传感器的信号调理
传感器的信号调理
信号调理(signal conditioning): 对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口 的信号。 重要性： 实现传感器的灵敏度、线性度、 输出阻抗、失调、漂 移、时延等性能参数的关键环节。 ■所涉及的信号： 模拟信号、数字信号。相应电路有模拟电路和数字电 路，以模拟电路居多。 常用电路： 包括电桥电路、放大电路、信号变换电路（如电压/电 流转换、交流/直流变换、电压/频率变换、 阻抗变换、 调制解调等)、电气隔离电路、线性化电路、 滤波电 路等电路以及激励传感器的驱动电路，常称为传感器 电路
◼ 信号调理(signal conditioning)： 对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口 的信号。 ◼ 重要性： 实现传感器的灵敏度、线性度、输出阻抗、失调、漂 移、时延等性能参数的关键环节。 ◼ 所涉及的信号： 模拟信号、数字信号。相应电路有模拟电路和数字电 路，以模拟电路居多。 ◼ 常用电路： 包括电桥电路、放大电路、信号变换电路（如电压/电 流转换、交流/直流变换、电压/频率变换、阻抗变换、 调制解调等）、电气隔离电路、线性化电路、滤波电 路等电路以及激励传感器的驱动电路，常称为传感器 电路
对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、 动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标)适合于转换 为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感 器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号 的预处理，(3)去除无用信号
◼ 对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、 动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标）适合于转换 为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感 器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号 的预处理，(3)去除无用信号
1.信号调理电路的设计原则 1.1 保证传感器的性能指标 传感器电路应具有准确度（精度）高、反应快、可调 性、可靠性和经济性强等特点。 (1)准确度（精度） 具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参 数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能： ①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求 ②低漂移、高稳定性 ③有合适的通频带：不失真 ④线性好 ⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配 (2)响应速度 实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较 高的响应速度
1.信号调理电路的设计原则 1.1 保证传感器的性能指标 传感器电路应具有准确度 (精度) 高、反应快、可调 性、可靠性和经济性强等特点。 (1) 准确度(精度) 具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参 数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能： ①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求 ②低漂移、高稳定性 ③有合适的通频带：不失真 ④线性好 ⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配 (2)响应速度 实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较 高的响应速度
(3)可调整性 能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路 的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时 希望电路有简单的数据处理功能。 (4)可靠性 传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠 性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情 况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结 构是提高可靠性的有效办法。 (5)经济性 在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合 理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。 另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素
(3)可调整性 能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路 的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时 希望电路有简单的数据处理功能。 (4)可靠性 传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠 性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情 况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结 构是提高可靠性的有效办法。 (5)经济性 在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合 理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。 另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素
1.2根据传感器输出参量类型进行信号转换 (1)电阻型 敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器 的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片。 电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电 桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变 化转换成频率。 (2)电容型 传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容 式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。 电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压 或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号
1.2 根据传感器输出参量类型进行信号转换 (1) 电阻型 敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器 的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片。 电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电 桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变 化转换成频率。 (2) 电容型 传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容 式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。 电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压 或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号
3)电感型 传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电 感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。 电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处 理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或 电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。 (4)互感型 传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动 变压器式传感器，电涡流式传感器等。 电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处 理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转 换为电压、电流或频率变化
(3) 电感型 传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电 感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。 电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处 理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或 电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。 (4) 互感型 传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动 变压器式传感器，电涡流式传感器等。 电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处 理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转 换为电压、电流或频率变化
5)电压（电势）型 传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。 如热电偶，光电池；霍尔元件等。 电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或 电流变化。 (6)电流型 传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏 二极管等 电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变 换成较强的电压或电流。 (7)电荷型 传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。 如压电式传感器，红外热释电元件等。 电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输 出，这种电路通常称之为电荷放大器
(5) 电压 (电势) 型 传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。 如热电偶，光电池；霍尔元件等。 电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或 电流变化。 (6) 电流型 传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏 二极管等。 电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变 换成较强的电压或电流。 (7) 电荷型 传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。 如压电式传感器，红外热释电元件等。 电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输 出，这种电路通常称之为电荷放大器
8)脉冲（数字）型 传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出 的数字信号分三类： ①增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化 周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的 增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。 ②绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如 码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝 对码。绝对码信号抗干扰能力很强。 ③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一 位编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。 电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换 所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相 应的数字信号
(8) 脉冲 (数字) 型 传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出 的数字信号分三类： ① 增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化 周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的 增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。 ② 绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如 码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝 对码。绝对码信号抗干扰能力很强。 ③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一 位编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。 电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换 所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相 应的数字信号
1.3信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。 (1)高输出阻抗型 敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其 输出阻抗高达102以上。 电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和 放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变 换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输 入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和 抗干扰能力。 (2)低输出阻抗型 传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。 后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的 电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力 等方面考虑较多
1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。 (1) 高输出阻抗型 敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其 输出阻抗高达108Ω以上。 电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和 放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变 换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输 入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和 抗干扰能力。 (2) 低输出阻抗型 传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。 后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的 电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力 等方面考虑较多