檢測技術與信號處理本章內容CONTENTS

檢測系統組成1

常用的檢測傳感器2

傳感器接口3

傳感器信號處理43

4.1檢測系統組成圖4-1檢測單元組成4

4.1.1傳感器組成與基本特性1.傳感器的組成

傳感器：是以一定的精確度將被測量（如位移、力、加速度等）轉換為與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量的測量元件或裝置。5

4.1.1傳感器組成與基本特性傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路等組成圖4-2傳感器的結構組成框圖6

4.1.1傳感器組成與基本特性2.基本特性傳感器的基本特性可分為靜態特性和動態特性。靜態特性：檢測系統的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統的輸出與輸入之間的關系（線性度、靈敏度、重復性、遲滯性、漂移）動態特性：傳感器測量動態信號時，輸出對輸入的響應特性，反映的是傳感器測量動態信號的能力7

4.1.2傳感器分類與選用1.傳感器分類（1）按被測物理量的性質可分為位移傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。（2）按工作原理可分為物理傳感器（電阻式、電感式、電容式、光電式、超聲波式、霍爾式）、化學傳感器、生物傳感器等。（3）按照輸出信號的性質可分為開關型（二值型）、數字型和模擬型。8

4.1.2傳感器分類與選用2.傳感器選用一般來說，機電一體化系統對常用傳感器選則的應考慮以下幾個方面因素：類型、精度、靈敏度、響應特性、穩定性、線性范圍。9

4.2常用的檢測傳感器

4.2.1位置傳感器1.位置傳感器分類接觸式：接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作（行程開關、二維矩陣式位置傳感器等）接近式：接近式位置傳感器按其工作原理主要分為電磁型、光電型、靜電容型、氣壓型、超聲波型等，實質都是利用傳感器與被測物體之間產生的某種效應，例如電感量、光通量、電場強度、壓力、時間等變化獲知被測物體的位置信息。10

4.2.1位置傳感器圖4-4接近式位置傳感器工作原理11

4.2.1位置傳感器2.常用的傳感器介紹（a）接近開關（b）液位傳感器（a）擴散反射型（b）U型圖4-5

超聲波位置傳感器圖4-6

光電式位置傳感器12

4.2.2位移傳感器

位移測量所涉及的范圍相當廣泛，可分為直線位移和角位移測量。小位移測量通常用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器等進行檢測，大位移測量常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵、直線編碼器等傳感器測量。角位移測量可用旋轉編碼器、旋轉變壓器、圓光柵等進行測量。13

4.2.2位移傳感器1.編碼器

根據工作原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式可分為增量式、絕對式以及混合式三種。按機械結構分為旋轉編碼器和線性編碼器。14

4.2.2位移傳感器圖4-7增量式光電編碼器15

4.2.2位移傳感器圖4-8絕對式編碼器16

4.2.2位移傳感器2.光柵尺

光柵尺是一種采用光柵產生的疊柵條紋（也稱莫爾條紋）原理測量位移的傳感器。它在一塊長條形的光學玻璃上刻有密集等間距的平行線，刻線密度一般在25～250線/mm。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。17

4.2.2位移傳感器圖4-9光柵工作原理18

4.2.2位移傳感器應用場景：光柵尺一般應用在數控機床、三坐標測量機等精密設備中，可用于靜態或動態直線位移、整圓角位移測量，在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。光柵的掃描方式一般采用成像掃描法或干涉掃描法。特點：成像掃描的原理是采用透射光或反射光生成信號，柵距相同的光柵尺和掃描光柵彼此相對運動，優點是量程大和精度高。掃描光柵的基體是透明的，而作為測量基準的光柵尺可以是透明的也可以是反射的。光電掃描為非接觸掃描，因此無磨損。19

