传感器信号处理技术
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什么是传感器技术
什么是传感器技术随着科技的不断发展，传感器技术在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
无论是智能手机的加速度传感器，还是汽车中的车载传感器，它们都能够感知周围环境的变化，并将这些信息转化为可被人们使用的数据。
传感器技术作为一种高科技的创新，它的重要性不言而喻。
本文将探讨传感器技术的定义、应用和未来发展趋势。
传感器技术是一种能够感知环境的设备或装置，它能够将物理量转化为电信号。
从更广义的角度来说，传感器技术包括了感知、感测和感知处理的能力。
传感器通常由感知元件、信号处理电路和输出装置组成。
感知元件是传感器的核心部分，用于感知周围环境的物理信息。
常见的感知元件包括温度传感器、湿度传感器、光电传感器等。
信号处理电路则负责将感知元件采集到的模拟信号转化为数字信号，并进行处理和分析。
输出装置通常是指将处理后的数据以可视化或可输出的形式展示给人们观察和使用。
传感器技术的应用领域非常广泛。
在工业领域，传感器技术被广泛应用于自动化生产线、机器人等设备中，以实现精确的检测和控制。
在交通运输领域，传感器技术被应用于汽车、飞机等交通工具中，以提供精确的导航和安全监测。
在医疗领域，传感器技术被应用于医疗设备中，如心率传感器、血压传感器等，以辅助医生进行诊断和监测患者的健康状况。
在智能家居领域，传感器技术被应用于智能家电中，如智能门锁、温湿度传感器等，以提升生活品质和便利程度。
随着技术的进步和应用的推广，传感器技术也在不断发展和完善。
一方面，传感器的小型化和低功耗化成为了当前的研究和发展热点。
现代传感器不再是笨重的设备，而是越来越小巧精密。
其原因在于，随着电子元件尺寸的不断缩小，传感器也能够更好地融入到微型化的电子设备中。
另一方面，传感器的智能化和多功能化也是未来的发展方向。
传感器能够通过集成处理器和算法实现自主的决策和行动，使其在智能化应用、物联网和人工智能等领域具有更为广泛和深远的应用前景。
然而，传感器技术也面临着一些挑战和问题。
2024版《智能传感器》PPT课件
数据融合与校准策略
多传感器数据融合
将来自多个传感器的数据进行融 合处理，以提高测量精度和可靠 性。常用的数据融合方法包括加
权平均、卡尔曼滤波等。
传感器校准
对传感器的输出进行校准，以消除 传感器本身的误差。常用的校准方 法包括零点校准、量程校准等。
环境因素补偿
考虑环境因素对传感器输出的影响， 如温度、湿度等，对传感器输出进 行补偿，以提高测量精度。
政策法规环境分析
政策支持
各国政府纷纷出台相关政策，支持智能传感器产业的发展，包括 财政补贴、税收优惠、研发支持等。
法规标准
为了保障智能传感器的质量和安全，各国纷纷制定相关法规和标准， 规范市场秩序，推动产业健康发展。
国际贸易环境
随着全球经济一体化的深入发展，智能传感器产业面临更加开放的 国际贸易环境，同时也面临着更加激烈的国际竞争。
网络通信实现方法
嵌入式系统网络通信实现
通过嵌入式系统中的网络接口模块 和相应的网络通信协议栈实现智能
传感器之间的网络通信。
自定义网络通信实现
借助物联网平台提供的网络通信功 能，实现智能传感器与物联网平台
之间的数据交互和远程控制。
物联网平台网络通信实现
通过云平台提供的API接口和网络 通信服务，实现智能传感器与云平 台之间的数据交互和协同处理。
《智能传感器》PPT课件
contents
目录
• 智能传感器概述 • 智能传感器工作原理与分类 • 智能传感器信号处理技术 • 智能传感器接口电路设计与实践 • 智能传感器网络通信协议及实现 • 智能传感器性能指标评估方法 • 智能传感器应用案例分析 • 智能传感器未来发展趋势预测
01
智能传感器概述
传感器ppt课件
汽车电子
总结词
传感器在汽车电子中发挥重要作用，提高车 辆安全性能和驾驶体验。
详细描述
现代汽车中，传感器被广泛应用于发动机控 制、底盘控制、车身控制等系统中。通过使 用传感器，车辆可以实现燃油喷射、点火时 刻控制、刹车防抱死等复杂的功能。同时， 传感器还为驾驶者提供诸如车速、转速、水 温等实时信息，帮助驾驶者更好地掌握车辆
将传感器输出的信号通过数据采集系统进行 采集，并将其转换为计算机能够处理的数字 信号。
数据处理
采集到的数字信号需要进行数据处理，包括 数据分析和处理、数据存储和检索等，以便 得到有用的信息和结果。
04
传感器在自动化中的应用
工业自动化
要点一
总结词
