传感器技术之信号调理、处理和记录
传感器与检测技术课后答案
1-2 自动检测系统通常由几个部分组成？其中对传感器的一般要求是什么？首先由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转化成电参量信号，然后经信号调理，数据采集，信号处理后，进行显示，输出，加上系统所需的交，直流稳压电源和必要的输入设备，便构成了一个完整的自动检测系统。
对传感器通常有如下要求：1，准确性2，稳定性3，灵敏度4其他：如耐腐蚀性，功耗，输出信号形式，体积，售价等。
1-3 试述信号调理和信号处理的主要功能和区别，并说明信号调理单元和信号处理单元通常由哪些部分组成。
信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波，转换，滤波，放大等，以便检测系统后续处理或显示。
信号处理模块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和大脑相类似。
信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。
信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速处理器（DSP）和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建。
2-1 随机误差，系统误差，粗大误差产生的原因是什么？对测量结果的影响有什么不同？从提高测量准确度看，应如何处理这些误差？随机误差主要是由于检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机因素综合作用的结果。
系统误差产生的原因大体上有：测量所用的仪器本身性能不完善或安装，布置，调整不当；在测量过程中温度，湿度，气压，电磁干扰等环境条件发生变化；测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善；操作人员视读方式不当等。
粗大误差一般由外界重大干扰或仪器故障或不正确的操作等引起的。
减小和消除系统误差的方法——1，针对产生系统误差的主要原因采取相应措施2，采用修正方法减小恒差系统误差3，采用交叉读书法减小线性系统误差4，采用半周期法减小周期性系统误差随机误差的处理——可以用数理统计的方法，对其分布范围做出估计，得到随机影响的不确定度。
粗大误差的处理——拉伊达准则和格拉布斯准则2-2 工业仪表常用的精度等级是如何定义的？精度等级与测量误差是什么关系？人为规定：取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，即用最大引用误差去掉正负号的数字来表示精度等级。
电路中的传感器网络多个传感器的数据采集与处理
电路中的传感器网络多个传感器的数据采集与处理传感器是电路中重要的组成部分，其主要功能是将检测到的物理量信息转化为电信号，并通过传感器网络进行数据采集与处理。
本文将探讨电路中多个传感器的数据采集与处理方法，以解决传感器网络中的相关问题。
一、传感器网络的基本原理传感器网络由多个传感器节点组成，每个节点都具有数据采集和处理的能力。
传感器节点通过互联网络进行通信，并将采集到的数据传输到目标设备或系统中进行处理和分析。
传感器网络的基本原理是通过节点之间的协同工作，实现对环境信息的全面感知和监测。
二、数据采集与传输1. 传感器选择与布置在构建传感器网络前，需要根据实际需求选择合适的传感器类型，并考虑其布置位置。
不同的传感器类型适用于不同的物理量检测，如温度、湿度、光照等。
合理的传感器布置可以提高数据采集的准确性和可靠性。
2. 信号调理与放大传感器采集到的信号往往非常微弱，需要经过信号调理与放大才能得到可用的信号。
信号调理包括滤波、增益控制等处理方法，旨在提高信号质量和稳定性。
3. 数据转换与数字化传感器输出的信号通常是模拟信号，需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号以便于后续处理。
ADC的选择和配置要与传感器输出信号的特性相匹配，确保准确地将模拟信号转换为数字形式。
4. 数据传输与通信传感器节点通过通信技术将采集到的数据传输到目标设备或系统中。
常见的通信方式包括有线通信和无线通信。
有线通信可选择串口、以太网等方式，而无线通信可采用蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等无线协议。
三、数据处理与分析1. 数据存储与管理传感器网络产生的数据量庞大，需要进行合理的存储与管理。
可以选择使用数据库等方式，建立存储系统，实现对数据的高效管理和快速访问。
2. 数据预处理传感器数据中常常包含噪声和干扰，需要进行数据预处理以去除干扰并提高数据质量。
常见的数据预处理方法包括滤波、去噪、补偿等。
3. 数据分析与应用传感器网络采集的数据可以通过数据分析得到有价值的信息。
传感器的五大设计技巧和主要技术指标
传感器的五大设计技巧和主要技术指标一、传感器的五大设计技巧1.信号处理技巧：传感器的主要任务是将感知到的物理量转化为电信号，因此信号处理技巧在传感器的设计中显得尤为重要。
在传感器的设计中，需要考虑信号的采样、滤波、放大、调理等环节，以保证感知到的信号能够准确地表达被测量的物理量。
2.精度校准技巧：传感器的精度直接影响到测量结果的准确性，因此精度校准技巧在传感器的设计中也是非常关键的。
在传感器的设计中，需要采用合适的校准方法，通过对传感器的输出信号进行校准，提高传感器的精度和准确性。
3.电源管理技巧：传感器通常需要外部电源供电，电源管理技巧对于传感器的设计来说也是非常重要的。
在传感器的设计中，需要合理选择电源电压和电流，并设计合适的电源管理电路，以提高传感器的工作效率和稳定性。
