传感器与信号调理电路
压力传感器信号调理电路设计
压力传感器信号调理电路设计一、前言压力传感器广泛应用于各种在工业和医疗行业的测量和控制系统中，它能将压力转换成电信号，并通过信号调理电路输出标准的电压或电流信号。
本文将介绍一种简单实用的压力传感器信号调理电路的设计方法。
二、信号收集首先需要将传感器输出的信号进行虑波处理，以去除不必要的噪声，使得输出信号更加清晰和稳定。
可以通过使用放大器对信号进行增益，以便更好地收集传感器输出的信号。
在信号前端还可以添加加热电路，以使得传感器输出的电信号稳定、准确。
三、信号转换在信号的转换过程中，有两种基本的方法：通过变送器进行模拟信号的转换，或通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。
模拟信号的处理主要通过信号放大和频率滤波进行，而数字信号转换后需要经过数字滤波和数字信号处理进行处理。
四、信号处理一旦信号被转换成了数字信号，就可以进行进一步的处理。
这通常涉及到使用计算机进行数据分析，以便更好地识别并拟合信号所对应的数据模型。
计算机可以对数据进行加工和处理，包括对数据进行排序、取平均、去除偏差等。
这种信号处理可以大大提高数据的精度和准确性。
五、信号输出在信号处理完成后，输出电路将根据信号处理的结果将数字信号转换为电压或电流信号。
通常使用运算放大器或寄生参数放大器来放大来自信号处理链的某些信号，并将它们转换为恰当的电压或电流信号。
理想情况下，该信号输出应该是在以标准信号输出的范围内，常见的标准信号包括（0-5V）、（0-10V）和（4-20mA）。
六、总结压力传感器信号调理电路是一个复杂的系统，需要考虑到多种因素，例如传感器的特性、信号的变化范围等。
调整好相应的电路可以提高电信号量的精确度和准确性，实现更加稳定和可靠的数据测量。
压力传感器电路原理
压力传感器电路原理压力传感器是一种能够测量物体受力程度的装置，它的应用十分广泛，包括工业、医疗、汽车等领域。
压力传感器电路是实现压力传感器功能的关键部分，下面将介绍压力传感器电路原理及其工作过程。
一、压力传感器电路的基本原理压力传感器电路一般由传感器元件、信号调理电路和输出电路组成。
传感器元件是测量压力的关键部分，它通常由特殊材料制成，能够随着外界压力的变化而改变一些电学性质，如电阻、电容等。
信号调理电路负责将传感器元件的电学性质转化为可测量的电信号，同时对信号进行放大、滤波和线性化处理。
输出电路将经过信号调理的电信号转化为可供外部设备读取的模拟信号或数字信号。
二、压力传感器电路的工作过程压力传感器电路的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 传感器元件受到外界压力的作用，其电学性质发生变化。
以电阻式压力传感器为例，当受力后，电阻值会发生变化。
2. 传感器元件的变化信号经过信号调理电路的放大、滤波和线性化处理。
放大是为了增强传感器元件的微弱信号，滤波是为了去除杂散信号和噪声，线性化是为了使输出信号与输入信号呈线性关系。
3. 经过信号调理的信号进入输出电路，输出电路将其转化为可供外部设备读取的模拟信号或数字信号。
模拟信号一般经过模数转换器转化为数字信号，数字信号可以通过串口、USB等方式传输给计算机或其他设备。
三、压力传感器电路的特点和应用1. 精度高：压力传感器电路采用了精密的传感器元件和信号调理电路，能够实现高精度的压力测量。
2. 可靠性好：压力传感器电路经过严格的测试和校准，能够在各种恶劣环境下稳定工作。
3. 响应速度快：压力传感器电路的信号处理速度较快，可以实时监测压力变化。
压力传感器电路在工业自动化、航空航天、医疗设备、汽车等领域有着广泛的应用。
在工业自动化中，压力传感器电路可以用于测量液体或气体的压力，控制和监测生产过程。
在医疗设备中，压力传感器电路可以用于测量血压、呼吸机等设备的压力。
在汽车中，压力传感器电路可以用于测量轮胎的气压，以提醒驾驶员及时充气。
信号调理电路工作原理
信号调理电路工作原理信号调理电路工作原理信号调理电路是一种用于优化和改善信号质量的电路，它在电子设备中起到至关重要的作用。
在本文中，我们将深入探讨信号调理电路的工作原理。
什么是信号调理电路？信号调理电路是一种用于处理传感器信号、放大信号、滤波信号等的电路。
它可以帮助我们从原始信号中提取所需的信息，并减少噪音和失真。
信号调理电路的组成信号调理电路由多个组件组成，包括：1.放大器：用于放大输入信号的电压或电流。
放大器可以增加信号的幅度，提高信噪比。
2.滤波器：用于去除信号中的杂散噪声和不必要的频率成分。
滤波器根据信号频率特性，通过滤波器形成期望的输出信号。
3.转换器：用于将输入信号从一种形式转换为另一种形式，例如模数转换器将模拟信号转换为数字信号，或者数字模数转换器将数字信号转换为模拟信号。
4.压缩器：用于压缩信号的动态范围，以适应特定应用的需求。
压缩器能够对信号进行动态范围的调整，使得信号在不同场景下得到最佳的表现。
5.校准电路：用于调整和校准传感器输出的电路。
校准电路能够对传感器输出的信号进行校准，以保证准确性和可靠性。
