传感器与测量技术之信号的调制与解调
传感器原理及检测技术
传感器原理及检测技术传感器是一种能够将物理量或化学量转换成可测量信号的设备。
它在现代科技中发挥着重要作用，广泛应用于工业、农业、医疗等领域。
本文将介绍传感器的原理、种类以及常见的检测技术。
一、传感器的原理传感器的原理基于物理量与电信号之间的相互转换。
一般来说，传感器由灵敏元件、信号处理电路和输出装置组成。
灵敏元件是传感器的核心。
它能够将物理变量转换成电信号。
常见的灵敏元件有电阻、电容、电势、磁阻、磁感应等，它们的变化都可以通过电路检测到。
信号处理电路用于对传感器输出的信号进行放大、滤波等处理，以确保信号的准确性和稳定性。
它可以是模拟电路或数字电路，根据具体应用需求选择。
输出装置将经过信号处理的电信号转换成可供外部系统读取或显示的形式，如数字显示器、计算机接口等。
二、传感器的种类传感器按照测量物理量的不同可以分为多种类型，包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器等。
以下是其中几种常见传感器的简要介绍：1. 温度传感器：用于测量物体的温度，常见的有热电偶、热电阻等。
2. 压力传感器：用于测量气体或液体的压力，广泛应用于工业自动化、航空航天等领域。
3. 湿度传感器：用于测量空气中的湿度，常见的有电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器等。
4. 光传感器：用于测量环境光强度或接收光信号，包括光电二极管、光敏电阻和光电导。
三、传感器的检测技术传感器的检测技术包括校准、线性化和误差补偿等。
这些技术能够提高传感器的精确度和可靠性。
1. 校准：通过与标准样品进行比较，调整传感器的输出，使之达到准确的测量结果。
2. 线性化：对于非线性传感器，通过数学模型进行线性化处理，使输出信号与被测量的物理量成线性关系。
3. 误差补偿：传感器在工作过程中可能会出现一些误差，例如零点漂移、温度影响等。
合理的误差补偿技术能够提高传感器的精度和稳定性。
四、传感器的应用传感器在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个示例：1. 工业领域：传感器在工业自动化、机器人控制、生产线监测等方面发挥重要作用，能够实现实时监测和控制。
传感器与测试技术复习题(1)
一填空题（每空1分）1.调幅波可以看作是载波与调制波的乘积。
2.相关系数是在时域描述两个信号之间相关程度的无量纲的函数。
3.若x(t) 的傅里叶变换是X（f），则x(0.2t)的傅里叶变换是)X。
.5(5f4.若x(t) 的傅里叶变换是X（f），则x（0.1 ) t的傅里叶变换是10 X(10f)。
.5.用一阶系统作测量装置，为了获得较佳的工作性能，其时间常数τ应_尽量小__。
6.能用明确的数学关系式或图象表达的信号称为确定性信号。
7.双螺线管差动型传感器比单螺线管型电感式传感器有较高的灵敏度和线性。
8.采样时为了不产生频谱混叠，采样频率必须大于信号最高频率的 2 倍。
9.某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
10.调幅波可以看作是载波与调制波的___乘积_____。
11.若采样频率过低，不满足采样定理,则采样离散信号的频谱会发生____混迭____现象。
12.任何样本的时间平均等于总体平均的随机信号被称为各态历经信号。
13.正弦信号的自相关函数保留了信号的幅值信息和频率信息，但是失去了相位的信息。
14.附加传感器质量将使被测振动系统的固有频率降低。
15.在进行振动测量时，压电式传感器联接电荷放大器时，电缆长度不会影响仪器的输出。
16.任何样本的时间平均等于总体平均（集合平均）的随机信号被称为各态历经信号。
17.采样时为了不产生频谱混叠，采样频率必须大于信号最高频率的2 倍。
18.极距变化型电容式传感器的灵敏度K与极距平方成反比。
19.当金属板置于变化着的磁场中时，或者在磁场中运动时，在金属板上产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流。
20.扭矩测量时，测量传感器应变片应贴在与轴线成45 度的方向上。
21.某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
传感器的信号调理
(3) 误差分配 根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则： 根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则 按实现准确度高低难易程度和成本分配，易实现准确度高 的部分，误差分配得小；难实现或能实现准确度高但使成 本很高的部分，误差分配得大。误差分配之后，进行误差 综合，使其不超过总误差要求。 (4) 参数估算 完成结构设计和误差分配后，需对各组成部分进行电路参 数估算，如放大倍数、需要的元器件参数等，对元器件提 出确切的定量性能指标要求。 (5) 抗电磁和温度干扰设计 为提高电路的可靠性和稳定性，在电路中要有抗电磁干扰 措施和抗环境温度变化的措施。
1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 信号调理电路与敏感、 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108 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 电路的作用 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 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： 后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的 电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力 等方面考虑较多。
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。
1.信号调理电路的设计原则 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 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：
传感器与测试技术章节测试题