4.防护和抗干扰技巧：传感器通常需要在复杂的环境条件下工作，因此防护和抗干扰技巧对于传感器的设计也是非常重要的。
在传感器的设计中，需要考虑到传感器的工作环境和外界干扰因素，并采取相应的防护和抗干扰措施，以确保传感器的正常工作。
5.结构设计技巧：传感器的结构设计对于传感器的性能和可靠性都有着直接的影响。
在传感器的设计中，需要合理选择传感器的结构和材料，并进行优化设计，以提高传感器的性能和可靠性。
1.测量范围：指传感器能够正常工作的物理量范围。
传感器的测量范围应根据被测量的物理量的实际范围进行选择，以保证传感器能够准确地测量被测量的物理量。
2.灵敏度：指传感器输出信号与被测量物理量之间的关系，灵敏度越高，传感器对被测量物理量的变化越敏感。
灵敏度是衡量传感器性能的重要指标之一3.准确性：指传感器测量结果与被测量物理量实际值之间的偏差。
传感器的准确性越高，测量结果与实际值之间的偏差越小。
4.响应时间：指传感器从感知到被测量物理量的变化到输出信号的反应时间。
响应时间越短，表明传感器响应能力越强。
5.稳定性：指传感器在长期使用过程中输出信号的稳定性。
检测传感技术期末复习题参考答案
中国石油大学（北京）远程教育学院《检测传感技术》期末复习题参考答案一、填空题（本题共计40分，每一填空计2分）1. 一个完整的测试系统由激励装置、传感器、信号调理、信号处理、显示记录等五个基本环节组成。
2. 在测试系统中，激励装置的功能是激发隐含的被测信息；传感器的功能是将被测信息转换成其他信息；信号调理环节的功能是将传感器获得的信息转换成更适合于进一步传输和处理的形式；信号处理环节的功能是对来自信号调理环节的信息进行各种处理和分析；显示记录环节的功能是显示或存储测试的结果。
3. 不失真测试即测试系统的输出要真实地反映其输入的变化。
为实现不失真测试，系统频率响应需要满足的条件是：幅频特性为常数；相频特性呈线性。
对系统瞬态响应的要求是：瞬态误差小；调整时间短。
4. 测试信号的时域特征参数主要有均值、方差和均方值。
5. 信号的均值反映随机信号变化的中心趋势；信号的方差反映随机信号在均值附近的分布状况；信号的均方值反映随机信号的强度。
6. 任何周期信号均可分解为一系列频率比为有理数的简谐信号, 其频谱特性包括离散性、谐波性、收敛性。
7. 频率单一的正弦或余弦信号称为谐波信号。
一般周期信号由一系列频率比为有理数的谐波信号叠加而成。
8. 周期信号的频谱特性：离散性即各次谐波分量在频率轴上取离散值；谐波性即各次谐波分量的频率为基频的整倍数；收敛性即各次谐波分量随频率的增加而衰减。
9. 瞬态信号是在有限时间段存在，属于能量有限信号。
10. 瞬态信号的频谱为连续谱,其幅值频谱的量纲为单位频宽上的幅值，即幅值频谱密度函数。
11. 一阶测试系统的基本参数是时间常数。
根据对测试系统的基本要求及一阶测试系统的频率响应和单位阶跃响应，一阶测试系统的基本参数的选取原则是时间常数小。
12. 二阶测试系统的基本参数是固有频率和阻尼比。
13. 金属丝应变片依据应变效应工作；半导体应变片依据压阻效应工作。
14. 压力传感器由弹性敏感元件和机电转换元件两部分组成。
传感器与测试技术章节测试题
章节测试题第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。
4、 非周期信号包括 信号和 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ ） （三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2xψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn ns s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。
物联网中的传感器信号采集和处理
物联网中的传感器信号采集和处理一、传感器信号采集传感器是物联网中的重要组成部分，能够将物理世界中的参数转化为数字信号，成为物联网中的“感官”。
在物联网数据获取中，传感器信号采集是第一步，它将模拟信号转换为数字信号并将其传输到DSP或FPGA等数字信号处理器中。
传感器信号采集分为三个主要步骤：信号调理、采样和定时。
1.信号调理传感器的输出信号具有不同的噪声和失真。
因此，信号调理必须在信号采集之前进行。
这个过程包括放大、滤波和线性化。
1）放大传感器的输出信号是微弱的，需要首先放大才能被数字信号处理器采集。
放大可以通过运算放大器（Op-Amp）来实现。
2）滤波滤波就是把不需要的频率分量从信号中滤除，只留下需要的信号，以便更好地采集和分析。
滤波分为低通滤波器、高通滤波器、带通/带阻滤波器，可以根据具体的需求选择不同类型的滤波器。
3）线性化不同的传感器输出信号与其测量物理量的关系是不同的，需要进行线性化将它们转化为线性关系。
线性化是通过校准传感器来进行的。
综上所述，信号调理是传感器信号采集的重要步骤，它能够提高信号的精度和可靠性。
2.采样传感器的模拟信号需要进行采样，并将其转换成数字信号才能进行数字信号处理。
采样的频率越高，数字信号的质量就越好。
因此，需要根据传感器信号的频率进行选择。
传感器的采样过程涉及到“采样率”、“量化精度”和“采样时间误差”等问题。
量化精度是指将模拟信号转换为数字信号的精度，一般为10位或12位。
采样时间误差是指采样时钟与实际采样时间之间的误差，这种误差需要尽可能小。
3.定时传感器信号采集的定时是指将采样过程与实际物理变量的变化同步。
传感器的采样时间间隔需要根据物理变量的实际变化速率进行调整。
二、传感器信号处理传感器信号处理是物联网系统中的核心任务之一，它将采集到的数值信号进行处理，提取和分析数据，进行控制和决策。
传感器信号处理的过程可以分为预处理、特征提取和数据处理。
