1.4 信號調理概念及傳感器

1.4.1 信號調理的概念與內容

信號調理（Signal Conditioning）是為便于信號的傳輸與處理，通過控制信號來提高測量精度，實現隔離，進行濾波及線性化的過程。現代電子信息系統一般由輸入通道和輸出通道及中央控制器構成。因此，信號調理也包括輸入信號調理和輸出信號調理兩個方面。信號調理的目的是使輸入信號完好地進入現代電子信息系統，使輸出信號完好地到達執行機構。因此，信號調理是傳感器和A/D、開關量輸入器件和CPU，以及D/A和執行機構、開關量輸出器件和開關型執行機構之間的橋梁，是現代電子信息系統的重要組成部分。信號調理模塊應盡可能靠近信號源或傳感器，這樣信號在受到環境噪聲影響之前即被放大，從而可使信噪比得到改善。

信號調理的內容隨輸入傳感器類型、系統測試要求等的不同而不同，常用的信號調理技術手段主要包括阻抗匹配、信號放大、信號隔離、信號濾波、傳感器激勵、信號線性化、電氣轉換技術、功率驅動等。

1.阻抗匹配

傳感器作為信號源向后續電路輸出代表被測量變化的信號。從輸出端看，信號源由兩個參數描述：一是信號的強弱；二是信號源的內部阻抗（即輸出阻抗）的大小。輸出阻抗的大小決定了傳感器電路的結構形式。阻抗不匹配會使信號在各個環節的傳輸中嚴重畸變，導致嚴重的檢測誤差，因此，在調理過程中必須十分注意阻抗匹配問題。一般阻抗匹配可由運放組成的跟隨器完成。

（1）高輸出阻抗型。這類傳感器一般輸出信號微弱、輸出阻抗高。例如，壓電式傳感器，其輸出信號是微弱的電荷量，而輸出阻抗高達108Ω以上，其信號調理電路的作用有兩方面，一是吸收信號源的輸出信號并進行一定的變換和放大，將信號變換成電路易于處理的形式；二是進行阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗。這就要求信號調理電路具有很高的輸入阻抗和盡可能低的輸出阻抗，同時還具有低噪聲、低漂移、抗干擾能力強的特點。壓電式傳感器的信號調理電路的輸入電阻必須在108Ω以上才能吸收較多的傳感器輸出信號。這樣高的輸入阻抗，一般晶體管的輸入電阻是達不到的，只有選用場效應管放大電路作為輸入級才有可能實現。

（2）低輸出阻抗型。這類傳感器的輸出阻抗較低，輸出信號形式多種多樣。其信號調理電路的作用一般是將信號不失真地變換成較強的電壓或電流信號，在其性能上對穩定性、抗干擾能力等方面考慮較多。

2.信號放大

傳感器的輸出信號往往是一種微弱信號，如mV，μV甚至更弱，放大是一種最常用的信號調理方式。實際傳感器輸出的物理信號量值通常都很小，需要通過放大調理來增加其分辨率和敏感性，并將輸入信號放大為A/D轉換所需要的電平范圍。雖然對低電平信號進行放大可以在數據采集設備中進行，也可以在信號源附近的信號調理模塊中進行，但是在數據采集設備中對信號進行放大，信號就會帶著進入導線的噪聲一起被放大，然后進行模數轉換和測量；而在信號源附近用信號調理模塊放大信號，噪聲的破壞作用將降低，數字化后能更好地反映低電平的原始信號。信號放大如圖1.4.1所示。

使用護套電纜或雙絞線電纜，并盡量縮短電纜長度能夠減少噪聲。此外，讓信號線遠離交流電源和顯示器將有助于減小50Hz工頻噪聲。在放大倍數的安排上，為了保證放大器的穩定性，第一級放大器的放大倍數不宜過高，一般設計在幾十倍以下。在放大器的結構選擇上，差動放大器比單端放大器更有利于抑制外來干擾。