章节测试题第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。
4、 非周期信号包括 信号和 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ ） （三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2xψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn ns s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。
GNSS测量与传感器测量数据的融合与校正
GNSS测量与传感器测量数据的融合与校正引言：在现代科技的发展中，全球导航卫星系统（GNSS）已经成为人们生活中必不可少的一部分。
GNSS可以提供高精度的位置、速度和时间信息，广泛应用于导航、地理信息系统、无人驾驶等领域。
然而，由于GNSS信号受限于建筑物、地形、大气层等因素的影响，会出现信号被遮挡或多径效应等问题，导致测量结果的不准确。
为了提高测量的精度和可靠性，研究人员引入了传感器测量数据的融合与校正技术，用以提高GNSS的测量结果。
一、GNSS测量的原理与问题GNSS测量通过接收来自卫星的信号，利用信号传播的时间差来计算接收器与卫星之间的距离，进而求解出位置、速度和时间信息。
然而，由于卫星信号在传播过程中受到建筑物、地形、大气层等因素的影响，会出现信号的遮挡、多径效应、时延等问题。
这些问题会导致GNSS测量结果的不准确，甚至无法使用，特别是在城市环境或复杂地形下。
二、传感器测量数据的融合技术为了提高GNSS测量结果的精度和可靠性，研究人员开始将传感器测量数据与GNSS测量数据进行融合。
传感器可以包括惯性测量单元（IMU）、地面接收器、气象仪器等。
传感器测量数据可以提供额外的信息，协助GNSS测量的校正。
例如，IMU可以提供加速度和角速度等信息，用于估计接收器的动态姿态。
地面接收器可以提供对于接收器与地面之间的相对高程关系，用于修正GNSS海拔误差。
气象仪器可以提供大气压力、温度和湿度等信息，用于校正GNSS信号的传播误差。
三、融合与校正算法传感器测量数据与GNSS测量数据的融合需要使用适当的算法来处理。
常见的算法包括扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）和粒子滤波等。
这些算法通过将传感器测量数据与GNSS测量数据进行加权融合，并使用滤波算法对误差进行估计和优化。
通过这些算法的应用，可以提高GNSS测量结果的精度和鲁棒性。
四、实际应用与挑战传感器测量数据与GNSS测量数据的融合已经广泛应用于导航、地理信息系统、无人驾驶等领域。
传感器的信号调理
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
第四章 信号调理与处理
幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能 良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。
电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电 源供给电桥，则输出为调幅波。
霍尔元件： VH kH iB sin
电桥：
Uy
R R0
U
0
三、调制与解调
调幅信号的解调方法
1、同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则
xm (t) xt cos 2f0t cos
xt cos 2f0t
三、调制与解调
调幅信号的频域分析
由傅里叶变换的性质知：在时域中两个信 号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
xt yt
X f Y f
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就
是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的 是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当 信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号 电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是
随信号而变化的疏密不等的等幅波。
第五章 信号变换及调理
三、调制与解调 调频波的瞬时频率可表示为． f＝fo±△f 式中f。——载波频率，或称为中心频率； △f—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。
四、 滤波器
滤波器还有其它不同分类方法，例如， 根据构成滤波器的大件类型，可分为RC、LC或晶
体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和
无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与
数字滤波器等等。
滤波器的性能指标
A0
0.707A0
Q=f0 / B
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。
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3、什么是解调？ 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要 从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称 为解调。
4、在测控系统中为什么要采用信号调制？ 在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测 量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号
一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离
x O uc O t b)载波信号
t
a)调制信号
us
O
t
c)双边带调幅信号
us=(Uc+mx)coswct
调幅电路通常用乘法器（包括电桥）或是将 电参数直接调制。
R1 R1 R3 R4 F R4 R2 Uo