1.预处理预处理是指在传感器数据进行处理之前，先对传感器数据进行一些初步处理以减少运算复杂度。
物联网传感器技术与应用
物联网传感器技术与应用物联网（Internet of Things，简称IoT）是近年来快速发展的一个领域，利用物联网技术可以将传感器设备与互联网相连接，实现设备的数据交互和智能化控制。
物联网传感器技术作为物联网的重要组成部分，发挥着关键的作用。
本文将对物联网传感器技术的原理、分类以及在实际应用中的具体应用领域进行探讨。
一、物联网传感器技术原理物联网传感器技术是指通过传感器对现实世界的各种物理量或环境参数进行感知，并将其转化为信号或数据，通过通信网络传输到云端进行处理和分析。
主要包括传感器、信号调理、数据传输和数据处理等环节。
1. 传感器传感器是物联网传感器技术的核心组成部分，通过感知物理量或环境参数的变化，将其转化为电信号或其他可处理的信号形式。
传感器根据感知的物理量不同，可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器等多种类型。
2. 信号调理传感器感知到的信号通常是微弱的和模拟的，需要通过信号调理进行放大、滤波、线性化等处理，使之符合后续处理的要求。
信号调理模块能够提高传感器的灵敏度和准确性。
3. 数据传输传感器通过无线通信或有线通信方式将采集到的数据传输到云端或其他处理终端。
无线通信方式包括蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等，有线通信方式包括以太网、RS485等。
4. 数据处理在云端或其他处理终端，通过对传感器采集到的数据进行实时分析和处理，实现数据挖掘、模式识别、决策支持等功能。
数据处理的结果可以提供给用户或其他应用系统使用。
二、物联网传感器技术分类根据物联网传感器的工作方式和部署方式不同，可以将其分为以下几类：1. 主动传感器主动传感器是指能够主动产生信号的传感器，例如温度传感器、湿度传感器等。
这类传感器根据感知到的物理量的变化，主动产生相应的信号，不需要外部信号的刺激。
2. 被动传感器被动传感器是指需要外部刺激才能产生信号的传感器，例如光照传感器、压力传感器等。
这类传感器只有在感知到外部物理量的刺激后，才会产生相应的信号。
自动测量仪的原理
自动测量仪的原理自动测量仪是一种能够自动进行测量、数据采集和数据处理的仪器。
它通过内置的传感器和控制系统，可以实现自动测量各种物理量、化学指标或电子参数，并将测量结果以数字形式进行显示和记录。
自动测量仪的原理主要包括传感器技术、信号处理技术、自动控制技术等几个方面。
首先，自动测量仪的核心部件是传感器，它是将被测量量转化为电信号的装置。
传感器可以根据被测物理量的不同选择不同的工作原理，如变压器传感器、电容传感器、电感传感器、压电传感器等。
传感器通过量化被测量并将其产生的物理量转化为电信号，从而实现对被测量量的测量。
其次，自动测量仪利用信号处理技术将传感器产生的电信号进行增强、滤波、调理和数字化处理，使其达到适合后续处理的要求。
信号处理技术包括模拟信号处理和数字信号处理两种方式。
模拟信号处理主要用于对模拟信号进行滤波、放大和整形处理，以提高信噪比和抑制干扰。
数字信号处理则将模拟信号经过模数转换器转换为数字信号后，利用数字滤波器、数字滤波算法、数字调理算法等进行处理。
然后，自动测量仪利用自动控制技术实现对传感器和信号处理系统的自动控制。
自动控制系统可以根据预设的测量参数进行控制，包括采集触发，信号放大和校正，数据记录以及控制输出等功能。
自动控制技术主要包括反馈控制、前馈控制和模糊控制等方式。
通过自动控制技术，自动测量仪可以实现对测量过程的可靠控制，提高测量的准确性和可重复性。
除了以上几个核心原理，自动测量仪还可以应用其他辅助技术来提高测量精度和可靠性。
例如，校准技术可以通过与标准设备相比，对测量仪表进行校准，以修正测量误差。
自适应技术可以根据测量环境和被测参数的变化自动调整测量仪的工作参数，提高测量的适应性。
实时监测技术可以实时监测传感器和信号处理系统的状态，以及测量结果的准确性和稳定性，从而提前判断并处理故障。
总之，自动测量仪的原理主要包括传感器技术、信号处理技术和自动控制技术。
通过传感器将被测物理量转化为电信号，然后通过信号处理技术对电信号进行增强、滤波、调理和数字化处理，最后通过自动控制技术对传感器和信号处理系统进行自动控制，实现自动测量和数据处理。
传感器的信号调理
Agenda
信号调理
信号调理的概念
信号调理的作用
信号调理的分类
电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
电平调整
无源电平调整电路
最简单的电平调整电路
R2 VO Vi R1 R2
R1和R2的精度和稳定性直接影响电平调整的效果； R1和R2的选取需要综合考虑：
RHb ( RHa RHc ) 2RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
无源线性化电路
线性化后的电压输出曲线如下图所示，也是一个S形
曲线。
无源线性化电路
热敏电阻的非线性校正也常采用类似的方法
热敏电阻的阻值与温度呈指数关系，实践中可用温度系数很
小的金属电阻与其串联或并联或同时串、并联，构成电阻网
无源线性化电路
无源线性化电路
运算后可得：
RHb ( RHa RHc ) 2RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
无源线性化电路
无源线性化电路
经修正后的特性曲线呈S形，线性度得到改善，各点R H 值与直线
'
(图中虚线)关系对应值的偏差 R如图b所示 ：
无源线性化电路
电路的输入阻抗约为Ri ，输出阻抗接近于0； 不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整，而且满
足了阻抗匹配的要求.