传感器在工业自动化中应用广泛，提高生产效率和产品质 量。
05
传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
纳米材料
随着纳米材料的发展，传感器正朝着纳米级精度和灵 敏度的方向发展，提高传感器的响应速度和准确性。
新型传感器材料
新型传感器材料如碳纳米管、石墨烯等具有优异的物理 、化学性能，为传感器设计提供了更多的选择和可能性 。
智能化与微型化趋势
智能化
智能化传感器能够通过算法和数据处理技术对感知数据进行处理、分析和解释，提高传感器输出的准确性和可靠 性。
压电式传感器
总结词
高精度、响应快、适合动态测量
详细描述
压电式传感器利用压电效应原理，通过检测压电材料的电压变化来检测物理量，如压力、加速度等。 由于其具有高精度、响应快、适合动态测量等优点，因此在振动、冲击、噪声等测量领域得到广泛应 用。
磁性传感器
总结词
高灵敏度、宽测量范围、易于实现小型化和集成化
传感器接口电路与信号处理课件 (一)
传感器接口电路与信号处理课件 (一)传感器接口电路与信号处理是电子工程领域的一个重要分支，具有广泛的应用价值。
为了更好地开展这方面的工作，学习相关的课程显得尤为重要。
本文将从以下几个方面介绍传感器接口电路与信号处理课程的相关知识。
一、什么是传感器接口电路和信号处理？传感器接口电路是为了将传感器的输出信号转换为数字量而设计的电路。
信号处理是将已经转换为数字量的信号通过滤波、放大、调理等方式得到我们所需要的结果。
因此，传感器接口电路和信号处理在实际应用中有着不可替代的作用。
二、为什么需要学习传感器接口电路和信号处理？学习传感器接口电路和信号处理是为了更好地理解传感器的工作原理和输出信号类型。
同时，这也是为进一步深入学习数字信号处理、嵌入式系统等领域打下坚实的基础。
三、传感器接口电路和信号处理的基本知识传感器接口电路的设计通常需要考虑以下几个因素：1、信号变换电路。
将传感器的模拟信号转换为数字量需要采用合适的变换电路，例如运算放大器、差分放大器、ADC等。
2、信号滤波电路。
对于传感器输出信号中的噪声和干扰需要进行滤波处理。
常见的滤波器包括低通、高通、带通、带阻等。
3、信号放大电路。
对于传感器输出电压信号过小需要进行放大处理，以达到适当的量程范围。
信号处理的主要内容包括以下几个方面：1、数字滤波。
数字滤波可以通过FIR、IIR等算法实现，能够对信号进行复杂的滤波处理。
2、信号放大。
信号放大可以采用运算放大器等电路实现，可以对信号进行微小的放大操作。
3、信号采样。
数字信号是通过将模拟信号进行采样得到的，采样的频率和采样精度会影响到数字信号的质量和准确度。
四、如何进行传感器接口电路和信号处理的设计？进行传感器接口电路和信号处理的设计时需要考虑以下几个步骤：1、确定传感器的工作原理和输出电压范围。
2、设计适当的变换电路，将模拟信号转换为数字量。
3、设计滤波电路、放大电路等，对数字信号进行处理和优化。
4、采用单片机等系统，对数字信号进行处理和控制。
无线传感器网络如何应对信号干扰问题
无线传感器网络如何应对信号干扰问题随着科技的不断进步，无线传感器网络在各个领域的应用日益广泛。
然而，信号干扰问题也随之而来，给网络的正常运行带来了一定的困扰。
本文将探讨无线传感器网络如何应对信号干扰问题，并提出一些解决方案。
一、信号干扰的原因及影响信号干扰是指无线传感器网络中，由于其他设备或信号源的存在，导致网络中的信号传输受到干扰或损失的现象。
信号干扰的原因有很多，例如其他无线设备的频率冲突、电磁波的干扰、多径效应等。
信号干扰会导致网络中的数据传输错误、延迟增加、能耗增加等问题，严重影响网络的性能和可靠性。
二、物理层方面的解决方案在物理层，我们可以采取一些措施来减少信号干扰。
首先，通过频率规划来避免频率冲突。
无线传感器网络中的设备通常会占用一定的频段进行通信，合理规划频率使用，避免频率冲突，可以减少信号干扰的发生。
其次，采用天线技术来提高信号的传输效果。
通过优化天线的设计和布局，可以提高信号的接收和发送效果，减少信号干扰的影响。
此外，还可以采用调制解调技术和编码解码技术等方法来提高信号的抗干扰能力。
三、网络层方面的解决方案在网络层，我们可以采取一些策略来应对信号干扰。
首先，采用分组转发技术来提高网络的健壮性。
分组转发技术可以将数据分成多个小包进行传输，当某个包受到干扰时，只需要重新发送该包，而不需要重新发送整个数据，从而减少了干扰对网络的影响。
其次，采用路由选择算法来优化网络的传输路径。
通过选择合适的传输路径，可以减少信号干扰的传播，提高网络的可靠性和性能。