信号调理电路的工作原理信号调理电路的工作原理主要包括以下几个步骤：1.采集信号：首先，信号调理电路会采集传感器或其他信号源发出的原始信号。
这个原始信号可能被噪音、失真等干扰所影响。
2.放大信号：接下来，信号调理电路会使用放大器放大输入信号的幅度。
这样做可以增加信号的强度，提高信噪比，并将信号范围调整到合适的水平。
3.滤波信号：信号调理电路还会使用滤波器来滤除干扰信号和不必要的频率成分。
这可以帮助提取我们所需的特定信号，并减少对后续处理环节的影响。
4.转换信号：根据应用需求，信号调理电路可能会将信号从一种形式转换为另一种形式。
例如，模数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，以便进行后续数字处理。
5.压缩信号：如果信号的动态范围太大，信号调理电路可能会使用压缩器来压缩信号的幅度范围。
这样可以确保信号在不同场景下得到适当的展示和处理。
气敏传感器及信号调理电路概要
3.2体电阻控制型传感器
• 体电阻控制型气敏元件，受到外界氧 分压强，或还原性气体的还原作用， 致使晶体中的结构缺陷发生变化，随 之体电阻发生变化。这种变化是可逆 的，当待测气体脱离后气敏元件又恢 复原状。
氧化铁系气敏元件 γ -Fe2O3气敏元件
• 当它与气体接触时，随着气体浓度的增加形 成Fe2+离子，而变成Fe3O4，使器件的体电 阻下降。当被测气体脱离后，它又被氧化， 即恢复原状态。
ρ —检测元件的电阻温度系数； Δ T—由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值； Δ H—可燃性气体接触燃烧的发热量； C—检测元件的热容量； Q—可燃性气体的燃烧热；m—可燃性气体的浓度[％(Vol)]； α—由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。
RF1 RF R1 E E0 RF1 RF2 RF R1 R2
因为Δ RF很小，且RF1•R1=RF2•R2
R1 E E0 R1 R2 RF1 RF2
RF2 RF1
接触燃烧式气敏传感器
可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧 接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触 燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高， 电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃 性气体的浓度都不太高(低于10％)，可燃性 气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体 的浓度有关。
--主要用于可燃性气体的检 测
MOS二极管气敏器件的C—U特性
•
其漏极电流ID有栅压控制，将栅 极和漏极短路，在源极和漏极之间加 电压，ID的计算式为ID=β（UG-UT）2， 始终UT为ID流过时最小临界电压值。 • 在测量中，UT会随空气中所含H2浓度 的增高而降低。
传感器与信号调理电路-运放PPT资料36页
性稳定、测量范围宽、响应迅速。
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信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信 号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和 控制。
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率 －电压转换等；
信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预 处理的装置，使信号适于显示或控制。 主要技术：电子技术——运算放大器
测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感 器及相应的信号调理电路。
同一传感器可以用于不同的工业系统。
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典型测量系统的组成
直流电源
现场 物理量
传感器
可用
信号 信号调理 电路
测量系统 显示装置
万用表
控制装置
信号发生器
示波器
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5
常用仪器在测量系统中的应用
信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不 同频率和幅值的信号）；
调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器：测量并显示电路中不同点的信号；
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理想运算放大器