3.信號隔離

隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測對象與測量系統之間傳遞信號，避免直接的電流或電壓的物理連接的一種手段。被檢測的信號可能含有高壓瞬變現象，足以損壞現代電子信息系統后端的智能信息處理模塊或傷害操作者，將被測對象與后端處理部分隔離開，系統安全就得到了保證。進行隔離的另一個原因是確保數據采集各個環節間不受地勢差或共模電壓差異的影響，從而避免影響測試精度。這是因為采集信號時，都需要以“地”為基準，如果在兩“地”之間存在電位差，就可能導致地環路（Ground Loop）的產生，進而產生對地環流，影響測量的精確性；如果信號地和數據采集設備地的勢差很大，甚至可能損壞測試系統，而采取隔離調理器措施可以減小對地環流，確保信號測試精確。模擬信號隔離比數字信號隔離的難度要大得多，而且成本也比較高。目前比較常用的是采用線性光耦或2個特性幾乎完全接近的普通光耦，用特殊的電路來實現；另外，也可直接采用具有隔離作用的儀用放大器，如AD629等。

4.信號濾波

濾波就是從所要測量的信號中除去不需要的信號。現代電子信息系統幾乎都會不同程度受到來自電源線或機械設備的50Hz噪聲干擾，因此大多數信號調理模塊都包含低通濾波器，以最大限度地剔除50Hz噪聲。交流信號（如振動）則往往需要使用防混疊濾波器（Antialiasing Filter）來濾波。防混疊濾波器也是一種低通濾波器，它具有非常陡峭的截止頻率，幾乎可以將頻率高于數據采集電路輸入帶寬的信號全部除去；如果不將這些信號除去，將會錯誤地顯示為數據采集電路輸入帶寬之內的信號。

5.傳感器激勵

在某些傳感器系統中還必須有激勵信號，如應變壓力傳感器、熱敏電阻及RTD都需要外接電壓或電流激勵信號。

6.信號線性化

線性化也是一種通用的信號調理環節。大多數傳感器對于被測對象的變化具有非線性響應，必須附加線性調理電路來糾正。由于硬件線性化比較困難，而且范圍有限，所以在現代電子信息系統中廣泛采用軟件線性化的方法。

7.電氣轉換技術

電氣轉換技術包括兩個方面：一是不同結構IC門電路的電平轉換技術；二是U/I、I/U、U/F、F/U轉換技術。

8.功率驅動

功率驅動是解決將數字信號（弱信號）變換到較大功率（大功率信號）的環節，應根據執行機構的不同采取不同的電路接口形式，并且還要考慮電氣隔離問題。其接口形式多種多樣，如采用功率晶體管、達林頓管、晶閘管（即可控硅）、集成式功率驅動器、場效應管等。

1.4.2 傳感器的輸出信號類型及調理

由于各種傳感器的工作原理不同，所以其輸出信號的形式也各不相同，如圖1.4.2所示。由于傳感器的輸出信號形式不同，所以必須采用不同的處理和轉換方法對這些信號進行某些預處理，并將其轉換為便于現代電子信息系統處理的數字信號。

（1）電阻型：這類傳感器將被測量通過敏感元件轉換為電阻的變化。例如，鉑電阻、銅電阻溫度傳感器將被測溫度轉換為電阻值的變化；熱敏電阻傳感器將被測溫度轉換為半導體電阻值的變化；電阻應變式傳感器將被測的荷重（力、重量）、扭矩、轉矩、拉力、張力、速度、加速度等轉換為電阻應變片的阻值變化。

該類傳感器的信號調理電路的作用是將電阻的變化轉換為易于測量的電參數，如用電橋將電阻的變化轉換成電壓或電流輸出；用振蕩電路將電阻的變化轉換成頻率等。

（2）電容型：這類傳感器將被測量通過敏感元件轉換為電容的變化。例如，電容式線位移、角位移傳感器使電容器極板位置發生相對變化，從而改變電容量；電容式液位計將液位高度變化轉換為電容量的變化；電容式荷重傳感器通過彈性體的變形改變電容器極板的相對位置，從而使電容量變化；電容式振動傳感器、加速度傳感器、厚度傳感器、同心度傳感器、溫度傳感器將被測量的機械振動、加速度、厚度、偏心度、濕度等轉換為電容量的相應變化。

該類傳感器的信號調理電路的作用是將電容量的變化轉換為易于處理的電壓或電流信號，或將其通過振蕩電路轉換成頻率信號。

（3）電感型：這類傳感器將被測量通過敏感元件轉換為電感量的變化。例如，電感式線位移、角位移傳感器通過改變具有鐵芯的電感的鐵芯相對位置，使電感量隨被測位移變化；速度、加速度傳感器也是借助鐵芯隨速度、加速度的變化使傳感器電感量發生變化的；電感式壓力傳感器則是利用彈性元件感受被測壓力而產生變形，再由彈性體的機械變形帶動傳感器鐵芯位移使電感量變化。