另外，还可以采用多路径传输技术和网络编码技术等方法来提高网络的抗干扰能力。
四、应用层方面的解决方案在应用层，我们可以采取一些策略来应对信号干扰。
首先，采用信号处理技术来提高数据的可靠性。
信号处理技术可以通过滤波、降噪等方法，减少干扰对信号的影响，提高数据的可靠性和准确性。
其次，采用数据压缩和聚合技术来减少数据传输量。
通过对数据进行压缩和聚合，可以减少数据传输的次数，降低信号干扰的发生概率。
常用传感器和信号处理
在稳态工作情况下，当输入量变化△x时，传感器的输出 量变化△y，则把△y与△x之比称为灵敏度，用符号S表示。 传感器的静态特性如图2-3所示。
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。
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。
传感器原理与技术
传感器原理与技术
传感器是一种能够将物理量转化为电信号的设备或装置，它通过感知和测量外部环境中的物理量来实现对环境变化的监测和控制。
传感器的原理和技术主要包括以下几个方面：
1. 效应原理：传感器工作的基础是利用物理效应来感知环境中的物理量。
常见的效应原理有电阻效应、电磁感应效应、热敏效应、压阻效应等。
不同的物理效应适用于不同的传感器类型。
2. 传感器结构：传感器的结构设计是根据传感器的工作原理和测量要求来确定的。
常见的结构包括电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等。
不同的结构对于不同的物理量有不同的灵敏度和测量范围。
3. 传感器信号处理：传感器输出的是模拟信号，为了能够更好地应用于各种控制系统中，一般需要对信号进行放大、滤波和线性化等处理。
常见的信号处理技术包括运算放大器、滤波器、模数转换器等。
4. 传感器应用：传感器的应用领域非常广泛，例如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光学传感器、位移传感器等。
不同的应用领域对于传感器的要求也不同，需要根据具体需求选择适合的传感器。
总之，传感器原理和技术是实现传感器功能和性能的基础，通过对物理效应的利用、传感器结构的设计、信号处理的方法以及应用的选择，可以实现高精度、高灵敏度的环境监测和控制。
传感器的小信号处理_姜思明
图 1-1
则首先应将该信号电压放大，放大到能满足 A/D 转换输入的要求，经过 A/D 转换后送入单片机。 也可以放大到能满足 V/F 转换要求的输入电 压，通过 V/F 转换变化频率量送入单片机，但由 于频率测量响应速度慢，多用于一些非快速过 程参量的测量。
1.2 对于小信号电流，通过 I/V 变换后，可 再经放大器将电压放大至 A/D、V/F 转换所要求 的电压值。最简单的 I/V 转换器就是一个精密电 阻，当信号电流流过精密电阻时，其电压降与流 过的电流大小成正比，从精密电阻两端取出的 电压就是 I/V 变换后的电压信号。
1.1 如果传感器输出的是小信号模拟电压，
换 成 TTL 电 平 方 波信号后再送入 单片机 的 I/O 口 、 扩展 I/O 口或中断 入口。
2 前向通道 与被测对象靠近， 而且传感器常常 输出是小信号，因 此，前向通道是干 扰侵袭的主要渠 道。电源配置时要充分考虑到干扰的隔离与抑 制。一般前向通道配置的电源具有以下特点：
信息技术
中国新技术新产品 2009 NO.11
China New Technologies and Products
传感器的小信号处理
姜思明 （哈尔滨海格通江敏感技术有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150078）
摘 要：由于传感器常常是模拟量输出、微弱信号输出，转换成计算机要求的信号电平时，须要籍助一些模拟电路技术。 关 键 词 ：传感器；小信号；信号处理
4.1 测量放大器具有高输入阻抗，低失调电 压及温度漂移系数和稳定的放大倍数、低输出 阻抗，故在前向通道的小信号放大中得到广泛 应用。
4.2 在单片机应用系统中经常会遇到一个 棘手的问题：即在恶劣的环境下远距离可靠地 传送微小信号。小信号双线变送器较好地解决 了这个问题，它把现场的微小信号转换成标准 的 4mA 到 20mA 的标准电流输出，然后通过一 对双绞线发送到应用系统输入接口上。
传感器和几种信号的处理
传感器和几种信号的处理
2. 传感器的分类
常见的传感器分类方法有三种：
