传感器的信号调理
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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 是为了得到随相对湿度 增加而增加的电压关系
对于前图(上右)中的A、B、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
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
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：
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。
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。
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。
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
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
信号调理的概念
被测量
传感器
足了阻抗匹配的要求.
电平调整
有源电平调整电路
注意：
电路的输出范围受运放供电电wenku.baidu.com电压的限制——可能出现削波；
运放的带宽有限：增益带宽积（如增益带宽积为30MHz，100倍增益， 意味着带宽仅为300kHz) 运放噪声
运放本身引入噪声； 运放中的电阻器件会引入热噪声。
失调电压
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
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
电信号
这种电信号：
受敏感元件及检测电路的特点限制 在形式、幅值等方面 一般无法直接用来实现对被测量的进一步分析、显示、记录
及控制。因此，就需要进行信号调理。
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
Agenda
信号调理
信号形式变换 -电压电流转换电路
传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、
电流信号间的转换。例如：
在远距离测量系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号
传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。
对电流信号进行测量时，先需要将电流信号转换成电压信号，
再由数字电压表测量，或经过A/D转换后由计算机进行测控。
失调电流
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
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
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
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
K 为常数 硅光电池的 非线性特性 曲线
vA K ln(Vo ) KI
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
信号形式变换
定义：
将信号从一种形式转换为另一种形式的调整。
信号形式变换
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
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。
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、
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
流变换器。由于传输系数是电导，又称转移电导放大器。
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
信号调理的作用
数字式数据获取系统 (Data AcQuisition System, DAQS)
趋势：
越来越多的测量系统多采用数字电路对传感器信号进行处理
策略：
传感器的信号调理更多针对后续的数字式数据获取系统 ，即通过对传感 器输出信号进行适当的调理，使之更适合转换为离散数据流。
湿敏电阻的非线性特性曲线
无源线性化电路
无源线性化
无源线性化电路
并联后的总电阻值为：
R 'H
RRH R RH
为使A、B、C三点成线性关系，应有：
R'H a R'H b R'H b R'H c
即
RRHa RRHb RRHb RRHc R RHa R RHb R RHb R RHc
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
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。
电压/频率变换：将电压信号进行频率调制以便于电气隔离和
数字化；
交流/直流变换：将输入信号的交流参数如峰值、绝对平均值、
有效值提取出来；
信号的调制与解调（包括相敏解调）在信号传输中的电气隔
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。
满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求
信号隔离：大部分应用需要将传感器与计算机的电源系统隔
离开来。
手段：
磁隔离
用于防止计算机与传感器电源之间的耦合
用变压器实现
光隔离
用于将传感器信号与DAQS输入端隔离 一般采用LED-PD联合的方式实现
这两个功能可集成在同一个器件中
信号调理的作用
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
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：
从固定电阻 R 上取电压 是为了得到随相对湿度 增加而增加的电压关系
对于前图(上右)中的A、B、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
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
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：
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。
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。
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。
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
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
信号调理的概念
被测量
传感器
足了阻抗匹配的要求.
电平调整
有源电平调整电路
注意：
电路的输出范围受运放供电电wenku.baidu.com电压的限制——可能出现削波；
运放的带宽有限：增益带宽积（如增益带宽积为30MHz，100倍增益， 意味着带宽仅为300kHz) 运放噪声
运放本身引入噪声； 运放中的电阻器件会引入热噪声。
失调电压
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
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
电信号
这种电信号：
受敏感元件及检测电路的特点限制 在形式、幅值等方面 一般无法直接用来实现对被测量的进一步分析、显示、记录
及控制。因此，就需要进行信号调理。
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
Agenda
信号调理
信号形式变换 -电压电流转换电路
传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、
电流信号间的转换。例如：
在远距离测量系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号
传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。
对电流信号进行测量时，先需要将电流信号转换成电压信号，
再由数字电压表测量，或经过A/D转换后由计算机进行测控。
失调电流
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
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
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
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
K 为常数 硅光电池的 非线性特性 曲线
vA K ln(Vo ) KI
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
信号形式变换
定义：
将信号从一种形式转换为另一种形式的调整。
信号形式变换
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
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。
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、
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
流变换器。由于传输系数是电导，又称转移电导放大器。
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
信号调理的作用
数字式数据获取系统 (Data AcQuisition System, DAQS)
趋势：
越来越多的测量系统多采用数字电路对传感器信号进行处理
策略：
传感器的信号调理更多针对后续的数字式数据获取系统 ，即通过对传感 器输出信号进行适当的调理，使之更适合转换为离散数据流。
湿敏电阻的非线性特性曲线
无源线性化电路
无源线性化
无源线性化电路
并联后的总电阻值为：
R 'H
RRH R RH
为使A、B、C三点成线性关系，应有：
R'H a R'H b R'H b R'H c
即
RRHa RRHb RRHb RRHc R RHa R RHb R RHb R RHc
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
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。
电压/频率变换：将电压信号进行频率调制以便于电气隔离和
数字化；
交流/直流变换：将输入信号的交流参数如峰值、绝对平均值、
有效值提取出来；
信号的调制与解调（包括相敏解调）在信号传输中的电气隔
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。
满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求
信号隔离：大部分应用需要将传感器与计算机的电源系统隔
离开来。
手段：
磁隔离
用于防止计算机与传感器电源之间的耦合
用变压器实现
光隔离
用于将传感器信号与DAQS输入端隔离 一般采用LED-PD联合的方式实现
这两个功能可集成在同一个器件中
信号调理的作用
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
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：