模拟式传感器信号的检测讲解
《认识传感器》 讲义
《认识传感器》讲义一、什么是传感器在我们的日常生活和各种科技应用中，传感器扮演着极其重要的角色。
但到底什么是传感器呢？简单来说，传感器就是一种能够感知和检测环境中各种物理量、化学量或生物量，并将其转化为可测量和可处理的电信号的装置。
它就像是我们人体的感觉器官，比如眼睛能感知光线、耳朵能感知声音。
但传感器比我们的感觉器官更加精确和灵敏，能够检测到人类无法直接感知的微小变化。
传感器的应用范围非常广泛，从智能手机、汽车、医疗设备到工业自动化、航空航天等领域，几乎无处不在。
二、传感器的工作原理传感器的工作原理基于物理、化学或生物的各种效应和规律。
不同类型的传感器有着不同的工作原理，但总体来说，都包括以下几个主要步骤：首先是感知环节，传感器通过特定的结构或材料与被测量的对象相互作用。
例如，温度传感器中的热敏电阻会随着温度的变化而改变电阻值；压力传感器中的弹性元件会在压力作用下发生形变。
然后是转换环节，将感知到的物理量或化学量转换为电信号。
这通常通过一些电学元件或电路来实现，比如将电阻的变化转换为电压的变化。
最后是输出环节，将转换后的电信号进行处理和放大，以便后续的测量、控制或传输。
三、传感器的分类传感器的种类繁多，为了便于理解和应用，我们可以按照不同的标准对其进行分类。
按照被测量的物理量分类，可以分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、光照传感器、声音传感器等等。
按照工作原理分类，有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器等等。
按照输出信号的类型分类，可分为模拟式传感器和数字式传感器。
模拟式传感器输出连续变化的电信号，而数字式传感器则输出离散的数字信号。
四、常见传感器的介绍1、温度传感器温度传感器是最常见的传感器之一，用于测量物体或环境的温度。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻（如铂电阻、热敏电阻）和半导体温度传感器等。
热电偶是利用两种不同金属的热电效应来测量温度的，其优点是测量范围广、响应速度快。
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。
常用传感器和信号处理
图2-3 传感器的静态特性
2.1.2 传感器的特性
• 对于线性传感器，灵敏度S是一个常数。灵敏度的
量纲是输出量与输入量的量纲之比。灵敏度S的表
达式为
S y x
压电效应应用在工业上就形成了压电式传感器，它可以用来测量力的大小，压电晶体 产生的电荷量q为
q DF
压电式传感器是在压电晶体的两个工作面上蒸镀一层金属膜来构成两个电极，当压电 晶体受力时便在电极上产生电荷，通过测量电荷量就可以得出受力的大小。可以利用压电 晶体的逆压电效应用来制作微致动器、微型马达和微型扬声器，如精密车床中控制刀具微 进给的微致动器，生日贺卡和电子玩具中的微型扬声器等。而压电效应的应用更多，如打 火机中的火花产生器等。
n 60 f z
图2-17 数字磁阻式传感器
2.2.6 霍尔式传感器
霍尔传感器是基于霍尔效应原理的传感器，如图2-18所示，将 半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当在薄片的两端面通 入电流时，电荷由于受到洛仑兹力的作用，将向另两个端面运动， 导致在垂直于磁场和电流平面的方向上产生电位差，这种现象称 为霍尔效应。任何金属和半导体理论上都有霍尔效应，但是由于 金属的载流子密度大，导致霍尔效应很不明显，而半导体的霍尔 效应很明显。霍尔效应引起的电位差称为霍尔电势U，当半导体 平面垂直于磁场时，其表达式为
2）涡电流式传感器 涡电流式传感器是基于金属导体在交变磁场中的涡电流效应的传感器。该类型传 感器具有结构简单、响应快、灵敏度高等特点，但其仅限于测量具有金属表面的 物体。如图2-7所示，给线圈通入交变电流i1，则在其周围产生交变磁场H1，在H1 的作用下，靠近线圈的金属导体中产生了涡电流i2，i2在导体中自行闭合，进一步 产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，从而使线圈中的阻抗发生了变 化，进而影响了i1，通过对i1的变化进行检测，便可检测金属导体的位移大小或金 属存在与否。
模拟式传感器信号的检测
Ui
7
(二)差动电路 差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。
当被测量发生变化时，传感器阻抗也 随之变化，设变化量为Δ Z，则 Z1＝Z0+ΔZ ，Z2＝Z0 -ΔZ ，于是
U0 Z2 Z1 Z 2 Ui Z 0 Z 2Z0 Ui
8
采用对称电源供电，在传感器处 于平衡位置时，电路输出为零； 当传感器失衡后，输出电压与阻 抗的变化成正比，即:
37
将Uc按傅里叶级数展开得：
Uc 1 2 2
cos c t
2 3
cos 3 c t
将ui与Uc相乘后，再用带通滤波器滤除直流分量和频率高 于3ωc的高频分量，就得到相乘调制信号
us 2
u i cos c t
38
39
2．包络检波