理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 1反相输1入端_
V2
Vi
ri ro
_
AVi +
V1
2+
3
Vo
2同相输入端
V oA V i A (V +-V -)
压力传感器信号调理电路设计
压力传感器信号调理电路设计压力传感器是工业自动化中常见的一种传感器，通过其可以测量物体表面的压力及其变化。
在实际工程应用中，传感器采集到的信号需要经过一定的处理和调理，以提高测量精度并减少误差。
本文将介绍一种基于运算放大器的压力传感器信号调理电路的设计方法。
1. 信号调理电路基础信号调理电路通常由四个部分组成：输入级、滤波电路、增益电路和输出级。
其中输入级接收传感器的模拟信号，滤波电路用于去除高频噪声，增益电路可以将信号放大至合适的范围，输出级最终将信号送入控制系统进行处理。
2. 压力传感器信号特性压力传感器输出的信号通常为微小的电压信号，其幅值与被测物体的压力成正比。
由于压力传感器常常需要在恶劣的环境中工作，因此其输出信号往往存在一定的噪声和漂移。
为了减小这些误差，我们需要将信号放大并进行滤波处理。
3. 压力传感器信号调理电路设计流程3.1 输入级设计输入级通常由一个运算放大器和一个 RC 滤波器组成，其中RC 滤波器用于去除高频噪声。
假设传感器输出电压为 V，那么输入级的运算放大器输入电压应设计为 V/2，通过调整 R 和C 的值可以得到合适的截止频率，同时保证输入电阻尽量大，以避免对传感器输出的干扰。
3.2 滤波电路设计滤波电路可以采用低通或带通滤波器，以去除输入信号中的高频干扰。
常见的滤波器类型有二阶 Butterworth 滤波器、Sallen-Key 滤波器以及多极 RC 滤波器。
选择滤波器类型时需要考虑频率响应、阶数、带宽和幅值响应等因素。
3.3 增益电路设计增益电路的作用是将输入信号放大至合适的范围，以方便后续数字化处理或控制。
增益电路可以采用单级或多级放大器，也可以采用可调增益放大器，以便根据实际应用场景灵活调整增益大小。
3.4 输出级设计输出级通常由一个运算放大器和一个反馈电阻网络组成，反馈电阻网络可以通过调整电阻比例实现信号输出的零漂和增益校准。
同时需要考虑输出电压的范围、输出阻抗和功率等因素，以确保输出信号能够被控制系统准确接收。
电路中的传感器与信号调理技术
电路中的传感器与信号调理技术现代社会的发展离不开科技的进步和创新。
在各个领域中，电路的应用越来越广泛。
而在电路中，传感器和信号调理技术起着至关重要的作用。
本文将着重讨论电路中的传感器和信号调理技术的应用。
一、传感器的作用传感器是电路中的重要组成部分，它能够将感知到的现实世界信息转化为电信号，为电路系统提供输入。
不同类型的传感器有着各自独特的功能和用途。
例如，温度传感器可以感知环境的温度变化，而压力传感器则可以感知物体所受到的压力大小。
传感器的应用领域非常广泛。
在环境监测方面，传感器可以用于测量空气质量、水质状况等。
在工业生产中，传感器可以用于物流仓储、自动化生产等领域。
传感器的作用不仅仅局限于生活和工业领域，还涉及医疗、农业等多个领域。
可以说，传感器已经渗透到了我们生活的方方面面。
二、传感器的种类传感器的种类繁多，按照不同的物理量可以被分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光照传感器等。
其中最常用的传感器是温度传感器，它可以测量环境的温度，用于室内温控、温度报警等方面。
不同类型的传感器也有不同的工作原理。
以温度传感器为例，它常见的工作原理有热敏电阻式、电动势式和非接触式等。
热敏电阻式温度传感器利用温度对电阻值的影响进行测量。
而电动势式温度传感器则是通过测量温度对某些电特性的影响来实现测量。
三、信号调理技术在电路中，传感器产生的信号往往比较微弱和不稳定，需要经过信号调理来提高其可靠性和精确性。
信号调理技术能够将传感器信号进行放大、滤波、增强等处理，以适应电路系统的需求。
信号调理技术主要包括放大、滤波和模数转换等步骤。
放大可以提高信号的幅值和增益，使其能够更好地传递和处理。
滤波则通过去除噪声、抑制干扰等方式，提高信号的准确性和稳定性。
模数转换则是将模拟信号转换为数字信号，并进行数字化处理。
模数转换是现代传感器与控制系统之间的桥梁，广泛应用于自动化控制领域。
它可以将传感器的输出信号转换为计算机可以理解和处理的数字信号，从而实现更高精度的测量和控制。
过载传感器信号调理电路设计
过载传感器信号调理电路设计摘要本文介绍了研究电容微加速度传感器信号调理电路设计的意义与目的，分别阐述了电容微加速度传感器的发展历程、国内外发展现状以及在多个领域中的应用，简述了信号调理电路的原理和评价的主要性能指标，以及电容微加速度传感器的原理和优点。
电容微加速度传感器目前已被广泛应用，基于能更好应用电容微加速度传感器的目的，需要为其配备合适的信号调理电路。
本课题开发一种适用电容微加速度传感器的信号调理电路，该电路首先对电容微加速度传感器的信号进行电压转换，然后进行适调放大后经过滤波和信号二级放大电路，最后通过积分电路排除一定干扰后，使传感器的输出信号能被识别获取。
经过仿真和实验检测表明，此电路性能可靠，效果良好。
