传感器的信号调理
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。
霍尔型传感器信号调理电路的设计
霍尔型传感器信号调理电路的设计【摘要】所谓信号调理就是通过电子元器件的有机组合，对传感器输出的信号进行调节、变换和整理的过程。
信号调理电路的具体设计需要综合考虑数据采集的目的、现场环境及控制系统的算法设计等各种因素。
本文论述了霍尔型电压、电流传感器信号的调理电路的具体实现方法，并应用试验方法验证了电路的可靠性等有关特征参数。
【关键词】传感器；信号调理；放大器；电路设计；霍尔当代社会中在工业控制等方面，经常要将电流、电压、温度、湿度等模拟量转换成数字量，然后在微处理器内作进一步运算和处理，完成相应的数据存储、数据传输和数据输出，达到分析和控制的目的。
模拟量的采集一般使用传感器来将它们转换为电气量来进行处理。
然而传感器送出的信号往往不能满足处理器输入信号的要求，这就需要我们设计相应的信号调理电路来把这种不合要求的信号变换为符合处理器输入信号要求的信号。
此电路设计的优化程度如何，直接关系到微处理器采集到的信号的准确程度。
霍尔型电压、电流传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、无触点、使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成化等优点，在测量技术、自动化技术和信息处理等新技术领域得到广泛的应用。
本文就其输出信号特点设计了相应的信号调理电路，并且通过实验验证了所设计电路的可行性及可靠性。
1 霍尔型传感器霍尔传感器是一种磁传感器。
用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
它采用双电源供电，可采集电压、电流等电气信号，输出信号可以是电压信号，也可以是电流信号。
本文以LV28-P型霍尔电压传感器为例说明霍尔型传感器输出信号调理电路的设计过程。
传感器LV 28-P的原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直流、交流电压和脉冲电压。
其各参数指标如下：1）电参数IP N：原边额定有效值电流10mA IS N：副边额定有效值电流25mAKN：转换率2500：1000 VC：电源电压（±5%）±15V2）精度-动态参数XG：总精度@IP N，TA = 25℃±0.6 %IO T ：IO 的温漂：0℃～+25℃± 0.2mA+25℃～70℃± 0.3mATr：响应时间@90% of VPmax 40μs。
电路中的传感器与信号调理技术
电路中的传感器与信号调理技术现代社会的发展离不开科技的进步和创新。
在各个领域中，电路的应用越来越广泛。
而在电路中，传感器和信号调理技术起着至关重要的作用。
本文将着重讨论电路中的传感器和信号调理技术的应用。
一、传感器的作用传感器是电路中的重要组成部分，它能够将感知到的现实世界信息转化为电信号，为电路系统提供输入。
不同类型的传感器有着各自独特的功能和用途。
例如，温度传感器可以感知环境的温度变化，而压力传感器则可以感知物体所受到的压力大小。
传感器的应用领域非常广泛。
在环境监测方面，传感器可以用于测量空气质量、水质状况等。
在工业生产中，传感器可以用于物流仓储、自动化生产等领域。
传感器的作用不仅仅局限于生活和工业领域，还涉及医疗、农业等多个领域。
可以说，传感器已经渗透到了我们生活的方方面面。
二、传感器的种类传感器的种类繁多，按照不同的物理量可以被分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光照传感器等。
其中最常用的传感器是温度传感器，它可以测量环境的温度，用于室内温控、温度报警等方面。
不同类型的传感器也有不同的工作原理。
以温度传感器为例，它常见的工作原理有热敏电阻式、电动势式和非接触式等。
热敏电阻式温度传感器利用温度对电阻值的影响进行测量。
而电动势式温度传感器则是通过测量温度对某些电特性的影响来实现测量。
三、信号调理技术在电路中，传感器产生的信号往往比较微弱和不稳定，需要经过信号调理来提高其可靠性和精确性。
信号调理技术能够将传感器信号进行放大、滤波、增强等处理，以适应电路系统的需求。
信号调理技术主要包括放大、滤波和模数转换等步骤。
放大可以提高信号的幅值和增益，使其能够更好地传递和处理。
滤波则通过去除噪声、抑制干扰等方式，提高信号的准确性和稳定性。
模数转换则是将模拟信号转换为数字信号，并进行数字化处理。
模数转换是现代传感器与控制系统之间的桥梁，广泛应用于自动化控制领域。
