1.4 信号调理概念及传感器

1.4.1 信号调理的概念与内容

信号调理（Signal Conditioning）是为便于信号的传输与处理，通过控制信号来提高测量精度，实现隔离，进行滤波及线性化的过程。现代电子信息系统一般由输入通道和输出通道及中央控制器构成。因此，信号调理也包括输入信号调理和输出信号调理两个方面。信号调理的目的是使输入信号完好地进入现代电子信息系统，使输出信号完好地到达执行机构。因此，信号调理是传感器和A/D、开关量输入器件和CPU，以及D/A和执行机构、开关量输出器件和开关型执行机构之间的桥梁，是现代电子信息系统的重要组成部分。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大，从而可使信噪比得到改善。

信号调理的内容随输入传感器类型、系统测试要求等的不同而不同，常用的信号调理技术手段主要包括阻抗匹配、信号放大、信号隔离、信号滤波、传感器激励、信号线性化、电气转换技术、功率驱动等。

1.阻抗匹配

传感器作为信号源向后续电路输出代表被测量变化的信号。从输出端看，信号源由两个参数描述：一是信号的强弱；二是信号源的内部阻抗（即输出阻抗）的大小。输出阻抗的大小决定了传感器电路的结构形式。阻抗不匹配会使信号在各个环节的传输中严重畸变，导致严重的检测误差，因此，在调理过程中必须十分注意阻抗匹配问题。一般阻抗匹配可由运放组成的跟随器完成。

（1）高输出阻抗型。这类传感器一般输出信号微弱、输出阻抗高。例如，压电式传感器，其输出信号是微弱的电荷量，而输出阻抗高达108Ω以上，其信号调理电路的作用有两方面，一是吸收信号源的输出信号并进行一定的变换和放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是进行阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗。这就要求信号调理电路具有很高的输入阻抗和尽可能低的输出阻抗，同时还具有低噪声、低漂移、抗干扰能力强的特点。压电式传感器的信号调理电路的输入电阻必须在108Ω以上才能吸收较多的传感器输出信号。这样高的输入阻抗，一般晶体管的输入电阻是达不到的，只有选用场效应管放大电路作为输入级才有可能实现。

（2）低输出阻抗型。这类传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。其信号调理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，在其性能上对稳定性、抗干扰能力等方面考虑较多。

2.信号放大

传感器的输出信号往往是一种微弱信号，如mV，μV甚至更弱，放大是一种最常用的信号调理方式。实际传感器输出的物理信号量值通常都很小，需要通过放大调理来增加其分辨率和敏感性，并将输入信号放大为A/D转换所需要的电平范围。虽然对低电平信号进行放大可以在数据采集设备中进行，也可以在信号源附近的信号调理模块中进行，但是在数据采集设备中对信号进行放大，信号就会带着进入导线的噪声一起被放大，然后进行模数转换和测量；而在信号源附近用信号调理模块放大信号，噪声的破坏作用将降低，数字化后能更好地反映低电平的原始信号。信号放大如图1.4.1所示。

使用护套电缆或双绞线电缆，并尽量缩短电缆长度能够减少噪声。此外，让信号线远离交流电源和显示器将有助于减小50Hz工频噪声。在放大倍数的安排上，为了保证放大器的稳定性，第一级放大器的放大倍数不宜过高，一般设计在几十倍以下。在放大器的结构选择上，差动放大器比单端放大器更有利于抑制外来干扰。

3.信号隔离

隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测对象与测量系统之间传递信号，避免直接的电流或电压的物理连接的一种手段。被检测的信号可能含有高压瞬变现象，足以损坏现代电子信息系统后端的智能信息处理模块或伤害操作者，将被测对象与后端处理部分隔离开，系统安全就得到了保证。进行隔离的另一个原因是确保数据采集各个环节间不受地势差或共模电压差异的影响，从而避免影响测试精度。这是因为采集信号时，都需要以“地”为基准，如果在两“地”之间存在电位差，就可能导致地环路（Ground Loop）的产生，进而产生对地环流，影响测量的精确性；如果信号地和数据采集设备地的势差很大，甚至可能损坏测试系统，而采取隔离调理器措施可以减小对地环流，确保信号测试精确。模拟信号隔离比数字信号隔离的难度要大得多，而且成本也比较高。目前比较常用的是采用线性光耦或2个特性几乎完全接近的普通光耦，用特殊的电路来实现；另外，也可直接采用具有隔离作用的仪用放大器，如AD629等。