电平调整
有源电平调整电路
反相放大电路：
是最常见的有源电平调整电路，电压增益为：
G
Rf Ri
电路的输入阻抗约为Ri ，输出阻抗接近于0； 不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整，而且满
信号形式变换 -电压电流转换电路
第四章 信号调理与处理
幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能 良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。
电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电 源供给电桥，则输出为调幅波。
霍尔元件： VH kH iB sin
电桥：
Uy
R R0
U
0
三、调制与解调
调幅信号的解调方法
1、同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则
xm (t) xt cos 2f0t cos
xt cos 2f0t
三、调制与解调
调幅信号的频域分析
由傅里叶变换的性质知：在时域中两个信 号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
xt yt
X f Y f
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就
是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的 是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当 信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号 电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是
随信号而变化的疏密不等的等幅波。
第五章 信号变换及调理
三、调制与解调 调频波的瞬时频率可表示为． f＝fo±△f 式中f。——载波频率，或称为中心频率； △f—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。
四、 滤波器
滤波器还有其它不同分类方法，例如， 根据构成滤波器的大件类型，可分为RC、LC或晶
体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和
无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与
数字滤波器等等。
滤波器的性能指标
A0
0.707A0
Q=f0 / B
第3章 电感式传感器及其信号调理
当铁芯位于中间位置时，M M M ，E =0 铁芯向上位移时，M M M M M M ，
1 2
s
1
2
Es
2 jM E p Rp jLp
1
铁芯向下位移时，M
Es
M M
M 2 M M，
2 jM E p Rp jLp
3.1 自感式传感器 3.1.1 单线圈自感传感器
自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁 阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变， 引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。 气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变 气隙截面积两种方式实现。传感器线圈分单线圈 和双线圈两种。
图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器
s
Us
j (M 2 M1 ) E p j (M 2 M1 ) E p RL RL RL ( Rs1 Rs 2 ) j ( L1 L2 ) Rp jLp RL Rs jLs Rp jLp
根据（3-19）画出差动变压器频率特性如图313。
3) 采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿 电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四 种： ①附加串联电阻以消除基波同相成分； ②附加并联电阻以消除基波正交成分； ③附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量； ④附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐 波分量。串联电阻的阻值很小，为0.5－5Ω ，并 联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数 值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。
U i L U0 4 L0
采用差动结构能带来的好处： 理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡； 灵敏度提高一倍； 线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)； 差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干 扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的 方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起 的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路 实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。
传感器中的信号检测和处理方法
传感器中的信号检测和处理方法信号检测和处理是传感器技术中至关重要的一环。
传感器通过感知和测量物理量或环境信息，将其转化为电信号进行传输和处理。
本文将介绍一些常见的传感器中的信号检测和处理方法。
一、信号检测方法1. 阈值检测法阈值检测法是一种最简单的信号检测方法。
传感器输出的信号与预设的阈值进行比较，如果超过阈值，则认为信号存在，否则认为信号不存在。
该方法适用于检测信号的存在与否，但无法提供信号的具体数值信息。
2. 滤波检测法滤波检测法通过滤波器对信号进行处理，滤除噪声和干扰，提取出感兴趣的信号成分。
常用的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。
滤波检测法可以提高信号的质量和可靠性。
3. 相关检测法相关检测法通过与模板信号进行相关运算，判断信号与模板之间的相似度。
利用相关性的测量指标，可以实现对信号的匹配和识别。
这种方法在模式识别和信号匹配方面被广泛应用。
二、信号处理方法1. 数字信号处理数字信号处理采用数字技术对信号进行处理和运算。
它可以对信号进行采样、量化和编码，然后通过数字滤波、谱分析等算法实现信号的处理和分析。
数字信号处理具有高精度、高灵活性和抗干扰能力强的优点。
2. 模数转换模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
传感器通常输出的是模拟信号，通过模数转换，可以将其转换为数字信号进行处理。
模数转换可以采用脉冲编码调制、脉冲宽度调制等方法。
3. 压缩与编码在一些特殊应用中，为了减小数据的存储和传输量，可以对信号进行压缩与编码处理。