該類傳感器的信號調理電路的作用是將因被測量的變化而產生的電感量變化變換為易于處理的信號形式，如采用電感電橋將電感量的變化轉換成電流或電壓的變化；用振蕩電路將電感量的變化轉換成頻率的變化。

（4）互感型：這類傳感器將被測量通過敏感元件轉換為互感的變化。例如，差動變壓器式傳感器通過機械部件的傳遞將被測量的變化轉化為差動變壓器鐵芯的位移，使激磁繞組與測量繞組間的互感發生變化；電渦流式傳感器通過將被測量的變化轉化為測量線圈與被測物體之間的距離變化，使互感產生變化，從而導致測量線圈的電感量變化等。

該類傳感器的信號調理電路的作用是將互感或互感電勢的變化轉換為易于處理的電壓或電流的變化，也可以將互感變化引起的電感量變化轉換為電壓、電流或頻率的變化。

（5）電壓（電勢）型：這類傳感器將被測量通過敏感元件轉換為電壓或電勢的變化。例如，熱電偶將被測溫度的變化通過熱電偶感溫轉化為熱電勢的變化；光電池感受到溫度（紅外光）的變化后，將其轉換為光電池輸出電勢的變化；霍爾元件可將被測的磁場強度或電流變化轉換為霍爾電勢的變化等。

該類傳感器的信號調理電路的作用是將這種微弱的電勢或電壓變化轉變為較強的電壓或電流的變化。

（6）電流型：這類傳感器會將被測量通過敏感元件轉換為電流的變化。例如，光敏二極管接收到被測光后，將光的變化轉換為輸出電流的變化；電流電離室接收到核輻射之后，將核輻射強度的變化轉換為電離室輸出電離電流的變化等。

該類傳感器的信號調理電路的作用是對由傳感器輸出的微弱電流進行放大，將其變換成較強的電壓或電流。

（7）電荷型：這類傳感器會將被測量通過敏感元件轉換成輸出電荷的變化。例如，壓電式傳感器，其敏感元件為石英或壓電陶瓷等，可用于振動分析儀、加速度計、渦街式流量計等。壓電片受力之后會轉換為束縛電荷輸出。

該類傳感器的信號調理電路的作用是將電荷的變化轉換為較強的電壓或電流輸出，這種電路通常稱為電荷放大器。

（8）脈沖（數字）型：這類傳感器會將被測量通過變換轉換成脈沖序列或數字信號。傳感器輸出的數字信號分為以下三類。

①增量碼信號。增量碼信號的特點是被測量值與傳感器輸出信號的變化周期數成正比，即輸出量值的大小由信號變化的周期數的增量決定。采用光柵、磁柵、激光干涉法等測量位移時，傳感器輸出的信號為增量碼信號。

②絕對碼信號。絕對碼信號是一種與被測對象的狀態相對應的信號。例如，碼盤的每一個角度方位對應于一組編碼，這種編碼稱為絕對碼。絕對碼信號有很強的抗干擾能力，不管測量過程中發生什么情況，干擾過后，一種狀態總是對應于一組確定的編碼。

③開關信號。開關信號只有0和l兩個狀態，可視為絕對碼只有一位編碼時的特例。例如，行程開關、光電開關等傳感器的輸出就是開關信號。

該類傳感器的信號調理電路的作用為：對于脈沖序列輸出，它進行脈沖計數并將其轉換成所需的信號形式；對于編碼信號，它將編碼輸出轉換成相應的數字信號。

當傳感器的輸出信號為隨時間連續變化的電參量，如電壓、電流、電阻、電容或電感等模擬量時，其模擬信號調理電路框圖如圖1.4.3所示。

從圖1.4.3中可以看到，除了電容量與電感量信號往往采用振蕩電路，將信號轉換成頻率的變化，然后用頻率計數器來處理外，其他都以電壓變化的形式出現和進行處理。對于圖中沒有列入的模擬頻率變化信號，可直接用數字式頻率計將其變為數字信息。對于圖中沒有列出的模擬脈沖式信號，一般信號的脈沖幅值、寬度或間隔時間等參數與被測量呈比例，其中脈沖的幅值可以用檢波電路拾取，然后通過模數轉換電路轉換成數字量；而脈寬式脈沖間隔時間信號，通常采用在信號出現期間對已知的一串標準時鐘信號進行計數，從而得到相應的數字信息。