4.信号滤波

滤波就是从所要测量的信号中除去不需要的信号。现代电子信息系统几乎都会不同程度受到来自电源线或机械设备的50Hz噪声干扰，因此大多数信号调理模块都包含低通滤波器，以最大限度地剔除50Hz噪声。交流信号（如振动）则往往需要使用防混叠滤波器（Antialiasing Filter）来滤波。防混叠滤波器也是一种低通滤波器，它具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于数据采集电路输入带宽的信号全部除去；如果不将这些信号除去，将会错误地显示为数据采集电路输入带宽之内的信号。

5.传感器激励

在某些传感器系统中还必须有激励信号，如应变压力传感器、热敏电阻及RTD都需要外接电压或电流激励信号。

6.信号线性化

线性化也是一种通用的信号调理环节。大多数传感器对于被测对象的变化具有非线性响应，必须附加线性调理电路来纠正。由于硬件线性化比较困难，而且范围有限，所以在现代电子信息系统中广泛采用软件线性化的方法。

7.电气转换技术

电气转换技术包括两个方面：一是不同结构IC门电路的电平转换技术；二是U/I、I/U、U/F、F/U转换技术。

8.功率驱动

功率驱动是解决将数字信号（弱信号）变换到较大功率（大功率信号）的环节，应根据执行机构的不同采取不同的电路接口形式，并且还要考虑电气隔离问题。其接口形式多种多样，如采用功率晶体管、达林顿管、晶闸管（即可控硅）、集成式功率驱动器、场效应管等。

1.4.2 传感器的输出信号类型及调理

由于各种传感器的工作原理不同，所以其输出信号的形式也各不相同，如图1.4.2所示。由于传感器的输出信号形式不同，所以必须采用不同的处理和转换方法对这些信号进行某些预处理，并将其转换为便于现代电子信息系统处理的数字信号。

（1）电阻型：这类传感器将被测量通过敏感元件转换为电阻的变化。例如，铂电阻、铜电阻温度传感器将被测温度转换为电阻值的变化；热敏电阻传感器将被测温度转换为半导体电阻值的变化；电阻应变式传感器将被测的荷重（力、重量）、扭矩、转矩、拉力、张力、速度、加速度等转换为电阻应变片的阻值变化。

该类传感器的信号调理电路的作用是将电阻的变化转换为易于测量的电参数，如用电桥将电阻的变化转换成电压或电流输出；用振荡电路将电阻的变化转换成频率等。

（2）电容型：这类传感器将被测量通过敏感元件转换为电容的变化。例如，电容式线位移、角位移传感器使电容器极板位置发生相对变化，从而改变电容量；电容式液位计将液位高度变化转换为电容量的变化；电容式荷重传感器通过弹性体的变形改变电容器极板的相对位置，从而使电容量变化；电容式振动传感器、加速度传感器、厚度传感器、同心度传感器、温度传感器将被测量的机械振动、加速度、厚度、偏心度、湿度等转换为电容量的相应变化。

该类传感器的信号调理电路的作用是将电容量的变化转换为易于处理的电压或电流信号，或将其通过振荡电路转换成频率信号。

（3）电感型：这类传感器将被测量通过敏感元件转换为电感量的变化。例如，电感式线位移、角位移传感器通过改变具有铁芯的电感的铁芯相对位置，使电感量随被测位移变化；速度、加速度传感器也是借助铁芯随速度、加速度的变化使传感器电感量发生变化的；电感式压力传感器则是利用弹性元件感受被测压力而产生变形，再由弹性体的机械变形带动传感器铁芯位移使电感量变化。