关键词：电容微加速度传感器，信号调理，高低通滤波，信号放大Overload Sensor Signal Conditioning Circuit DesignAbstractThis paper introduces the significance and purpose of the study of Signal conditioning circuit design for MEMS acceleration sensor , then clarifies the development of domestic and international situation and the application in areas of the constant current source and piezoelectric acceleration sensor. The difference between ideal Signal conditioning circuit and the actual is presented. And then introduces the principle and the main source of constant evaluation of performance indicators of the Constant current source and MEMS acceleration sensor’s principle and advantages.With MEMS acceleration sensors being widely used , and for the purpose of better application , a suitable Signal conditioning circuit supply circuit is needed. This topic develops a kind of Signal conditioning circuit which is applicable to the MEMS sensor and supply current for it. The Signal conditioning circuittransfer Signal sourceto stable voltage, and then filtered Conditioning amplified signal and the second stage amplifier circuit, and finally exclude certain interference by integrating circuit,Through simulation and experiment show that the performance of this circuit is reliable and the effect is good .Key words:MEMS Acceleration Sensors, Signal Conditioner circuit, High And Low Pass Filter目录1 绪论 (5)1.1本课题的研究背景 (5)1.2本课题的研究目的和意义 (6)1.3本课题国内外研究现状 (7)2电容微加速度传感器原理 (9)2.1基本工作原理 (9)2.2电容微加速度传感器的三种常见结构 (10)2.2.1梳齿式硅微机械加速度传感器 (10)2.2.2扭摆式电容加速度传感器 (11)2.2.3三明治摆式电容加速度传感器 (11)2.3本课题研究的MEMS加速度传感器 (12)3 系统的总体方案设计 (15)3.1信号检测方案选择 (15)3.1.1电容-频率转换法 (15)3.1.2开关电容法 (15)3.1.3电容电桥法 (15)3.1.4电荷放大法 (15)3.2信号检测电路的基本要求及实现方案 (15)3.3方案选用 (16)3.4器件选择 (16)4信号调理硬件电路设计 (19)4.1 信号调理电路的功能和目的 (19)4.2 信号调理电路的组成 (19)4.2.1 信号转换电路 (19)4.2.2放大电路 (19)4.2.3低通滤波电路 (19)4.2.4 信号调理电路 (19)4.3 信号转换电路的设计 (20)4.3.1电荷转换部分: (20)4.3.2适调放大部分 (21)4.4 低通滤波电路的设计 (22)4.4.1低通滤波电路的选择和组成 (22)4.4.2参数计算 (23)4.5放大电路设计 (24)4.6积分器设计 (25)4.7噪声分析 (26)4.8整体电路图 (28)5 总结与展望 (29)5.1总结 (29)5.2展望 (29)参考文献 (31)附录A (33)附录B (34)附录C (35)致谢 (36)1 绪论1.1本课题的研究背景信息的获取与处理已经成为现代信息技术领域的核心，对社会发展、科技进步起着重要的作用。
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现场 物理量
传感器
可用
信号 信号调理 电路
测量系统 显示装置
万用表