4.2.2位移傳感器圖4-10成像掃描光柵的工作原理（a）透射式光柵（b）反射式光柵20

4.2.2位移傳感器光柵尺的選用：考慮的因素有測量精度、分辨率、使用壽命、抗干擾與污染能力、信號輸出形式、通訊方式、安裝方式、價格等。在以上因素中測量精度最為重要，影響光柵尺則量精度的因素有光柵質量、掃描質量、信號處理電路、光柵尺相對掃描單元的方向誤差等。21

4.2.3速度傳感器

速度測量包括線速度和角速度測量，與之相對應的有線速度傳感器和角速度傳感器，統稱為速度傳感器。常用的檢測轉速的傳感器有測速發電機、光電式速度傳感器、磁電式速度傳感器、激光測速傳感器、雷達測速傳感器等。22

4.2.3速度傳感器

1．光電式速度傳感器

光電式轉速傳感器由裝在被測軸上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快等優點，在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。傳感器按結構形式可分為直射式、反射式、投射式三種基本形式。23

4.2.3速度傳感器圖4-11

直射型光電式傳感器24

4.2.3速度傳感器

2.霍爾式速度傳感器

霍爾速度傳感器是一種基于霍爾效應的磁電傳感器，具有磁場敏感度高、輸出信號穩定、頻率響應高、抗電磁干擾能力強、結構簡單、使用方便等優點。25

4.2.3速度傳感器圖4-12

霍爾速度傳感器26

4.2.3速度傳感器

3.激光測速傳感器

激光測速傳感器有兩種類型，一種是利用激光反射式測速原理，另一種是利用激光多普勒測速原理。激光反射式測速傳感器：利用激光測距的原理，它對被測物體發射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時間差，來確定被測物體與測試點的距離。激光多普勒測速傳感器：測量通過激光束的示蹤粒子的多普勒信號，再根據速度與多普勒頻率的關系得到粒子速度。27

4.2.4壓力傳感器

壓力傳感器是將壓力轉換為電信號輸出的檢測元件，一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。按其工作原理不同，壓力傳感器類型可分為電容式、壓磁式、壓電式、應變片式、霍耳式、光纖式、諧振式等類型。28

4.2.4壓力傳感器1.壓阻式力傳感器

壓阻式力傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。2.應變片式力傳感器

應變片壓力傳感器是利用了電阻應變片的基本原理。3.壓磁式力傳感器

壓磁式傳感器也稱磁彈性傳感器，是利用鐵磁材料的壓磁效應制成的傳感器。29

4.2.4壓力傳感器圖4-13壓阻式力傳感器圖4-14應變片式壓力傳感器30

4.2.4壓力傳感器圖4-15壓磁式力傳感器工作原理31

4.2.4壓力傳感器4.壓電式力傳感器

壓電式傳感器是一種基于壓電效應的傳感器，它是一種自發電式和機電轉換式的傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，當壓電材料受力后表面產生電荷，此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等；缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。32

4.2.5流量傳感器

流量傳感器是用測量流體流量的傳感器，被廣泛的應用于工業過程控制、商業應用、軍事等領域，流量傳感器按測量對象可分為氣體測量和液體測量；按測量物理量可分為體積流量和質量流量；按結構類型可分為差壓式、渦輪式、電磁式、流體振動式、轉子式、往復活塞式、旋轉活塞式、沖擊板式、分流旋翼式、熱動式。33

4.2.5流量傳感器1.渦輪式流量傳感器

渦輪式流量傳感器是以動量矩守恒原理為基礎，利用置于流體中的渦輪的旋轉速度與流體速度成比例的關系來反映通過管道的體積流量。它先將流速轉換為渦輪的轉速，再將轉速轉換成與流量成正比的電信號。34