R2
R3
～
应变式传感器输出信号的调制
交流电桥本质上 就是一个乘法器
分压调幅电路
O
u0
晶体振荡器产生一个频率和幅值都固定的高频信号，通过固定电阻R加 到由电感L和电容C组成的并联回路上去，当被测量引起电感或电容发生 变化时，并联回路的阻抗Z也发生了变化，这时O点电输出电压Uo也发生 变化，出电压为
• 当调制信号x>0时 （0～t1时间内）， • xm与z同相。若xm>0， z>0，则二极管D1D2导 通，在负载上形成两个、 电流回路：f-a-D1-b-eg-f及f-g-e-b-D2-c-f。 其中回路1在负载电容 C及电阻Rf上产生的输 出为uf1=z/2+xm/2；回 路2在C及Rf上产生的 输出为uf2=-z/2+xm/2， 则总输出为uf=uf1+ uf2=xm。
6、什么是调制信号、载波信号、已调信号？
调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为
载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲 信号作为载体，这个载体称为载波信号。 用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相 位的信号称为调制信号，一般为被测信号。 在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经 过调制的载波信号叫已调信号。
（一）相敏检波的功用和原理
1、什么是相敏检波电路？ 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选 频能力的检波电路。通常是由4个二极管组成的环 形结构，利用二极管的单向导电性将电路输出极 性换向。
相敏检波器的工作原理
• 上图就是一个典型的二极管相敏检波电路。变压器A的输入信号为调 幅波xm，B的输入信号为载波z，uf为输出。 • 在设计上要求B的二次边输出远大于A的二次边输出。
Z u0 u RZ
，是一个调幅波。
开关电路调制
V1 ux
ux V2 uo O
Uc t
Uc Uc
O uo O
t t
二、调幅波的解调原理与方法
从已调信号中检出调制信号的过程称 为解调或检波。
调幅波的解调主要有同步解调、整流 检波和相敏检波三种方法。
相敏检波是最常用的方法，不仅能鉴别信号 的幅值，还能鉴别信号的相位。
信号的调幅与解调
一、调幅原理与方法 1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波 形。 调幅——就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值， 即将一个高频简谐信号（载波）与被测信号（调制信 号）在时域相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变 化而变化。 调幅信号的一般表达式可写为：
us=(Uc+mx)coswct
• 由上述分析可知。x>0 时，无论调制波是否为 正，相敏检波器的输出 波形均为正，即保持与 调制信号极性相同。同 时可知，这种电路想当 于在0～t1段对x• 同理也可以得出，调制 信号在t1～t2段内，相 敏检波器的输出波形均 为负，保持与调制信号 一致，相当于对xm全 波整流后反相，解调后 的频率比原调制波高一 倍。
5.2.3
信号的调制与解调
1、为什么要调制信号？
如上节所示，电桥的作用仅仅将电参数的变化转换为电信号，但该信 号一半比较微弱不易于传输或显示，因此有时候要对信号进行调制，使 缓变的信号易于放大和传输。
2、什么是调制？
调制就是是一个信号的某些参数在另一信号的作用下发生变化的过程。 前一信号称为载波，后一信号称为调制信号，一般为被测信号。
二、鉴频电路
什么是鉴频？
对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被 测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。 常用的鉴频方法有谐振回路鉴频法、微分鉴频法、窄脉 冲鉴频法、斜率鉴频法、数字式频率计等。
应用实例——动态电阻应变仪
F
1 3 4 5 6
2
• 电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（10～15千 赫），画出图中标出的各点处的信号？假设 F=sinω t
信号的调频与解调 一、调频原理与方法 （一）什么是调频？写出调频信号的数学表达式，
画出其波形。 调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。 常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信 号x的线性函数变化。 调频信号us的一般表达式可写为： us=Umcos(wc+mx)t
• 所以，调频波是指随信号而变化的疏密不等的等幅波。 • 调频有两种方法：将电参数直接调频；利用压控振荡器来 调频。
出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号 与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制 的主要功用。
5、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？
在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。 一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三 个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用 脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作 调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。
• 当调制信号x>0时 （0～t1时间内）， • xm与z同相。若xm<0， z<0，则二极管D3D4导 通，在负载上形成两个、 电流回路：f-c-D3-d-eg-f及f-g-e-d-D4-a-f。 其中回路1在负载电容 C及电阻Rf上产生的输 出为uf1=z/2+xm/2；回 路2在C及Rf上产生的 输出为uf2=-z/2+xm/2， 则总输出为uf=uf1+ uf2=xm。