它可以将传感器的输出信号转换为计算机可以理解和处理的数字信号，从而实现更高精度的测量和控制。
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。
传感器的基本转换电路
传感器的基本转换电路传感器的基本转换电路是指将传感器输出的信号转换为可用的电信号的电路。
传感器是一种能够感知和测量环境中某种物理量或化学量的装置。
它通过与环境接触，将所测量的物理量转换为电信号，然后通过转换电路进行处理，最终输出一个与所测量物理量相关的电信号。
传感器的基本转换电路通常由三个主要部分组成：信号调理、放大和滤波。
信号调理部分负责将传感器输出的原始信号进行放大和滤波，以便后续电路能够更好地处理。
放大部分通过放大传感器输出的微弱信号，使其达到适合后续电路处理的范围。
滤波部分用于去除传感器输出信号中的噪声和杂波，以提高信号的准确性和稳定性。
在传感器的基本转换电路中，信号调理是非常重要的一步。
信号调理可以根据传感器的特性和需要进行不同的处理。
例如，对于温度传感器，信号调理可以包括放大和线性化处理，以获得与温度成正比的输出信号。
对于压力传感器，信号调理可以包括放大和校准处理，以获得与压力成正比的输出信号。
放大部分是传感器的基本转换电路中的关键步骤。
放大器可以将传感器输出的微弱信号放大到适合后续电路处理的范围。
放大器的选择需要考虑传感器输出信号的幅度和范围。
通常情况下，放大器应具有高增益和低噪声，以确保信号的准确性和稳定性。
滤波部分是为了去除传感器输出信号中的噪声和杂波。
噪声和杂波是由于外界干扰或传感器本身的不完美性而引入的。
滤波器可以通过选择合适的滤波器类型和参数来去除这些干扰，从而提高信号的质量。
传感器的基本转换电路是将传感器输出的信号进行放大和滤波的电路。
通过合适的信号调理、放大和滤波处理，可以获得与所测量物理量相关的准确和稳定的电信号。
这些电信号可以被后续电路用于控制、监测和测量等应用。
通过合理设计和选择合适的电路元件，可以提高传感器的性能和可靠性，从而更好地满足各种应用需求。
压力传感器信号调理作用有哪些
压力传感器信号调理作用有哪些压力传感器信号调理作用有哪些
压力传感器信号调理器的作用是什么?大部分的压力传感器都会有一个信号调理器，主要就是补偿传感器在不同温度下的误差，现在市场上有很多种信号调理器，功能也变化多样，它还可以调节不同信号来满足客户的要求。
压力传感器使用在不同的坏境需要不同的输出，比如汽车工业要求信号调理器提供0.5V~4.5V输出，工业和过程控制应用通常要求4mA~20mA输出，而测试设备输出要求0~5V的输出范围。
通过采用多电压量程或电流输出的信号调理器，设计人员无须为每个应用设计一个电路板。
有些信号调理器允许设计工程师在多达100个温度补偿点校准传感器输出，使工程师能够按照误差与压力传感器温度曲线之间的关系进行匹配，从而减小温度对传感器的影响。
可修正的误差包括整个温度范围内的零点和满量程增益误差。
温度传感器用来跟踪压力传感器的环境温度。
信号调理器目前已经有很多公司能够生产，但是能对信号调理器校准的系统的不是很多，所以开发出能够校准信号调理器的系统非常必要。
信号调理器不仅仅是在压力传感器中有应用，很多传感器中都需要用到信号调理器，所以要想发展更高性能的传感器
首先需要有高性能的信号调理器。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
传感器与信号调理电路
请同学们自己推导
工作方式： 差动、反馈
差动放大器
运算放大器及其芯片
运算放大器的符号以及常见的运算放大器：
管脚起始
朝左
管脚序号逆时针方向增长！！
OP07LM324来自_+STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
用OP07构成反相放大电路；
输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.4V、1.8V、2.5V；
ε
ε
Usat
Usat
运算放大器的外特性
运算放大器的一种等效电路：
理想情况： 输入电阻ri无穷大 放大倍数A无穷大
理想运算放大器
在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”；
01
在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相输入端之间的电流为零，称为“虚断”。
02
202X
（2学时）
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传感器与信号调理电路
CONTENTS
训练目的
1
WORKREVIEW
建立对测试系统的初步认识。