4.2.5流量傳感器圖4-16渦輪式流量傳感器35

4.2.5流量傳感器2.差壓式流量傳感器

差壓式流量傳感器又叫節流式流量傳感器，它是利用流體流經節流裝置時產生壓力差的原理來進行流量測量。圖4-17差壓式流量傳感器工作原理36

4.2.5流量傳感器3.電磁式流量傳感器

電磁流量傳感器是基于法拉第電磁感應定律的一種流量檢測裝置，即導電液體在磁場中作切割磁力線運動時，導體中產生感應電壓。圖4-18電磁流量傳感器工作原理37

4.2.6溫度傳感器

溫度傳感器是實現溫度檢測和控制的重要器件，是一種將溫度變化轉換為電量變化的裝置。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應用較廣的傳感器之一，廣泛應用于工農業生產、科學研究以及日常生活中。38

4.2.6溫度傳感器1.分類

溫度傳感器按測量方式分為接觸式測量和非接觸式測量兩種類型。接觸式溫度傳感器直接與被測物體接觸測量溫度。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發出的紅外線測量物體的溫度，可進行遙測，但制造成本較高，測量精度低。

溫度傳感器按測量原理可分為熱電偶、熱電阻、紅外輻射、雙金屬片、液體膨脹、分子狀態變化、半導體等類型。39

4.2.6溫度傳感器2.常用溫度傳感器

熱電偶型：熱電偶是將溫度量轉換為電動勢大小的熱電式傳感元件。當兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產生電動勢。這種現象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電勢。熱電阻型：熱電阻型溫度傳感器是利用熱電阻和熱敏電阻的電阻率溫度系數而制成的溫度傳感器，常用于200～500°C范圍內的溫度測量。大多數金屬導體和半導體的電阻率都隨溫度發生變化，都稱為熱電阻，純金屬有正的溫度系數，半導體有負的電阻溫度系數。40

4.2.6溫度傳感器圖4-19普通型熱電偶41

4.2.6溫度傳感器圖4-20熱電阻型溫度傳感器（a）金屬熱電阻型（b）熱敏電阻型42

4.2.6溫度傳感器紅外線型：紅外溫度傳感器是利用熱輻射效應，使探測器件接收輻射能后引起溫度升高，檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。紅外溫度傳感器多數情況下是通過賽貝克效應來探測輻射的，當器件接收輻射后，引起非電量的物理變化，再轉換成電物理量輸出。半導體型：半導體溫度傳感器是利用半導體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關系制成的溫度傳感器。非接觸型半導體溫度傳感器可檢出被測物體發射出的電磁波能量。傳感器可以將放射能直接轉換為電能的半導體物質，也可以先將放射能轉換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉換成電信號輸出。43

4.3傳感器接口

傳感器檢測到的信號通過接口輸入到計算機中，輸入到計算型機中的檢測信息必須是計算機能夠處理的數字量信息。傳感器的信號需要通過相應的接口輸入到計算機中進行信息處理。計算機輸入接口的作用是實現對傳感器的信號采樣、電平轉換、信號隔離、放大等。傳感器輸出信號分為模擬量、數字量和開關量三種類型，對應的接口電路、功能、連接方式也不相同。44

4.3.1開關量接口

對于開關量輸出的傳感器，例如機械式的行程開關，光電式、紅外線、超聲波位置傳感器等，只需要將傳感器的開關信號接入到控制計算機輸入接口回路中即可，計算機輸入接口可以將開關信號轉換成0、1數字量信號后輸入到計算機的內部數據總線上。

傳感器開關量信號輸入還要注意計算機輸入接口類型，開關量輸入接口分為源型輸入和漏型輸入兩種類型，其接線方式也不相同。45

4.3.1開關量接口圖4-21漏型開關量輸入接口接線圖4-22源型開關量輸入接口接線46

4.3.2模擬量接口

這里所說的模擬量接口指傳感器的輸出接口，它連接到計算機的模擬量輸入接口。模擬量輸出型傳感器是把非電量的信號轉換成電流、電壓、頻率、脈沖信號等輸出的傳感器，它輸出的是與輸入物理量相對應的連續變化的電量。采用模擬量輸出的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。47