压缩与编码技术可以将冗余信息删除或者利用编码算法将信号进行压缩表示，从而减小信号的存储空间和传输带宽。
三、信号检测和处理系统的设计为了实现对传感器输出信号的检测和处理，需要设计相应的信号检测和处理系统。
一个完整的信号检测和处理系统通常包括信号传感、信号调理、信号处理和显示输出等模块。
1. 信号传感信号传感模块负责将被测量的物理量或环境信息转换为模拟信号。
传感器的选择和布置对信号检测的准确性和可靠性有很大影响，需要根据具体应用的需求进行选择。
测试技术第4章
U ad I 2 R4
输出电压：
R1 R1 R3 R2 R4 R4 U y U ab U ad U U R R 0 R R 0 ( R R )(R R ) U 0 2 3 4 1 2 3 4 1
直流电桥
直流电桥的平衡条件： R1 R3 R2 R4 常用的电桥连接形式：
t 0 kx t
此时调频信号可表示 x f (t ) A cos 0t k x(t )dt 0
图4-10
调制信号加偏置的调幅波 b）偏置电压不够大
a）偏置电压足够大
相敏检波
为了使信号具有判别信号相位和选频的能力， 需采用相敏检波电路。 要实现正确的解调必须要求参考信号的幅值 远大于调幅信号的幅值，使开关器件的通断 完全由参考信号决定。其中x(t)为原信号； y(t)为载波，xm(t)为调幅波。电路设计使变 压器B二次边的输出电压大于A二次边的输出 电压，即满足参考信号的幅值大于调幅信号 的幅值。
当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为调频(FM)； 已调制信号为调频波； 当被控制的量为高频振荡信号的相位时，称为调相(PM)； 已调制信号为调相波； 调制与解调的应用： 应用分析：传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放 大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零漂， 故一般先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，最后 解调。
2、整流检波和相敏检波 调幅波解调（检波）： 从已调制信号中检出调制信号的过程。 有三种方法：同步解调、包络检波、相敏检波。 同步解调：已调制信号Xm(t)与载波y(t)再次相乘， 经低通滤波器，检出调制信号。 整流检波（包络检波）： 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值 变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一 致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。 这种方法称为整流检波或包络检波。
传感器和几种信号的处理
2. 传感器的分类
常见的传感器分类方法有三种：
按传感器检测的物理量分类 按传感器工作原理分类 按传感器输出信号的性质分类
传感器和几种信号的处理
按传感器所检测的物理量分类有：
位移、角度、转速、温度、压力、流量、物 位、气体成份、电量等传感器。
传感器和几种信号的处理
按传感器工作原理分类 ：
传感器和几种信号的处理
也可将几对光电藕合器封装在一起,如： TIP521-4
传感器和几种信号的处理
有些光电藕合器采用了两个反向并联的 发光二极管,可以支持交流输入，如： TPL320
传感器和几种信号的处理
有些光电藕合器中的光敏三极管基极引 出在外,可通过设置偏置来改善线性、调 整电流传输率CTR等,相应的型号有 4N25/4N28
在开关或继电器闭合与断开时,还存在抖 动问题,它是由于机械触点的弹性作用所 致。解决这类问题的方法很多，常用RC 吸收电路或双稳态电路消除
传感器和几种信号的处理
7.2.2 隔离技术
现场开关与计算机输入接口之间,一般有较长 传输线路,这就容易引入干扰。 为提高系统可靠性,输入端常采用具有安全保 护和抗干扰双重作用的隔离技术。 隔离双方无直接电路联系,各自用独立电源和 公共接地端。 常见的隔离技术有：
敏感元件是能够灵敏地感受被测变量，并作出响应 的元件。
传感器和几种信号的处理
例如
弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变， 形变程度就是对压力高低的响应，因此, 弹性膜盒是一种压力敏感元件。 铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值， 阻值的变化就是对温度升降的响应，所 以铂电阻就是一种温度敏感元件。
传感器和几种信号的处理
传感器和几种信号的处理
传感器系列实验实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解传感器的基本原理和分类。
2. 掌握常见传感器的工作原理和特性。
3. 学会传感器信号的采集和处理方法。
4. 提高实验操作能力和数据分析能力。
二、实验设备与器材1. 传感器实验平台2. 数据采集卡3. 信号发生器4. 示波器5. 计算机及相应软件6. 传感器：热敏电阻、霍尔传感器、光电传感器、电容式传感器、差动变压器等三、实验内容及步骤1. 热敏电阻实验（1）目的：了解热敏电阻的工作原理和特性。
（2）步骤：1. 将热敏电阻连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集热敏电阻的输出信号。
3. 使用示波器观察热敏电阻输出信号的波形和幅度。
4. 分析热敏电阻输出信号与温度的关系。
2. 霍尔传感器实验（1）目的：了解霍尔传感器的工作原理和特性。
1. 将霍尔传感器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集霍尔传感器的输出信号。
3. 使用示波器观察霍尔传感器输出信号的波形和幅度。
4. 分析霍尔传感器输出信号与磁场强度的关系。
3. 光电传感器实验（1）目的：了解光电传感器的工作原理和特性。
（2）步骤：1. 将光电传感器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集光电传感器的输出信号。
3. 使用示波器观察光电传感器输出信号的波形和幅度。
4. 分析光电传感器输出信号与光照强度的关系。
4. 电容式传感器实验（1）目的：了解电容式传感器的工作原理和特性。
（2）步骤：1. 将电容式传感器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集电容式传感器的输出信号。
3. 使用示波器观察电容式传感器输出信号的波形和幅度。
4. 分析电容式传感器输出信号与电容变化的关系。
5. 差动变压器实验（1）目的：了解差动变压器的工作原理和特性。
1. 将差动变压器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
传感器信号调理电路
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。
传感器输入的信号是一种原始的待处理电信号， 一般不方便直接使用，需要进行加工处理，这就是 传感器的信号调理。信号调理电路将传感器输出的 微弱信号转换为电压、电流或频率等便于测量的电 信号，输出信号精度较高。
1 概述
在数据采集中, 经常会遇到一些微弱的微伏级信号， 例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。
运算放大器
第一个使用真空管设 计的放大器大约在 1930年前后完成，这 个放大器可以执行加 与减的工作。 60年代 晚期，仙童半导体推 出了第一个被广泛使 用的集成电路运算放 大器，型号为μ A709.