是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管 等具有单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再 用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化 的调制信号。
第一节 概述
一、检测系统的功用及组成 功用: 用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、 温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些 信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制 与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈 给控制装置或送去显示。 组成: 实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就 构成了机电一体化产品中的检测系统。
Z Z0
U0
Ui
9
主要用于直流电桥中，两个阻抗元件Z的中点接地，构成 对称供电形式。当传感器处于平衡位置时，输出电压为零 ；当传感器失衡后，输出电压为:
U0 Z 2Z0 Ui
数字式传感器与模拟式传感器的区别
数字式传感器与模拟式传感器的区别数字式传感器的性能区别于模拟式汽车衡，主要有以下几点：(1)解决模拟式传感器信号弱的问题模拟式传感器的输出信号最大一般在几十毫伏，最低时只有百万分之几毫伏。
在电缆传输这些弱信号过程中，很容易受到干扰，从而造成系统工作不稳定或计量性能降低。
而数字式传感器的输出信号均在3～4V左右，其抗干扰能力远大于模拟信号的百万倍。
(2)解决射频干扰问题模拟式称重传感器的低电压信号极易受到电子干扰及其它天线电信号的干扰，而数字式称重传感器在设计时已考虑到这些抗干扰能力，它们可以在高干扰区域，并保证计量性能。
(3)解决防潮、防腐问题数字式传感器采用100%不锈钢焊接壳体。
密封、防水、防潮湿、防腐蚀，适用于各种恶劣工作环境，计量性能不受任何影响，防护等级达到IP68。
(4)解决防雷击问题数字式传感器具有防雷击和大电流放电能力，在室外安装使用时，这一点尤其重要。
METTLER-TOLEDO数字式汽车衡系统通过美国权威机构Lightning Technologies，INC的雷击测试。
(5)解决偏载/温度影响问题数字式称重传感器能自动补偿和调整因偏载和温度变化而产生影响。
(6)解决时间效应—蠕变问题当负荷时间加在-称重传感器上时，其输出常有较大变化，数字式称重传感器通过内部微处理器里的软件，自动补偿了蠕变。
(7)数字式汽车衡称重精度、稳定性和可靠性更高，减少模拟式汽车衡经常引起的误差由于经校正后的称重数据是以数字形式存储在每个传感器内部的，因此就减少了模拟信号引起的积累误差。
这些误差通常都是由于模拟信号在传输过程中由接头、接线排(端子)、电位器、开关及长电缆等因素造成的。
数字式称重传感器的补偿/修正参数存储在传感器内部的永久性存储器中，因此，省掉了开关/电位器等元器件。
(8)具有自诊断功能数字式传感器具有自诊断功能。
它不断对内部工作状况进行检测，当检测到出现故障时，会发出错误代码，这就大大降低了漏检故障的可能性，这也是模拟式称重传感器无法做到的。
模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节
习 题 四4-1、模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节？对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理4-2、试简述光电式转速传感器的测量原理光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如图所示。
光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。
当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量单位时间内的脉冲数N，则可测出转速。
4-3、试简述加速度传感器的测量原理。
工作原理都是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量被测加速度。
最常用的有应变式、压电式、电磁感应式等。
4-4、描述传感器静态特性的主要技术指标是什么？传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。
描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂4-5、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用？敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置传感元件 是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。
基本转换电路将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。
4-6、热电偶回路中的热电势的组成。
两种不同材料组成的热电偶，其接点温度为T1和T2，两者之间的热电势E（1，2）等于热电偶在连接点温度为T1和T3的电势与T3和T2的电势之和。