4.3.2模擬量接口1.信號輸出類型

電壓輸出型：電壓輸出型將檢測信號轉換為單極性或雙極性電壓信號輸出。單極性輸出的電壓范圍有0～5V、0～10V、1～5V、1～10V等，1～5V輸出是標準電壓信號；雙極性輸出電壓范圍有±50mV、±250mV、±500mV、±1V、±2.5V、±5V、±10V等。傳感器信號通過運算放大器直接輸出，信號功率小于0.05W。在計算機側，模擬量信號通過A/D轉換器轉換成數字信號輸入到計算機。早期的模擬量輸出傳感器大多為電壓輸出型，但是電壓輸出型傳感器在信號應用于遠距離傳輸時，其抗干擾能力較差，線路損耗大，測量精度受到較大影響。

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4.3.2模擬量接口電流輸出型：電流輸出型將檢測信號轉換成0~20mA、4~20mA或者±3.2mA、±10mA、±20mA電流信號輸出。采用電流信號輸出的傳感器不容易受外界的干擾，并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上傳輸距離可以達數百米。電流輸出型傳感器的接線分為二線制、三線制和四線制三種類型。

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4.3.2模擬量接口圖4-23傳感器接線方式（a）二線制（b）三線制（c）四線制50

4.3.2模擬量接口脈沖輸出型：脈沖輸出傳感器將被轉換量轉換成對應的脈沖信號輸出，例如一些增量式位移傳感器、轉速傳感器、流量計就采用脈沖輸出型。計算機端通常采用計數器接受傳感器輸出的脈沖信號，再把它轉換成數字信號，因此信號接受、處理比較方便。與電壓、電流的模擬信號相比，脈沖信號便于遠距離傳輸且不會降低精度，而且沒有零點漂移，抗干擾性好。

頻率輸出型：頻率輸出傳感器將被轉換量轉換成對應的頻率信號，頻率一般在5kHz以下。頻率輸出型傳感器可隨著被測變量對應地輸出交變信號，因此容易和數字系統相匹配。51

4.3.2模擬量接口2.信號采樣與轉換

信號采樣：對傳感器輸出信號采樣，能完成這種功能的器件稱之為采樣/保持器。采樣/保持器在保持階段相當于一個模擬信號存儲器。在計算機模擬量輸入通道中，為了得到一個平滑的模擬信號或對多通道進行分時控制時，也常使用采樣/保持器。

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4.3.2模擬量接口圖4-24采樣保持電路圖4-25LF398采樣/保持芯片53

4.3.2模擬量接口信號轉換：傳感器的輸出信號輸入到計算機之前還需要經過模數轉換，完成模數功能的器件稱之A/D轉換器。A/D轉換器的種類較多，但目前應用較多的類型有逐次逼近型、雙積分型、V/F變換型、Σ-Δ型。

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4.3.2模擬量接口逐次逼近型A/D轉換器：基本原理是將待轉換的模擬輸入信號與一個推測信號進行比較，根據二者大小決定增大還是減小輸入信號，以便向模擬輸入信號逼進。這種A/D轉換器速度很快，但精度一般不高。常用的芯片有ADC0801、ADC0802、AD570等。雙積分型A/D轉換器：基本原理是先對輸入模擬電壓進行固定時間的積分，然后轉為對標準電壓的反相積分，直至積分輸入返回初始值，這兩個積分時間的長短正比于二者的大小，進而可以得出對應模擬電壓的數字量。由雙積分式發展為四重積分、五重積分等多種方式，在保證轉換精度的前提下提高了轉換速度。常用的芯片有ICL7135、ICL7109等。55