2
掌握一种常用的信号调理器件——运算放大器。
UNDERWORK
3
了解常用信号调理电路的基本输入输出特性。
WORKHARVEST
CONTENTS
设备与器材
1
WORKREVIEW
训练内容2：同相放大器的测试
用OP07构成电压跟随器电路；
01
输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V，uip-p=0.5V；
02
双踪观察输入输出波形并记录；
03
训练内容3：电压跟随器的测试
第四章 信号调理和处理
载波
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.5
1
1.5
6 7 8 9 10
5
2
2.5
24
t
3
t
2.相敏检波
3 2 1 y 1( t ) y 2( t ) 0 y 3( t ) 1 1 2 3 4 5 6 7
第四章 信号调理和处理
8
9
10
2
3 t
3
2
1
y 3( t )
0 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
3 t
通过相敏检波可以得到一个幅值与极性均随调制信 号变化的信号。 对有极性或方向性的被测量，经调制后必须采用相 敏检波才能正确恢复原信号。
6
第四章 信号调理和处理
3. 调制的分类
根据载波被调制参数的不同，调制 可分为： 调幅、调频和调相
使载波的幅值、频率或相位随调制信 号而变化的过程分别称为调幅、调频或调 相。它们的已调波分别称为调幅波、调频 波或调相波。
7
种类
调制信号x(t)
第四章 信号调理和处理
载波信号 z (t ) A cos(2ft )
x m(t) z(t)
乘法器
xm (t ) cos(2 f zt ) x(t )cos2 2 f zt
1 1 x(t ) x(t ) cos(2 (2 f z )t ) 2 2
滤波器
x(t)
其傅里叶变换为
1 1 1 xm t z t X f X f f 2 f z X f f 2 f z 2 4 4
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。
传感器信号调理电路
软件设计
数据采集与处理
编写程序实现数据的实时采集、 存储和处理，利用算法对信号进 行去噪、补偿和特征提取等操作。
通信接口
实现与上位机或其他设备的通信接 口，以便将调理后的传感器信号传 输到外部设备进行进一步处理或显 示。
嵌入式系统开发
针对具体硬件平台，进行嵌入式系 统开发，包括驱动程序编写、系统 配置和优化等。
用于各种科研实验中的信号 采集、传输和处理，如生物
医学实验、物理实验等。
02 传感器信号调理电路的工 作原理
信号采集
传感器将物理量（如温度、压力、位移等）转换 为电信号。
不同类型的传感器对应不同的物理量，如热敏电 阻对应温度，差分变压器对应位移等。
采集的信号通常比较微弱，需要进一步处理才能 使用。
和陷波滤波器等。
滤波器的选择需要根据实际需求进行，不同的滤波器对不同频
03
率的噪声和干扰有不同的抑制效果。
信号转换
01
02
03
转换器将调理后的电信 号转换为数字信号或模 拟信号，以便于计算机
处理或传输。
转换器有多种类型，如 模数转换器和数模转换
器等。
转换器的选择需要根据 实际需求进行，不同的 转换器适用于不同的应
组合型
由以上几种类型的电路组合而 成，具有多种功能，能够满足
复杂的应用需求。
应用领域与场景
医疗电子
用于医疗设备的信号采 集、传输和处理，如心 电监护仪、血压计等。
环境监测
用于各种环境参数的测 量和监测，如温度、湿
度、压力等。
工业控制
用于工业生产过程中的各 种参数测量和控制，如流
量、液位、压力等。
科研实验
用场景。
传感器与信号调理技术
传感器与信号调理技术现代科技的快速发展带来了智能化、自动化的需求，而传感器与信号调理技术作为关键的技术手段，正在不断完善与应用。
本文将介绍传感器的概念、种类和工作原理，以及信号调理技术的作用和发展趋势。
一、传感器的概念与种类传感器是能够对环境或物体某一特定参数进行感知并将其转化为电信号输出的装置。
它通过感知外界的物理量、化学量或生物量，将其转换为与之对应的电信号，最终提供给控制系统进行分析和处理。
根据传感器用于感知的物理量不同，常见的传感器可以分为以下几类：1. 压力传感器：用于测量介质的压力，广泛应用于工业控制、航空航天等领域。
2. 温度传感器：用于测量物体的温度，被广泛应用于日常生活、医疗、环境监测等领域。
3. 湿度传感器：用于测量大气中水蒸气的含量，被广泛应用于农业、气象等领域。
4. 光敏传感器：用于感知光线的强度，可应用于照明控制、摄影等领域。