控制装置
信号发生器
示波器
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常用仪器在测量系统中的应用
信号发生器：产生标准信号（不同波形种类、不 同频率和幅值的信号）；
调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器：测量并显示电路中不同点的信号；
位置、转速、温度、液位、压力等信息； 对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特
性稳定、测量范围宽、响应迅速。
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信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信 号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和 控制。
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率 －电压转换等；
+
LM324
14 13 12 11 10 9
8
GND
-
或－V
-
+
+
324
+
+
-
-
+V
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1
2
34
-V
管脚起始 朝左
1
2 345 6
7
管脚序号逆时针方向增长！！
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运算放大器
运算放大器简称为运放；
有单端和差动两种输入方式
双踪观察输入输出波形，记录输 出uop-p；
连续增大ui的幅值，记录出现饱 和现象时输入、输出信号的峰峰 值。
uip-p(V) uop-p(V) 0.4 0.8 1.2 1.8 2.5
uop-pR1R +1R2uip-p11uip-p
临界饱和时：
uˆ ip -p
; uˆ o p -p
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理想运算放大器
理想运放是一个高增益、高输入电阻、低输出电阻的器件。 1反相输1入端_
V2
Vi
ri ro
_
AVi +
V1
2+
3
Vo
2同相输入端
V oA V i A (V +-V -)
A很大，1000以上 ri很大，兆欧以上 ro很小，可以忽略 Vo有限，电源电压范围内
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单端输入与差动输入
i R2 100kW
R1 10kW
-
ui
a
+
+10V
uo
R3 100kW
-10V
i1
R2
R1
uib
-
uia
R3 i2
+
uo
R4
单端输入方式
一端接输入信号，另一 端接地（或通过电阻接 地）
同相输入
反相输入
差动输入方式（双端输入）
Vo V-
uo ui
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运放的补充说明
前面讲的均是运放的理想模型，集成运放内部并 非真如模型的结构，但是它有与模型相同的特性 （工作特性曲线），所以可以使用理想模型来分 析运放；
集成运放内部结构复杂，在《模拟电子技术》课 程中有深入的讲解，可以参考：
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运放的分析方法——三步走
虚断：把电路分为两个电阻串并联的支路； 虚短：V+=V-，即两个支路之间的关系； 使用电阻串并联的方法求解（设电流 i）。
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运放应用：反相比例放大器
i 2 R2
i 1 R1
输入信号V1和V2同时加在同相 端1和反相端2上
Vi＝V1－V2
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开环方式与反馈方式
ui
Vr
+10V
-
+
uo
i R2 100kW
R1 10kW -
+10V
uo
ui
+
R3 10kW
-10V
开环方式
输出端与输入端之间除 地线外没有连接；
如：比较器。
A→∞ ri→∞
Vi
Vo A
Vo (E- , E+ ) A
0
ro→0 Vo∈(E-,E+)
Ii
Vi ri
Vi 0 ri
0
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考虑电压 虚通
V+=V- 虚短
Ii=0 虚断 考虑电流
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理想运算放大器 Ii 0 1 _
Vi 0
V2
V1
2+
3
Vo
在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相 输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”；