4.3.2模擬量接口V/F轉換器：將電壓信號轉換成頻率信號的電子器件，具有較好的精度和線性，而且電路簡單，對環境適應能力強，價格低廉，適用于非快速的遠距離傳輸信號的A/D轉換。TD650是一款高精度、高頻型單片集成了電壓頻率（V/F）和頻率電壓（F/V）轉換的芯片，它可構成廉價高分辨率低速A/D轉換器。型A/D轉換器：由積分器、比較器、D/A轉換器和數字濾波器等組成。工作原理近似于積分型，將輸入電壓轉換成脈沖寬度信號，用數字濾波器處理后得到數字量，這種轉換器的轉換精度高，達到16到24位的轉換精度，缺點是轉換速度慢，適合用于對檢測精度要求很高但對速度要求不高的場合。其中，D7705為完整16位、低成本的型ADC轉換器，適合直流或低頻交流信號的測量應用。56

4.3.2模擬量接口圖4-26TD650轉換器圖4-27AD7705轉換器57

4.3.2模擬量接口

接口連接：模擬量輸出傳感器與計算機的連接方式也有多種形式，當有多個傳感器信號輸入到計算機中處理時，其端口的連接方式主要有多路開關切換共享A/D轉換型、多路采樣/保持共享A/D轉換型、多路獨立A/D轉換型三種方式。

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4.3.2模擬量接口

多路開關切換共享A/D型：模擬輸入通道中只有一個放大器、采樣保持器和A/D轉換器。多路傳感器信號通過多路開關切換，在同一時刻只能對一個傳感器進行采樣。該類型適合于中低速采樣，在A/D轉換器為逐次逼近式的情況下必須增加采樣保持器，在采用間接比較式A/D轉換器的情況下可以不加采樣保持器，成本低。59

4.3.2模擬量接口圖4-28多路開關切共享A/D型60

4.3.2模擬量接口

多路采樣/保持共享A/D轉換型：模擬量輸入通道共用一個放大器和A/D轉換器，每一路傳感器接口中都有相對應的采樣/保持器，可在同一時刻對每一路傳感器信號進行采樣/保持后，但只能通過輪流的方式對每路數據進行A/D轉換。這種類型能夠保證多路信號的相位關系，成本較低。61

4.3.2模擬量接口圖4-29多路采樣/保持共享A/D型62

4.3.2模擬量接口

多路獨立A/D轉換型：每一路傳感器信號有各自獨立的采樣/保存持器、放大器、A/D轉換器，可同時采樣多路信號并進行轉換。這種接口類型信號轉換速度快，且能夠保證各路信號的相位，但成本高。63

4.3.2模擬量接口圖4-30多路獨立A/D轉換型64

4.3.2數字量接口數字量輸出型傳感器有計數型和代碼型兩種類型。計數型：又稱脈沖數字型，它可以是任何一種脈沖發生器所發出的脈沖數，利用計數器對輸入脈沖進行計數，可用來檢測通過輸送帶上的產品個數，也可用來檢測執行機構的位移量。代碼型：輸出的信號是數字代碼，每個代碼代表一個輸入量，例如絕對編碼器、絕對光柵就是這種類型。65

4.3.2數字量接口1.并行輸出接口

并行輸出接口輸出線的根數與輸出位數一致，每根電纜代表一位數據，輸出電平的高低代表1或0，物理器件與增量值編碼器相似，有集電極開路NPN、PNP、差分驅動、推挽HTL等，分高電平有效或低電平有效來適應PNP或NPN的物理器件。66

4.3.2數字量接口2.串行輸出接口

串行輸出就是數據集中在一組電纜上傳輸，通過約定在時間上有先后時序的數據輸出，這種約定稱為通訊規約。串行輸出連接線數量少，傳輸距離遠，一般位數高的絕對值編碼器都是用串行輸出，常用SSI、BiSS通信協議等。串行通訊又分同步與異步兩種方式，同步方式就是指令與數據發送同步進行，即指令和數據通過各自的電纜同步發送。67

4.3.2數字量接口3.現場總線接口

現場總線是連接控制現場傳感器與控制室內控制裝置的數字化、多站通信的網絡，優點是能支持雙向、多節點、總線式的全數字化通信。現場總線和其他類型的信號輸出模式比較有一定的特殊性，其他輸出類型在使用過程中基本是單獨使用，而現場總線型則不同，可實現多個傳感器的共同使用，在一對雙絞線上可掛接多個傳感器。由于現場總線還沒有形成統一的標準，所以采用現場總線輸出的傳感器數量并不多，但它是未來傳感器接口技術的發展方向之一。68

