传感器信号调理电路
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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。
常用的信号调理电路有放大电路、滤波电路及调 制与解调电路等
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3.3.1 信号的放大
在机械量测试中，传感器输出的信号都比较微 弱，很难直接用来显示和记录，所以，在检测 系统中必须对微弱信号进行放大。
常用的放大器主要有运算放大器、仪表放大器、 可编程增益放大器和隔离放大器等
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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：
传感器的信号调理
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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。
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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
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 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。 6
(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
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
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Fra Baidu bibliotek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。
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1.4 传感器电路的设计方法 设计方法因人而异，有各种具体的实施路径。通常
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。
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(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。
另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。
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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
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。
常用电路： 包括放大、调整、电桥、信号变换、电气隔离、阻抗 变换、调制解调、线性化和滤波等电路以及激励传感 器的驱动电路，常称为传感器电路。
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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。
出，这种电路通常称之为电荷放大器。
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(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。
的设计方法和内容如下：
(1)提出设计任务 根据传感器类型及输出特性、后续电路输入要求和使用 环境等，提出和确定传感器电路需实现的功能和应达到 的技术指标，如信号变换功能、放大倍数、准确度、动 特性、稳定性和可靠性等定量技术指标。
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。
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(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。
常用的信号调理电路有放大电路、滤波电路及调 制与解调电路等
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3.3.1 信号的放大
在机械量测试中，传感器输出的信号都比较微 弱，很难直接用来显示和记录，所以，在检测 系统中必须对微弱信号进行放大。
常用的放大器主要有运算放大器、仪表放大器、 可编程增益放大器和隔离放大器等
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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：
传感器的信号调理
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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。
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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
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 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。 6
(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
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
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Fra Baidu bibliotek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。
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1.4 传感器电路的设计方法 设计方法因人而异，有各种具体的实施路径。通常
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。
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(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。
另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。
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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
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。
常用电路： 包括放大、调整、电桥、信号变换、电气隔离、阻抗 变换、调制解调、线性化和滤波等电路以及激励传感 器的驱动电路，常称为传感器电路。
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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。
出，这种电路通常称之为电荷放大器。
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(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。
的设计方法和内容如下：
(1)提出设计任务 根据传感器类型及输出特性、后续电路输入要求和使用 环境等，提出和确定传感器电路需实现的功能和应达到 的技术指标，如信号变换功能、放大倍数、准确度、动 特性、稳定性和可靠性等定量技术指标。
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。
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(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