该类传感器的信号调理电路的作用是将因被测量的变化而产生的电感量变化变换为易于处理的信号形式，如采用电感电桥将电感量的变化转换成电流或电压的变化；用振荡电路将电感量的变化转换成频率的变化。

（4）互感型：这类传感器将被测量通过敏感元件转换为互感的变化。例如，差动变压器式传感器通过机械部件的传递将被测量的变化转化为差动变压器铁芯的位移，使激磁绕组与测量绕组间的互感发生变化；电涡流式传感器通过将被测量的变化转化为测量线圈与被测物体之间的距离变化，使互感产生变化，从而导致测量线圈的电感量变化等。

该类传感器的信号调理电路的作用是将互感或互感电势的变化转换为易于处理的电压或电流的变化，也可以将互感变化引起的电感量变化转换为电压、电流或频率的变化。

（5）电压（电势）型：这类传感器将被测量通过敏感元件转换为电压或电势的变化。例如，热电偶将被测温度的变化通过热电偶感温转化为热电势的变化；光电池感受到温度（红外光）的变化后，将其转换为光电池输出电势的变化；霍尔元件可将被测的磁场强度或电流变化转换为霍尔电势的变化等。

该类传感器的信号调理电路的作用是将这种微弱的电势或电压变化转变为较强的电压或电流的变化。

（6）电流型：这类传感器会将被测量通过敏感元件转换为电流的变化。例如，光敏二极管接收到被测光后，将光的变化转换为输出电流的变化；电流电离室接收到核辐射之后，将核辐射强度的变化转换为电离室输出电离电流的变化等。

该类传感器的信号调理电路的作用是对由传感器输出的微弱电流进行放大，将其变换成较强的电压或电流。

（7）电荷型：这类传感器会将被测量通过敏感元件转换成输出电荷的变化。例如，压电式传感器，其敏感元件为石英或压电陶瓷等，可用于振动分析仪、加速度计、涡街式流量计等。压电片受力之后会转换为束缚电荷输出。

该类传感器的信号调理电路的作用是将电荷的变化转换为较强的电压或电流输出，这种电路通常称为电荷放大器。

（8）脉冲（数字）型：这类传感器会将被测量通过变换转换成脉冲序列或数字信号。传感器输出的数字信号分为以下三类。

①增量码信号。增量码信号的特点是被测量值与传感器输出信号的变化周期数成正比，即输出量值的大小由信号变化的周期数的增量决定。采用光栅、磁栅、激光干涉法等测量位移时，传感器输出的信号为增量码信号。

②绝对码信号。绝对码信号是一种与被测对象的状态相对应的信号。例如，码盘的每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称为绝对码。绝对码信号有很强的抗干扰能力，不管测量过程中发生什么情况，干扰过后，一种状态总是对应于一组确定的编码。

③开关信号。开关信号只有0和l两个状态，可视为绝对码只有一位编码时的特例。例如，行程开关、光电开关等传感器的输出就是开关信号。

该类传感器的信号调理电路的作用为：对于脉冲序列输出，它进行脉冲计数并将其转换成所需的信号形式；对于编码信号，它将编码输出转换成相应的数字信号。

当传感器的输出信号为随时间连续变化的电参量，如电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量时，其模拟信号调理电路框图如图1.4.3所示。

从图1.4.3中可以看到，除了电容量与电感量信号往往采用振荡电路，将信号转换成频率的变化，然后用频率计数器来处理外，其他都以电压变化的形式出现和进行处理。对于图中没有列入的模拟频率变化信号，可直接用数字式频率计将其变为数字信息。对于图中没有列出的模拟脉冲式信号，一般信号的脉冲幅值、宽度或间隔时间等参数与被测量呈比例，其中脉冲的幅值可以用检波电路拾取，然后通过模数转换电路转换成数字量；而脉宽式脉冲间隔时间信号，通常采用在信号出现期间对已知的一串标准时钟信号进行计数，从而得到相应的数字信息。