4.4傳感器信號處理

4.4.1信號放大

信號放大是傳感器信號處理的一個重要環節，傳感器敏感元件檢測并經過轉換得到的電信號是一個微弱信號，多數是毫伏量級的信號，電流小，其功率不足以直接驅動顯示器、記錄儀或各種測量控制機構，通常需要通過放大電路對該號進行放大。傳感器信號放大采用放大器類型主要有測量放大器、增益放大器、隔離放大器等。69

4.4.1信號放大1.測量放大器

測量放大器又稱儀表放大器，是一種具有精密差動電壓增益的放大器件。由于其具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、低溫漂、高共模抑制能力、低失調電壓、高穩定增益等諸多特點，主要用于微弱信號檢測中的前置放大器。70

4.4.1信號放大工作原理:下圖為二級運算放大器組成的測量放大器原理圖。該放大器由三個運算放大器構成的兩級電路，第一級由兩個同相放大器構成，具有極高的輸入阻抗；第二級是普通的差動減法放大器，將雙端輸入信號轉換為對地的單端輸出。外接電阻Rg不影響電路的共模抑制比，卻可以很方便調節差模電壓的放大倍數。放大器的共模抑制比只與A1、A2的一致性和4個電阻R的一致性有關，該放大器的放大倍數為71

4.4.1信號放大圖4-34測量放大器原理圖72

4.4.1信號放大測量放大器芯片:用于測量放大的芯片較多，其中AD522是高精度單片集成測量放大器，它可用在惡劣環境下要求進行高精度數據采集的場合，非線性度僅為0.005%（G＝100時），在0.1Hz～100Hz頻帶內的噪聲峰值為1.5mV，其共模抑制比大于100dB（G＝l00時）。73

4.4.1信號放大圖4-35AD522引腳圖圖4-36AD522連接方式74

4.4.1信號放大2.增益放大器

在多通道數據采集系統中，為了節約費用，多種傳感器共用一個放大器。當切換通道時，必須迅速調整放大器的增益，稱增益調控放大器。增益調控放大器分為自動增益放大器和程控增益放大器兩大類。75

4.4.1信號放大自動增益放大器:它先對信號作試探放大，將放大信號送至ADC，使其轉換成數字信號，再經邏輯電路判斷，送至譯碼驅動裝置，用以調整使其轉換成數字信號，再經邏輯電路判斷，送至譯碼驅動裝置，用以調整放大器的增益。這種方法工作速度較慢，不適于高速系統。程控增益放大器：程控增益放大器是智能儀器儀表常用的部件之一，在許多實際應用中，特別是在通用測量儀器中，為了在整個測量范圍內獲取合適的分辨率，常采用可變增益放大器。在智能儀器中，可變增益放大器的增益由儀器內置計算機的程序控制，這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。76

4.4.1信號放大圖4-37自動增益放大器圖4-38程控增益放大器77

4.4.1信號放大3.隔離放大器

隔離放大器的作用是對模擬信號進行隔離，并按照一定的比例放大。隔離放大器可應用于高共模電壓環境下的小信號測量，對被測對象和數據采集系統予以隔離，從而提高共模抑制比，同時保護電子儀器設備和人身安全。它可以對電壓、電流、頻率、脈沖、正弦波、方波、轉速等各種信號進行變送、轉換、隔離、放大，滿足遠程數據采集的需求。隔離放大器按耦合方式的不同，可以分為變壓器耦合、電容耦合和光電耦合三種。78

4.4.2濾波處理

在傳感器的輸入信號中一般都含有各種干擾信號，它們來自被測信號本身或者外界的干擾。濾波就是對信號中特定的波段頻率進行濾除，是抑制和防止干擾的一項重要措施。按工作原理不同，濾波可分為模擬濾波和數字濾波兩種類型。79