-
R4
R6
A2
器A3，将双端 Ui2
+
U4
输入变为对地
测量放大器原理电路
的单端输入。
2 测量放大器的电路原理
测量放大器的增益
K U0 Ui1 Ui2
Ui1
+
U3 R3 U5
R5
A1
(U3 U 4 )U0
-
R1
-
(Ui1 Ui2 )(U3 U 4 ) IG RG
R2
A3
UO
+
U3 Ui1 IG R1
而同比例运算放大器可以得到较大的
输入电阻，较低的输出电阻
R2
-∞ +
uo
+ N1
R3 ui
测量放大器
测量放大器是一种带有精密差动电压增益的 器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗 共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳 定增益等特点，在检测微弱信号的系统中， 被广泛用作前置放大器。
传感器信号的处理
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10
第一节 传感器信号的预处理
2、常用传感器信号预处理方法 （1）抗变换电路
在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检 测电路准确地拾取传感器的输出信号。 （2）放大电路
将传感器输出微弱信号放大。 （3）电流电压转换电路
12
第二节 测量放大器
一、测量放大器的选择 因传感器输出的信号很微弱，故对放大器的精度
要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变化，进行缓 冲、隔离、放大和电平转换等处理。
上述这些功能大多可用运算放大器来实现。运算 放大器往往不能消除各种形式的共模干扰信号，因此， 需要引入另一种形式的放大器，即仪表放大器。它广 泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有较大 共模干扰的场合。
（4）传感器的动态范围很宽。 （5）传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。 （6）传感器的输出量会受温度的影响。
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9
第一节 传感器信号的预处理
三、传感器信号的预处理方法 1、传感器信号的预处理的主要目的
传感器信号的预处理的主要目的是根据传感器输 出信号的特点，采取不同的信号处理方法来抑制干扰 信号，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差 等进行补偿和修改，从而提高检测系统的测量精度和 线性度。
对于一个具体的数字采集系统而言，所采用的信 号调理技术及其电路，由传感器输出信号的特性和后 续采样/保持电路（或A/D转换）的要求或确定的测量 要求决定。
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5
第一节 传感器信号的预处理
（2）多路模拟开关
多路模拟开关在控制信号作用下，按指定的次序把各路模拟 信号分时地送到A/D转换器转换成数字信号。
测控系统技术
测控系统技术测控系统是指能够对被测对象进行准确测量和控制的系统。
它广泛应用于工业生产、科研实验、环境监测等领域。
测控系统技术的发展，推动了现代化生产和科学研究的进步。
本文将介绍测控系统技术的基本原理、应用领域和发展趋势。
基本原理测控系统技术的基本原理包括传感器、信号调理、数据采集与传输、数据处理与分析以及控制执行等方面。
1.传感器：传感器是测控系统的重要组成部分，用于将被测量转化为与其相对应的信号。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。
传感器的选择要根据被测量的特性和精度要求进行。
2.信号调理：传感器输出的信号通常十分微弱，信噪比低，需要进行信号调理以提高信号质量。
信号调理包括放大、滤波、增益调整等过程，以保证后续的数据采集和处理能够获得高质量的信号。
3.数据采集与传输：数据采集器负责将信号转换为数字信号，并通过数据总线传输给计算机或控制设备。
采用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，并通过串行或并行接口传输。
4.数据处理与分析：通过计算机对采集到的数据进行处理和分析，提取出有用的信息。
数据处理包括数据滤波、数据校正、数据压缩等过程。
数据分析可以通过统计学方法、机器学习算法等手段进行。
5.控制执行：测控系统技术的最终目的是对被测对象进行控制。
