被测对象
传感器
中间变换
测量装置
显示及 记录装置
实验结果
处理装置
激发装置
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概述
2、信号调理的基本概念
信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其转换
成满足后续传输与处理系统要求的信号
信号调理与检测电路关系：界限不很清楚，有时二 者合二为一。如有些教材将电阻抗-电压转换电路 （电阻、电感、电容等检测电路）归为信号调理电
性环节。 按使用元件分：无源线性化、有源线性化
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线性化
硬件线性化的特点 实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。 3、无源线性化电路 用简单的无源器件（如电阻）与敏感器件 并联或串联，只要电阻值选择合适，就可 以将非线性校正到满意的程度。 如湿敏电阻的线性化
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线性化
电阻
RHa RHb RHc
变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节； 在检测系统设计与调试过程中，为了得到理 想的传函常常调整传感器/放大器的传函； 变送器量程也是标准的，不能全满足工程要 求。
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电平调整
2、无源电平调整
该电路可以实现信号的衰减
R2 Vo Vi R1 R2
Vi R1 R2 Vo
无源电平调整电路
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电平调整
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3线性化
解得：
RHb RHb RHc 2 RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
a
b c
电阻 RHa RHb RHc
Ha Hb Hc 相对湿度RH% 湿敏电阻修正后的特性曲线
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线性化
也可以直接对输出电压 进行线性化：
RHb RHb RHc 2 RHa RHc R RHa RHc 2 RHb
Vi
RH R
Vo
串联电阻线性化电路
这种方法所需元件少、成本低，非常简便。 但校正范围窄，校正准确度不高，主要用于 被测量变化不大的场合。否则，要采用较复 杂的无源电路。 21
线性化
用较复杂的无源电路 仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏 感元件进行组合来进行线性化的电路
R1
RH1 RH RH2
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线性化
1、为何进行线性化 检测系统中希望输入输出特性是线性化的。 实际传感器大多数是非线性化的。 减少计算量，提高运算速度；
满足线性刻度；
使用方便。
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线性化
2、线性化的方法
数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片；
灵活，适用性强，速度有限，难
以满足动态检测场合。
模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线
注意： 两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果 作为传感器电路的负载希望电阻大些，作 为后续电路的输入希望电阻小些，折中考 虑 大阻值（如MΩ）的电阻精度与噪声均较差 常用于精度要求较低的场合，否则用有源 调整电路
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电平调整
3、有源电平调整
有源电平调整电路普遍采用 运算放大器，如反相放大电 路、同相放大电路等。
放大器参数影响：输入失调电流、输入失 10 调电压
电平调整
4、有源电平调整实例
某差动压力传感器的输出为33mV~58mV， 数据采集卡输入范围为0.5V~4.5V，因此 中间需要电平调整电路。 调整电路应具有如下特性： 33mV~58mV调整成0.5V~4V（留0.5V 余量）
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电平调整
R2 Vref Vi1 Vi2 R1 +
a
b
c
RH
R
R’h
Ha Hb Hc 相对湿度RH%
湿敏电阻的线性化
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线性化
并联后的总电阻为
使a，b，c三点一线应满足
' Ha ' Hb
RRH R R RH
' H
R R R R
' Hb
' Hc
即满足
RRHa RRHb RRHb RRHc R RHa R RHb R RHb R RHc
R4

+ R2
R3 +

+
Vo
R2
双运放电压调整电路
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电平调整
双运放电压调整电路的输出为
R4 R4 R2 R4 R2 Vo 1 V 1 V V i 1 i 2 ref R3 R1 R3 R1 R3
选取电阻值，使
双运放电压调整电路的输出简化为：
R4 R1 R3 R2
，则电路具有较高CMRR，
R4 Vo 1 V V V i 2 i 1 ref R 3
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电平调整
双运放电压调整电路的增益为
改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电 阻值。
R4 G 1 R3
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R2
线性化
电阻 a 电阻 b c
Ha Hb HcHd Ha Hb HcHd 相对湿度RH% 相对湿度RH% 湿敏电阻的线性化效果
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线性化
用传感器特性曲线上线性较好的一段改善 线性 f Hz
振弦式传感器的特 性曲线中，频率的 平方与张力的成正 比，通过施加预紧 力，调整到中间一 段测量，非线性显 著减小。
4000 3000 2000
F1 F0 F2
F N
振弦式传感器的特性曲线
信号调理电路的设计与仿真
--开放性实验室培训系列教程 电气与信息工程学院 周维龙
信号调理电路
1、概述
2、电平调整
3、线性化
4、信号变换 5、滤波与阻抗匹配 6、模拟数字转换电路
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概述
1、检测系统的构成
力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度 电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式 电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器 笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡 数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机
Rf
Vo
Rf Ri
Vi
Vi
Ri Rp
+

+ R2
Vo
反相放大电路
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电平调整
有源电平调整的特点
可以实现放大或衰减，调整方便；
满足了阻抗匹配要求； 放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带 宽积，如30MHz，若G=1000，则带宽小 于30KHz ； 放大器本身的噪声影响；Et
4kTቤተ መጻሕፍቲ ባይዱf
路。
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概述
3、信号调理的类型 电平调整（放大或衰减） 线性化（非线性信号调正成线性信号） 信号形式变换（如电压电流变换）
滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内 部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）
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电平调整
1、为何进行电平调整 检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变 送器，但在具体设计中也常用传感器加电平 调整的方案。原因有三：