 传感器输出信号的特点

传感器接口电路完成传感器输出电信号的处理，是传感器与后续电路的连接环节，其性能直接影响到整个系统。随着自动测控系统智能化程度的越来越高，对接口电路提出了更高的要求，这里介绍几个应用广泛的接口电路。

由于传感器种类繁多，其输出信号也各不相同。所以了解传感器输出信号的特点对于接口电路尤其重要。传感器接口电路的特点主要表现为

1）传感器输出信号的形式多样化，有电阻、电感、电荷、电压等。

2）传感器输出信号微弱，不易于检测。

3）传感器的输出阻抗较高，会产生较大的信号衰减。

4）传感器输出信号动态范围宽，输出信号会受到环境因素的影响，影响到测量的准确度。

1.5.2 常见传感器接口电路

根据传感器输出信号的不同特点，要采取不同的处理方法。传感器输出信号的处理主要由接口电路来完成，典型的接口电路主要有以下几种。

1.放大电路

传感器输出信号一般比较微弱，因此在大多数情况下需要使用放大电路。放大电路主要将传感器输出的微弱直流信号或交流信号放大到合适的程度。放大电路一般采用运算放大器构成。

（1）反相放大器 图1-28是反相放大器的基本电路。输入电压加到运算放大器的反相输入端，输出电压经R_F反馈到反相输入端。

输出电压为

U_O＝-U_I×（R_F/R₁） （1-38）

反相放大器的放大偌数取决于R_F与R₁的比值，负号表示输出电压与输入电压反相。该放大电路应用广泛。

（2）同相放大器 图1-29是同相放大器的基本电路。输入电压加到运算放大器的同相输入端，输出电压经R_F反馈到反相输入端。

图1-28 反相放大器基本电路

图1-29 同相放大器基本电路

输出电压为

U_O＝（1＋R_F/R₁）×U_I （1-39）

同相放大器的放大偌数取决于R_F与R₁的比值，输出电压与输入电压同相。

（3）差动放大器

图1-30 差动放大器基本电路

图1-30为差动放大器的基本电路。两个输入信号分别加到运算放大器的同相输入端和反相输入端，输出电压经R_F反馈到反相输入端。若R₁＝R₂，R₃＝R_F，则输出电压为

U_O＝R_F/R₁×（U₂-U₁） （1-40）

差动放大器的优点是具有抑制共模信号的能力和抗干扰能力。

2.阻抗匹配器

传感器输出阻抗都比较高，比一般电压放大电路的输入阻抗要大得多，若将传感器直接与放大电路进行连接，则信号衰减很大，甚至不能正常工作。常常使用高输入阻抗低输出阻抗的阻抗匹配器。常用的阻抗匹配器是半导体阻抗匹配器、场效应晶体管阻抗匹配器及集成电路阻抗匹配器等。

半导体阻抗匹配器，实际上是共集电极放大电路，又称为射极输出器。射极输出器的输出相位与输入相位相同，放大倍数略小于1，输入阻抗高，输出阻抗低。

场效应晶体管阻抗匹配器的输入阻抗高达10¹²Ω以上，而巨其结构简单、体积小，得到了广泛的应用。

3.电桥电路

电桥电路是传感器系统中经常使用的转换电路，主要用来把电阻、电容、电感的变化转换为电压或电流。根据其供电电源性质的不同，可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器，交流电桥可用于电阻、电容及电感式传感器。

电桥的基本电路如图1-31所示，阻抗Z构成电桥电路的桥臂，桥路的一对角线接工作电源，另一对角线是输出端。

当电桥的4个桥臂的阻抗由于被测量引起变化时，电桥平衡被打破，此时电桥的输出与被测量有直接对应关系。

4.电荷放大器

有些传感器输出的信号是电荷量的变化，要将其转换成电压信号，可采用电荷放大器。电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器。图1-32所示是一种常见的电荷放大器电路。

图1-31 电桥基本电路

图1-32 电荷放大器电路

1.5.3 抗干扰技术

在实际检测系统中，传感器的工作环境是比较复杂和恶劣的，它的输出信号微弱，并巨与电路之间的连接具有一定的距离，这时传送信号的电缆电阻和传感器的内阻以及放大电路等产生的干扰，再加上环境噪声，周围磁场、电场都会对电路造成干扰，影响其正常工作。

1.干扰的根源

干扰又称噪声，是传感器系统中混入的无用信号。主要分为内部噪声和外部噪声，内部噪声是由传感器内部元件所产生的；外部噪声是由外部人为因素或自然干扰产生的。而把消除或削弱各种干扰的方法，称为抗干扰技术。

2.抗干扰方法

为了保证传感器电路能最精确的工作，必须削弱或防止干扰的影响，下面介绍几种常见的抗干扰技术。

（1）屏蔽技术 利用低电阻材料制成容器状，将需要防护的部分包起来，割断电场、磁场的耦合通道，防止静电或电磁的相互感应。主要有静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽、驱动屏蔽等。

（2）接地技术 接地是保证安全的一种方法，一般情况，接地技术是与屏蔽相关联的，如果接地不当，可能会引起更大的干扰。

接地主要有信号接地和负载接地。在强电技术中，一般将设备外壳和电网零线接大地；弱电技术中，把电信号的基准电位点称为“地”，依据“一点接地”原则，将电路中不同的地线接入同一点。

（3）其他抗干扰技术

1）选用质量好的元器件。

2）浮置：又称浮空，是指电路的公共线不接机壳也不接大地的一种抗干扰技术。

3）滤波：滤除无用的频率信号。分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。