4.4.2濾波處理1.模擬濾波

模擬濾波是對模擬信號進行濾波，用來模擬濾波的電路或器件稱之為濾波器，其功能是允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過。按所采用的元器件不同分為無源和有源濾波器。濾波器按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器五種類型。80

4.4.2濾波處理2.數字濾波

數字濾波就是通過一定算法的程序計算或判斷來剔除或減少干擾信號成分，提高信噪比。它與硬件RC濾波器相比具有以下優點：數字濾波是用軟件程序實現的，不需要增加任何硬件設備，也不存在阻抗匹配問題，可以多個通道共用，不但節約投資，還可提高可靠性、穩定性；可以對頻率很低的信號實現濾波，而模擬RC濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太低；81

4.4.2濾波處理下面介紹幾種常用的數字濾波方法算術平均值法：算術平均值法是尋找一個值

，使該值與各采樣值間誤差的平方和為最小；中值濾波法：中值濾波法就是對某一個被測量對象連續采樣n次（一般取奇數），然后把n個采樣值從小到大或從大到小排序，再取中間值作為本次采樣的結果，對緩慢變化的過程有效果，不宜用于快速變化的過程參數。82

4.4.2濾波處理下面介紹幾種常用的數字濾波方法防脈沖干擾復合濾波法：防脈沖干擾復合濾波法是將算術平均值法和中值濾波法結合起來，它先采用中值濾波原理濾除由于脈沖干擾引起誤差的采樣值，然后再把剩下的采樣值進行算術平均。兼顧了算術平均值法和中值濾波的優點，當采樣點數為3時，它便是中值濾波法；慣性濾波法：慣性濾波法是一種以數字形式實現低通濾波的動態濾波方法。與一階低通RC模擬濾波器相比，能很好實現對低頻干擾進行濾波。83

4.4.3調制與解調

有些傳感器在使用中，由于傳感器信號微弱，在傳輸過程中容易受到內外部電磁場干擾，或者與雜波、諧波信號混合在一起，因此信號在傳輸中會發生失真、丟失、難以分辨等情況。為了提高傳感器抗干擾能力和傳輸質量，采用方法是在輸送端對傳感器的信號進行調制，把它轉換成一個由高頻交流或脈沖信號攜帶的合成信號。84

4.4.3調制與解調1.信號調制

調制的目的是把要傳輸的傳感器模擬信號或數字信號變換成適合信道傳輸的信號，即把傳感器信號轉變為一個相對傳感器信號頻率非常高的帶通信號，該信號稱為已調信號，而傳感器的信號稱為調制信號。調制可以通過調節高頻載波的幅度、相位或者頻率隨著傳感器信號的幅值變化來實現，因此調制也分為調頻、調幅、調相三種方式。按傳感器的信號類型，調制可分為數字信號調制和模擬信號調制。按載波信號不同可分為正弦波調制、脈沖波調制等。85

4.4.3調制與解調(a)時域(b)頻域圖4-41模擬信號的調幅調制原理86

4.4.3調制與解調圖4-42模擬信號的調幅調制電路87

4.4.3調制與解調圖4-43數字信號調制方式88

4.4.3調制與解調2.信號解調

解調是從攜帶傳感器信號的調制信號中分離出傳感器信號的過程。解調是調制的逆過程，解調方法與調制方法有關。根據調制的方式不同解調可分為正弦波解調和脈沖波解調。正弦波解調還可再分為幅度解調、頻率解調和相位解調，脈沖波解調也可分為脈沖幅度解調、脈沖相位解調、脈沖寬度解調和脈沖編碼解調等。89

4.4.4非線性補償處理

很多檢測元件如熱敏電阻、光敏管、應變片等具有不同程度的非線性特性，這使得較大范圍的動態檢測存在著很大的誤差。為了進行非線性補償，