通过控制执行器，对被测对象进行控制，以达到预定的目标。
应用领域测控系统技术在众多领域得到了广泛应用。
1.工业生产：在工业生产中，测控系统可用于实时监测生产过程中的各项参数，如温度、压力、流量等。
通过对这些参数的控制和调节，可以提高产品质量和生产效率。
2.科研实验：在科学研究中，测控系统可用于实时监测实验过程中的各种参数，如温度、湿度、压力等。
通过对这些参数的监测和控制，可以保证实验的准确性和可重复性。
3.环境监测：测控系统可应用于环境监测领域，如大气污染监测、水质监测等。
通过测控系统对环境参数进行实时监测和控制，可以及时发现和处理环境问题。
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第一节 电桥
2. 交流电桥
说 明 （1）对于纯电阻交流电桥，即 使各桥臂均为电阻，但由 于导线间存在分布电容， 相当于在各桥臂上并联一
个电容。因此在调节电桥
平衡时，除了有电阻平衡
以外，还应有电容平衡。
第一节 电桥
2. 交流电桥
示例：一种用于 动态应变仪中的 具有电阻、电容 平衡的纯电阻电 桥。电容C2是一 个差动可变电容 器。
小相等、符号相反时，同时相对两桥臂上应变 片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的 输出电压是半桥单臂的四倍，电桥的灵敏度是
（3）倍增特性：相邻两桥臂上应变片阻值的变化大
半桥单臂的四倍。
R1
b
R2
a
R4 R3
c
U0
U
d
第一节 电桥 R1
b
R2
1. 直流电桥
说明：以上这些特性在实际中具有广泛的应用。
第一节 电桥
2. 交流电桥
说 明 （2）交流电桥的供桥电源要求高，其必须具有良好 的电压波形和频率稳定性。电压波形影响其输
出灵敏度；频率稳定性影响电桥的平衡。
交流阻抗计算中包含有电源频率的因子，当电
源频率不稳定，或者电压波形畸变时，交流阻 抗值就会变化，并且给电桥平衡带来困难。比 如对基波而言，电桥达到平衡，而对高次谐波， 电桥不一定平衡，可能会有高次谐波电压输出。
可知：（1） U0 正比于 U； （2） U0 正比于 n/(1+n)2； （3） U0 正比于电阻的相对变化。
U0 n 半桥单臂电桥的灵敏度为: S R / R 1 n 2 U 1 1
第一节 电桥
R1 n U0 2 U R1 1 n
1. 直流电桥
说明：（1）电阻应变式传感器有：ΔR/R = Kε， K 为电阻应变片灵敏度系数， ε为应 U0 n S 2 U 变， 因此输出电压正比于应变。 1 n R / R
4
3
1
2
第一节 电桥
2. 交流电桥
R1、R4 可视为电容介 质损耗的等效电阻
电容电桥的平衡条件：
根据平衡条件，有：
Z1Z3 Z2 Z4
1 1 R1 jC R3 R4 jC R2 1 4
第一节 电桥
2. 交流电桥
令上式的实部和虚部分别相 等，则得平衡条件：
第一节 电桥
2. 交流电桥
说 明 （3）以上分析的电桥为非平衡电桥，即电桥读数时
（得到电桥输出指示值时），电桥处于非平衡
状态，这种测量方法的最大优点是可对被测量 进行动态测量。但这种电桥的输出受电源电压 的影响较大，若电源电压略有波动，就会影响 桥路输出，给测量带来较大的误差。
—— 在某些情况下（如进行静态测量），常
幅值平衡条件
相位平衡条件
Z01 Z03 Z02 Z04
1 3 2 4
交流电桥平衡必须满足 幅值平衡条件 和 相位平衡
条件，即相对两臂阻抗之模的乘积相等，它们的阻
抗角之和也必须相等。
第一节 电桥
1 3 2 4
2. 交流电桥
对两种特例进行分析： （1）交流电桥四个桥臂中有两相 邻桥臂，若1、2桥臂为纯电 阻，则：φ1= φ2= 0 ，根据
第一节 电桥
1. 直流电桥
1.4 电桥的输出与和差特性
（1）全等臂电桥的输出 假设各桥臂分别有电阻增量，代入下式：
R1 R3 R2 R4 U0 U R1 R2 R3 R4
如果电桥初始状态是平衡的，即有R1R3 = R2R4， 略去ΔR/R 的平方项，化简则得电桥的输出电 压增量为：
c
R3±ΔR3
U0
U
d
第一节 电桥
1. 直流电桥
1.3 电桥灵敏度 以半桥单臂为例： 由
R1 R3 R2 R4 U0 U R1 R2 R3 R4
R1 R 替代 R1
R1 R3 R2 R4 R1 R1 R3 R2 R4 U0 U U R1 R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4
电桥的作用： 把电阻、电感或电容的变化 量转换为电压或电流量，以 供后续电路测量记录。
R1
R2 U0
R4
R3
U
第一节 电桥
1. 直流电桥
1．直流电桥
b