即E(1,2)=E(1,3)+E(3,2)4-7、热电偶冷端的温度补偿方法？热电偶参比端（冷端）处理。
实际使用中给出的分度表里，热电势和温度的对应值是以冷端为零度时来制定的。
但在实际中冷端往往不为零度，这就要对冷端进行处理。
1冰点法精度最高，将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水化合物中，在试管底部注入适量油类或水银。
机电一体化课本内容汇总
低，不能获得同一瞬时的信号。
传感器
采样/ 保持
模 拟
A/D
缓冲器
总 线
多
路
传感器
采样/ 保持
开 关
控制器
(2)多路模拟开关。 它的作用是切换各路输入信号。系统中通常使用公共的采样保持器、放大器及 A／D 转换器 等器件，因此，需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。
(3)模拟信号采样与保持。 采样，就是连续信号的离散化。 香侬(Shannon)采样定理——合理选择采样频率 为了保证在采样过程中不丢失原来信号中所包含的信息，采样频率必须按照香侬(Shannon) 采样定理来确定，即要求 fs≥2fmax 式中 fmax 为被采原信号 f(t)的最高有效频率。在实际应用中，常取 fs ≥ (5～10) fmax 采样／保持电路
a．真空吸附手 b．电磁吸附手 c. 灵巧手 第三章 人机接口是指操作者（人）和计算机间的接口。 人机接口 常用输入设备：开关、拨码盘、键盘等。 常用输出设备：显示器（LED、LCD、CRT）、打印机、喇叭等。 1、专用性 2、低速性 3、高性能价格比 机电接口是指机电一体化产品中机械装置与控制微机之间的接口。按信息传递的方向可分为 信息采集接口和控制输出接口。 1、A/D 转换接口及主要技术指标
A／D 转换过程需要一定时间，在这段时间内外部信号会发生变化，从而使得 A／D 的结果与实际会产生误差，为了防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这 一功能的电路称为采样／保持电路。
四 数字信号的预处理 预处理任务：去干扰 周期干扰:数字滤波方法消除（软件方法） 随机干扰:选用积分为干扰信号周期整数倍的双积分 A/D（硬件方法） 数字滤波优点： （1）数字滤波过程是计算机的运算过程，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配等问题， 可靠性高，稳定性好； （2）可以对频率很低或很高的信号实现滤波； （3）可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数。 但不能代替模拟滤波器？输入信号很小、且有干扰；混叠现象 (1)中值滤波。对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。原 理: 对信号连续进行 n 次采样。然后对采样值排序，并取序列中位值作为采样有效值。 (2)算术平均滤波。原理：对信号连续进行 n 次采样，以其算术平均值作为有效采样值。 适用场合： 该方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、检测系统的功用及组成 功用: 用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、 温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些 信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制 与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈 给控制装置或送去显示。 组成: 实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就 构成了机电一体化产品中的检测系统。
1
二、机电一体化对检测系统的基本要求
1.精度、灵敏度和分辨率高； 2.线性、稳定性和重复性好； 3.抗干扰能力强； 4.静、动态特性好。 其它要求:体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修 、耐环境性能好等。
三、检测系统设计的任务、方法和步骤 检测系统设计的主要任务： 根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号 检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与 调试，使在机电一体化产品中实现预期的计测功能。
Z
U0 2Z0 Ui
10
通过具有中间抽头的变压器二次线圈对传感器的一对差动 阻抗对称供电，其输出电压与传感器阻抗变化之间的关系 为：
Z
U0 2Z0 Ui
11
(三)非差动桥式电路
若传感器的基准阻抗为Z0，并 取Z＝ZR＝Z0，传感器阻抗随 被测量的变化为Δ Z，则
Z U0 4Z0 2Z Ui
12
当电容传感器的电容C或电 阻传感器的电阻R变化时， 输出电压的幅值U0＝Ui／2 不变，但相位角φ 却随之变 化，其输出特性表达式为：
2arctan 1 CR
13
阻感相位电桥
输出信号相位随传感器电感 L或电阻R的变化关系为:
2arctan R L
14
(四)调频电路
传感器电容C和标准电感L构成谐振电路并接入振荡器中 ，振荡器输出信号的频率f随传感器电容C的变化关系为:
2
R
Ui
C
Z 1 jL R jC
式中:ω是交流电源角频率；M2是 变压器互感。
U0
(r
(1 2LC )R
jL)U i jL r(1
jRC )
6
U0
R
R RX
Ui
7
(二)差动电路 差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。
当被测量发生变化时，传感器阻抗也 随之变化，设变化量为Δ Z，则 Z1＝Z0+ΔZ ，Z2＝Z0 -ΔZ ，于是
18
(二)高输入阻抗放大器
为了与传感器电路或基本转换电路相匹配，希望放大器具
有较高的输入阻抗。最简单和常用的高输入阻抗放大器是
同相输入放大器，其输出电压U0和输入阻抗Z分别为:
U0
(1
Rf R1
)Ui , Z
Ad Zi 1 Rf /
R1
式中: Ad是运算放大器的差模放大倍数；Zi是开环输入阻 抗。
f 1
2 LC
15
(五)脉冲调宽电路
输出信号U0的脉宽占随电容C或电阻R的变化而变化，即:
B kRC
式中，k是与UR／Ui有关的常数。
16
三、信号放大电路
信号放大电路（放大器），用于将传感器或经基本转换电 路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工 和处理。
(一)减小噪声和提高稳定性的方法 放大电路中常见的噪声: 热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取 措施加以抑制，以免有用信号被淹没在噪声中。
U0
Z2 Z1 Z2
Ui
Z0 Z 2Z0
Ui
8
采用对称电源供电，在传感器处 于平衡位置时，电路输出为零； 当传感器失衡后，输出电压与阻 抗的变化成正比，即:
Z U0 Z0 Ui
9
主要用于直流电桥中，两个阻抗元件Z的中点接地，构成 对称供电形式。当传感器处于平衡位置时，输出电压为零 ；当传感器失衡后，输出电压为:
Rf R1
常用的抑制放大器噪声的措施有： ①压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。 ②减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻 相等，以实现噪声阻抗匹配。 ③选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。 ④减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。
17
放大器的稳定性：指其在环境、输入信号或电路中某些 参数发生变化时能够稳定工作的能力。 提高放大器稳定性的措施有： ①采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定 静态工作点。 ②采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数。 ③采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其 它寄生耦合所引起的自激振荡。 ④妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的 影响。 ⑤采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。
2
检测系统设计的主要方法: 实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法 。 检测系统设计的一般步骤： (1)设计任务分析 (2)系统方案选择 (3)系统构成框图设计 (4)环节设计与制造 (5)总装调试及实验分析 (6)系统运行及考核
3
第二节 模拟式传感器信号的检测
一、模拟信号检测系统的组成 模拟式传感器其输出是与被测物理量相对应的连续变化的 电信号。
19
为保证共模抑制比，取R1／Rf1＝Rf2／R4，则放大器输出 为
U0(1源自Rf 2 R4)(U 2
U1)
20
U0＝－(R2／R1)Ui U01＝一(2R1／R2)U0＝2Ui，信号源的输出电流为:
Ii
I1 I
Ui R1
U01 Ui R
( 1 R1
1 R
)U
i
21
(三)高共模抑制比放大器
对两被测信号的差值进行放大的同时，抑制来自环境的共 模干扰。
U0
(1
Rf R1
)( R3 R2 R3
)U i 2
Rf R1
Ui1
若取R1＝R2，R3＝Rf，则上式变为:
U0
Rf R1
(Ui2
Ui1) 22
若只有共模信号输入，即Ui1=Ui2=Uic
U0
[(1
Rf R1
)
R3 R2 R3
4
二、基本转换电路 被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感 等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当 传感器的输出信号是电参数时，需采用基本转换电路将其 转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。
(一)分压电路
U0
Z
Z0 0
Z1
U
i
U0
R0 R0
R1
U
i
5
U0
jM jL j 1