若同相端（反相端）接地，即同相端（反相端）电位为 零，则反相端（同相端）电位也为零，称为“虚地”；
在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相
输入端之间的电流为零，称为“虚断”。
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反馈方式
有信号从输出端经过某 种电路回到输入端，构 成反馈回路。
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正确理解运放的“工作方式”
运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按 照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作 方式”都一样）；
所谓的“工作方式”是依运放的外部连接而引入 的说明。
。
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训练内容3：电压跟随器的测试
输入信号ui：正弦波，f=2kHz，直流电平为0V， uip-p = 0.5V；
双踪观察输入输出波形；
连续改变uip-p ，双踪观察输入输出波形。
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IC间距与DIP封装
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反相放大器的训练：接线示意图
1. 2.
信号发生器
直
电 路 中 所 有 的 地
“ 跟 踪 ” 按 下
开 启 之 前 逆 时 针
流 电 源 的 使 用 ：
要旋
“到
共底
地
”
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直流电源
Ⅰ
Ⅱ
示波器
电
ui
R1 10kW
i R2 100kW
+10V -
a
+
uo
有 问 题 ， 检 查 ①
R1 + R2 R1
ui
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运放应用：电压跟随器
R2 100kW
虚断 i+ i- 0 虚短 V + V -
V+ ui
+10V -
+
uo
ui
R3 10kW
-10V
输出跟随输入变化。
作用：前后极之间的
隔离、缓冲，提高带
负载能力等。
V- V+ ui
2
传感器
被测量
物理量 化学量 生物学量
传感器
可用信号
传感器定义：能感受某种信息（被测量），并 按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；
可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用 的信号，常是电量。
传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换 成另一种能量形式，并作为可用信号输出；
狭义的传感器：被测量电信号； 传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的
工业系统测量
传感器与信号调理电路
引言
如何测量你的体温？ 包括：获取温度信号以及处理温度信号
温度测量系统
温度
电信号
温度
信号
传感器
预处理
符合要求 的信号
本讲我们将了解测量系统的组成，包括信号的获 取以及信号的预处理。另外，着重介绍在信号处 理中使用最多的器件：运算放大器。
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力的测量与差动放大
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运放应用：同相比例放大器
i R2 100kW
R1 10kW -
ui
+
R3 10kW
+10V -10V
原理图中常用的 简化画法
uo ui
G
uo
uo Gui
虚断 i+ i- 0 虚短 V + V -
V+ ui
V- V+ ui
i VR1
uo i(R1 + R2)
uo
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训练中常见的问题
输出波形产生畸变
主要原因：未接电源地； 可能原因：OP07损坏。
在输入uip-p＜2V就饱和
①10kΩ电阻被短接； ②输入直流电平不为0，即OFFSET旋钮开且不为0。
输出波形先截止，后饱和
①运放：截止-9.3V，饱和+9.7V； ②OFFSET旋钮调节：有一个很小的直流电平。
信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预 处理的装置，使信号适于显示或控制。 主要技术：电子技术——运算放大器
测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感 器及相应的信号调理电路。