5. 加速度传感器：用于测量物体加速度的变化，常被应用于汽车安全、运动监测等领域。
二、传感器的工作原理不同类型的传感器具有不同的工作原理，以下将以温度传感器作为例子进行介绍。
温度传感器的工作原理通常基于热敏效应，即物体的电阻、电容或电压与温度之间存在一定关系。
最常见的热敏元件是热敏电阻，它的电阻值会随着温度的变化而发生相应的变化。
当温度传感器受到温度的影响时，其热敏元件的电阻值变化，进而改变了电路中的电压或电流值。
通过测量这种电压或电流的变化，就可以得到与温度相关的电信号输出。
除了热敏元件，温度传感器还可以采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等不同的工作原理。
三、信号调理技术的作用传感器感知到的信号往往是微小的、干扰较大的模拟信号，无法直接应用于数字系统或控制系统中。
因此，信号调理技术的作用就是对传感器信号进行增强、变换、滤波等处理，使其适应采样、转换和存储的要求，最终提供给后续的处理器或控制系统使用。
信号调理技术包括以下几个主要方面：1. 增益与放大：在一些应用中，传感器输出的电信号较弱，需要通过放大电路进行信号增益，以提高信噪比和传输效果。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
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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
在进行信号转换时，为保证足够的转换精度和较宽的
适应范围，要求：
I/V转换电路：要有较低的输入阻抗和输出阻抗 V/I转换电路：要有较高的输入阻抗和输出阻抗。
信号形式变换 -电压电流变换
电压-电流变换
定义：输出负载中的电流正比于输入电压的电路称为电压-电
信号调理的作用
DAQS的输入信号的要求
输入信号必须是电压信号；
输入信号的动态范围应符合或接近DAQS的动态范围，以充
分利用A/D转换器的分辨率；
输入信号源的内阻应足够低，DAQS的输入电阻不至于对输
入信号产生显著影响；
输入信号的带宽应限制在A/D采样频率的一半以下，防止混
叠。
信号调理的作用
流变换器。由于传输系数是电导，又称转移电导放大器。
不同敏感区的敏感元件进行组合
湿敏电阻的线性化效果
有源线性化电路
无源线性化方法的特点：
电路简单，易实现； 引入固定参数元件串并联，使变换灵敏度降低。
无源线性化的共同缺点！
有源线性化：
没有上述缺点； 利用运放、场效应管或三极管等有源元件实现函数变换。 运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可
电平调整电路作为传感器电路输出的负载，希望输入阻抗高一些； 作为后一级电路的输入端，希望输出阻抗小一些； 大阻值（M Ω级）电阻在阻值精度及噪声方面都较差；
一般应用于要求不高的场合
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
离和抗干扰方面具有重要作用。
信号形式变换
进行信号转换时，需考虑如下因素：
转换电路应有良好线性； 要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗，以便与
之相联的器件或电路阻抗匹配。
信号形式变换 -电压电流转换电路
在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、
仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即0~5V 直流电压或0~10mA、4~20mA直流电流。
简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。
在许多应用中，采用模拟电路对传感器的输出进行线
性化是最佳的。
无源线性化电路
无源线性化电路
无源线性化电路比较简单，性能可靠，成本低廉。在某些应用场合，
通过合理设计电路结构及元件参数，可获得满意的精度，是一种广
泛应用的线性化方法。
一种简单的无源线件化电路是用固定参数元件与敏感器件并
络，代替单个热敏电阻。只要金属电阻的阻值选择合适，可 使其等效电阻值与温度的关系在一定温度范围内呈线性。
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。
一般情况下，取回路电流作输出量时选用串联形式，在电桥
测量电路中则选用并联形式或串、并联形式。电阻串、并联