ac 端： 供桥电源端
bd 端：输出端 — 接入输 入电阻较大的仪表 或放大器，因此电 桥的输出端可看成 开路。
a
R1
R2
c
R4 R3
U0
U
d
第一节 电桥
电桥的基本特性：
（1）相减特性：相邻两桥 臂上应变片阻值的变 化大小相等、符号一 致时，或者相对两桥 臂上应变片阻值的变 化大小相等、符号相 反时，对桥路的输出 电压没有影响。
b
R1 R2
a
R4 R3
c
U0
U
d
第一节 电桥 0
/直流电桥 U U / 4 R1 R2 R3 R41. R
4 3
1 4
2
平衡条件对相位的要求，必
须使 φ3= φ4，这说明电桥 的另外两个桥臂必须具有同 性的阻抗，如容抗或感抗。
1
2
3
第一节 电桥
1 3 2 4
2. 交流电桥
（2）交流电桥四个桥臂中有两 对边桥臂，若1、3桥臂为 纯电阻，则φ1= φ3= 0， 根据平衡条件对相位的要 求，其它两个对边桥臂必 须具有异性的电抗，如一 边为容抗，则另一边应为 感抗，这样才能符合 φ2= -φ4 的要求。
R1 R3 R2 R4
R3 / C1 R2 / C4
可知：要使电桥平衡，必须 同时调节 电阻 与 电 容 两个参数达到电阻 平衡和电容平衡。
第一节 电桥
2. 交流电桥
电感电桥的平衡条件：
对图示电感电桥，推导可得：
R1 R3 R2 R4
R3 L1 R2 L4
可知：要使电桥平衡，必须 同时调节 电阻 与 电 感 两个参数达到电阻 平衡和电感平衡。
1
R
R1 / R1 R3 / R4 U 1 R2 / R1 1 R3 / R4
第一节 电桥
R1 / R1 R3 / R4 U0 U 1 R2 / R1 1 R3 / R4
R1 n U0 2 U R1 1 n
1. 直流电桥
电桥平衡时，邻臂电阻之比相等，设比值为 n ，即：
（2）相加特性：相邻两桥臂上应变片阻值的变化大 小相等、 符号相反时，或者相对两桥臂上应变 片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的 输出电压是半桥单臂的二倍，电桥的灵敏度是 半桥单臂的二倍。 b
R1 R2
a
R4 R3
c
U0
U
d
第一节 电桥 0
/直流电桥 U U / 4 R1 R2 R3 R41. R
U R1 R2 R3 R4 U0 4 R1 R2 R3 R4
第一节 电桥
1. 直流电桥
若采用等臂电桥，即 R1 = R2 = R3 = R4 =R ，则有：
U0 U / 4 R1 R2 R3 R4 / R
当采用相同的应变片时，灵敏度系数均为 K （ ΔR/R =Kε），则上式可以写成：
1. 直流电桥
1.1 直流电桥的平衡条件 根据电工学理论，输出电压为： 平衡条件与电
R1
b
R2
对臂电阻的乘积相等， a 源电压无关。 或邻臂电阻之比相等。 R R R R 1 3 2 4 U0 U R1 R2 R3 R4 R4 U d
c
R3
U0
电桥平衡：b、d 点电位相等， 输出U0 为 0。 直流电桥平衡条件： R1 R3 R2 R4 或
1 1
（2）并非供桥电源电压越高，对提高输出越 有利。电压越高，电桥灵敏度提高的同 时，应变片的功耗急剧上升，使应变片 发热，难以实现温度补偿，所以一般不 高，一般为 6V 或 9V。
（3）电桥灵敏度与邻臂电阻之比有关。对 上式求导，并令其为零，可得 n = 1 时灵敏度最大，此时 Smax=U/4
例：一个受力变形悬臂梁，上表面受拉力， R4 下表面受压力。 R3
测量梁的应变 a c U0
U
d
上下表面各贴一应变片
实现温度误差的自动补偿
将二片分别接在相邻两桥臂上
提高灵敏度
思考题：若仅用一个桥臂工作，如何实现温度补偿。
第一节 电桥
2. 交流电桥
2．交流电桥
Z1
b
Z2
交流电桥的电路与直流电 a 桥相同，但在电路具体实现上 与直流电桥有两点不同： （1）供桥电源是高频交流电源；
采用平衡电桥。
第一节 电桥
3. 平衡电桥
3．平衡电桥
平衡电桥：电桥读数（输出）时处于平衡状态。
非平衡电桥的工作过程： （1）当测量桥臂没有变化时，即 输出信号为零时，调节使电 桥平衡，即表头指零。
（2）当输入某一增量时，电桥失 去平衡，表头有输出，指针 指向某一值。 —— 测量一次输出量，需调整一次平衡。
b
纯电阻时电流与电压同相位： a φ = 0； 电感性阻抗：φ ＞ 0； 电容性阻抗 ：φ ＜ 0。
Z1
Z2
Z4 Z3
U0
d
U
~
第一节 电桥
j 1 3
2. 交流电桥
j 2 4
将复阻抗代入，可得： Z 01 Z 03 e
Z 02 Z 04 e
上式成立必须同时满足以下条件：
U0 1 2 3 4 UK / 4
第一节 电桥
/直流电桥 U0 U / 4 R1 R2 R3 R41. R