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概述传感器信号路径

时间:2019-02-28   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
压力传感器和称重秤(力传感)
检测和测量压力和重量的需求是现代工业控制和系统监测的一个非常普遍的要求。压力测量尤为重要,因为它也可间接用于测量流量,高度和其他属性。压力和重量测量装置可视为“力传感器”,因为力是影响换能器输出的特性。力传感器的应用非常广泛,包括真空计,重型机械称重秤,工业液压设备和内燃机的歧管绝对压力(MAP)传感器。每种应用对精度,准确度和成本都有各自不同的需求。
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虽然有几种测量压力和重量的方法和vr赛车(力传感),但最常用的测量元件是应变计。
两种最常见的应变计类型是用于各种重量/压力传感器的金属箔类型,以及广泛用于测量压力的基于半导体的压阻式传感器。与金属箔型传感器相比,压阻式传感器更灵敏,线性度更好,但具有较大的温度依赖性和较大的初始偏移。
原则上,所有应变计通过改变电阻值对施加的力作出反应。因此,在电激励的情况下,它们有效地将压力或重量转换成电信号。通常,这些有源电阻元件(应变仪)中的一个,两个或四个以惠斯通电桥配置(有时称为称重传感器)布置,以响应压力或重量产生差分输出电压。
工程师可以设计一个传感器模块,以满足各种力传感应用的独特要求。成功的设计将包括适合物理特性的传感元件和适当设计的信号链
 
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力觉应用中信号链的框图
完整的信号链解决方案
传感器信号链必须在存在噪声的情况下处理极小的信号。准确测量电阻传感器输出电压的变化需要能够提供以下精确电气功能的电路:激励,放大,滤波和采集。一些解决方案还可能需要使用数字信号处理(DSP)vr赛车来进行信号处理,误差补偿,数字增益和用户可编程性。
 
激发
具有低温漂移的精确且稳定的电压或电流源通常用于传感器激励。传感器输出与激发源成比例(通常以mV / V表示)。因此,该设计通常具有模数转换器(ADC)和激励电路的共同参考,或者它使用激励电压作为ADC的参考。额外的ADC通道可用于精确测量激励电压。
 
传感器/桥
信号链的这一部分由布置在称重传感器(惠斯通电桥格式)中的应变计传感器组成,如上面的概述部分中简要说明的那样。
 
放大和电平转换 - 模拟前端(AFE)
在某些设计中,传感器的输出电压范围非常小,所需的分辨率达到纳伏范围。在这种情况下,传感器的输出信号必须在应用于ADC输入之前进行放大。为了防止这种放大步骤引入误差,具有极低失调电压的低噪声放大器(LNA)(V OS)必须选择低温和偏移漂移。惠斯通电桥的缺点是共模电压远大于感兴趣的信号。这意味着LNA还必须具有出色的共模抑制比(CMRR),通常大于100dB。当使用单端ADC时,需要额外的电路来在采集之前去除大的共模电压。另外,由于信号带宽较低,放大器的1 / f噪声会引入误差。因此,经常使用斩波稳定的放大器。通过使用极高分辨率ADC的一小部分满量程范围,可以避免一些严格的放大器要求。
选择ADC时,请查看无噪声范围或有效分辨率等规格,以指示ADC如何区分固定输入电平。替代术语可能是无噪声计数或范围内的代码。大多数高精度ADC数据表将这些规格显示为峰峰值噪声或RMS噪声与速度的对比表; 有时,规格以图形方式显示为噪声直方图。
其他ADC考虑因素包括低失调误差,低温漂移和良好的线性度。对于某些低功率应用,速度与功率是另一个重要标准。

过滤
换能器信号的带宽通常很小,并且对噪声的灵敏度很高。因此,通过滤波来限制信号带宽以降低总噪声是有用的。由于该架构中固有的过采样,使用sigma-delta ADC可以简化噪声滤波要求。
 
数字信号处理(DSP) - 数字域
除了模拟信号处理之外,还在数字域中处理捕获的信号以进行信号提取和降噪。通常会找到满足特定应用及其细微差别的聚焦算法。还存在通用vr赛车,例如通常在数字域中应用的偏移和增益校正,线性化,数字滤波和基于温度(和其他因素)的补偿。
 
信号调节/集成解决方案
在一些集成解决方案中,所有需要的功能块都集成到通常称为传感器信号调节器的单个IC中。信号调节器是专用IC(ASIC),通常在一定温度范围内对输入信号进行补偿,放大和校准。根据信号调理器的复杂程度,ASIC集成了以下部分或全部模块:传感器激励电路,数模转换器(DAC),可编程增益放大器(PGA),模数转换器(ADC) ,存储器,多路复用器(MUX),CPU,温度传感器和数字接口。
 
通常使用两种类型的信号调节器:模拟信号路径调节器(模拟调节器)和数字信号路径调节器(数字调节器)。模拟调节器具有更快的响应时间,并提供连续输出信号,反映输入信号的变化。它们通常具有硬连线(不灵活)补偿方案。数字调节器通常基于微控制器,由于ADC和DSP程序引入的延迟,响应时间较慢。应检查ADC分辨率以最小化量化误差。数字信号调节器的最大好处是补偿算法的灵活性,可以适应用户的应用。