法可使热敏电阻最大非线性误差在0～40℃范围内校正为 0.15℃，在0～l00℃内为1.5℃。热电阻(如铂、铜电阻)等特性 曲线一般为二次或三次多项式，可用这种方法校正，且校正 效果较好。
若想直接进行输出电压线性化，则可采用串联电路
从固定电阻 R 上取电压 是为了得到随相、C三点，应有
RHa RRHb RHb RHc Vi Vi Vi Vi R RHa R RHb R RHb R RHc
得出固定电阻仍为
上补偿传感器的非线性，但此方式的适用范围有限，尤其受 A/D采样速度及运算处理速度限制，在需要动态测量的场合
难以满足要求。
线性化
传感器线性化的目的：
若传感器输入输出特性的非线性不严重，不会引起显著误差
时，可用切线或割线等直线近似代表局部实际曲线，如拟合
直线。
传感器线性化的目的在于，通过在信号调理电路中加入非线
获得各种各样的函数变换特性。
从原理上讲，任何敏感器件的变换特性都可校正为足够好的
直线特性。
随着运放性价比的不断提升，实际应用中被越来越多地采用。
有源线性化电路
有源线性化：
缺点：线路复杂、调整不便，成本相对高。
一种简单有源线性化电路是利用非线性反馈，使反馈支路的
非线性和原有敏感器件变换特性的非线性相互抵消，从而得 到线性化。
满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求
信号的预处理：在采集信号之前对传感器信号进行预处理。 具体内容取决于具体应用，一般应达到如下功能：
降低计算机处理时间开销 降低系统采样频率 简化整个DAQS结构
信号调理的作用
满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求
去除无用信号：大量传感器的输出信号中包含许多不同的信
Agenda
信号调理
信号调理的概念
信号调理的作用
信号调理分类
电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
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信号调理
信号调理的概念
信号调理的作用
信号调理分类
电平调整 线性化 信号形式变换
滤波及阻抗匹配
信号调理的概念
被测量
传感器
无源线性化电路
上述非线性校正法
优点：成本低，简便 缺点：校正范围一般较窄、准确度不是很高 主要应用：被测量变化范围不大的场合
被测量变化范围较大的场合怎么处理？
采用更复杂的无源电路
无源线性化电路
思路
将工作于不同敏感区的敏感元件组合，
使特性曲线弯曲部分互补，可消除高 次项误差，获得宽线性范围。
目前有多种使用方便的函数运算电路可选。
也可采用运算放大器搭建函数运算器进行线性化。
有源线性化电路
实例：对数/指数运算电路
有相当多的敏感元件的特性曲线呈指数或对数形式，如硅光
电池传感器的输出电压为
vI VoeI
vA K ln(VI )
即可得到线性的输出：
I 为光强
利用由运算放大器组成的对数电路，使电路输出为：
性环节，使传感器的线性范围最大化。
线性化
传感器线性化的分类：
按所用元件分类：
无源线性化 有源线性化
线性化
传感器线性化的分类：
根据线性化所处阶段分类：
模拟线性化：在数字化以前进行的线性化； 数字线性化：在数字化以后进行的线性化。
线性化
采用硬件方法对传感器特性进行线性化，在实时性、
联或串联。对有些非线性传感器，简单地用固定电阻器与传 感元件串、并联，只要电阻值选取合适，即可将非线性校正 到满意的程度。
无源线性化电路
无源线性化电路
湿敏传感器的电阻值 RH与相对湿度RH的 典型例子：Dunmore式湿敏传感器的非线性校正。 关系曲线是非线性的。 根据具体测量需要，选 用一个固定电阻 择A、B、C三点，且 R与RH并联。 Ha-Hb＝Hb-Hc。
号成分，在对信号进行采集之前，甚至需要必须去除信号中 的某些成分，如50Hz的工频成分。
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
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
失调电流
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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
线性化
传感器的线性特性：
有利于后续电路的设计；
可简化传感器的标定工作。
但是，现实中大量的传感器特性从原理上就是非线性的。 数字电路、单片机技术、嵌入式系统的介入，能在某种程度
为使传感器输出信号便于处理、显示、传输，要对不
同类型信号进行相互转换。例如:
电压/电流变换：将电压信号变成不易受干扰的电流源信号。