按传感器检测的物理量分类 按传感器工作原理分类 按传感器输出信号的性质分类
传感器和几种信号的处理
按传感器所检测的物理量分类有：
位移、角度、转速、温度、压力、流量、物 位、气体成份、电量等传感器。
传感器和几种信号的处理
按传感器工作原理分类 ：
传感器和几种信号的处理
也可将几对光电藕合器封装在一起,如： TIP521-4
传感器和几种信号的处理
有些光电藕合器采用了两个反向并联的 发光二极管,可以支持交流输入，如： TPL320
传感器和几种信号的处理
有些光电藕合器中的光敏三极管基极引 出在外,可通过设置偏置来改善线性、调 整电流传输率CTR等,相应的型号有 4N25/4N28
在开关或继电器闭合与断开时,还存在抖 动问题,它是由于机械触点的弹性作用所 致。解决这类问题的方法很多，常用RC 吸收电路或双稳态电路消除
传感器和几种信号的处理
7.2.2 隔离技术
现场开关与计算机输入接口之间,一般有较长 传输线路,这就容易引入干扰。 为提高系统可靠性,输入端常采用具有安全保 护和抗干扰双重作用的隔离技术。 隔离双方无直接电路联系,各自用独立电源和 公共接地端。 常见的隔离技术有：
敏感元件是能够灵敏地感受被测变量，并作出响应 的元件。
传感器和几种信号的处理
例如
弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变， 形变程度就是对压力高低的响应，因此, 弹性膜盒是一种压力敏感元件。 铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值， 阻值的变化就是对温度升降的响应，所 以铂电阻就是一种温度敏感元件。
传感器和几种信号的处理
传感器和几种信号的处理
2. 传感器的分类
常见的传感器分类方法有三种：
按传感器检测的物理量分类 按传感器工作原理分类 按传感器输出信号的性质分类
传感器和几种信号的处理
按传感器所检测的物理量分类有：
位移、角度、转速、温度、压力、流量、物 位、气体成份、电量等传感器。
传感器和几种信号的处理
按传感器工作原理分类 ：
传感器和几种信号的处理
也可将几对光电藕合器封装在一起,如： TIP521-4
传感器和几种信号的处理
有些光电藕合器采用了两个反向并联的 发光二极管,可以支持交流输入，如： TPL320
传感器和几种信号的处理
有些光电藕合器中的光敏三极管基极引 出在外,可通过设置偏置来改善线性、调 整电流传输率CTR等,相应的型号有 4N25/4N28
在开关或继电器闭合与断开时,还存在抖 动问题,它是由于机械触点的弹性作用所 致。解决这类问题的方法很多，常用RC 吸收电路或双稳态电路消除
传感器和几种信号的处理
7.2.2 隔离技术
现场开关与计算机输入接口之间,一般有较长 传输线路,这就容易引入干扰。 为提高系统可靠性,输入端常采用具有安全保 护和抗干扰双重作用的隔离技术。 隔离双方无直接电路联系,各自用独立电源和 公共接地端。 常见的隔离技术有：
敏感元件是能够灵敏地感受被测变量，并作出响应 的元件。
传感器和几种信号的处理
例如
弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变， 形变程度就是对压力高低的响应，因此, 弹性膜盒是一种压力敏感元件。 铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值， 阻值的变化就是对温度升降的响应，所 以铂电阻就是一种温度敏感元件。
传感器和几种信号的处理
传感器和几种信号的处理
《传感器的数据处理》课件
《传感器的数据处理》 PPT课件
传感器是一种可以将非电信号（如光、磁、等）转换成电信号的装置，广泛 应用于各个行业。本课程将介绍传感器数据处理的方法，其重要性及未来发感器的定义和作用
传感器是一种可以转换非电信号成电信号的装置，广泛应用于各个行业。
传感器数据的特点
传感器数据具有高噪声、信号弱、采样周期长、数据量大等特点。
结论
传感器数据处理的重要性
传感器数据处理可以提高数据质量和可用性， 提升实际应用的效果和效率。
未来发展前景
传感器技术将会在更多领域中得到应用，创 造新的商业模式和价值链，拓展新的市场空 间。
参考文献
• 谢希仁，《数据挖掘与知识发现》 • 王乐阳，《数字信号处理》 • 刘洋，《全球最新传感器市场发展趋势及投资分析报告》
生活领域应用案例
物联网、智能家居、可穿戴设备等，传感器数据 处理可以提升用户体验和安全性。
未来发展趋势
1 智能传感器的发展
随着人工智能、5G技术等的发展，传感器将变得更加智能化、高效化、可靠化。
2 数据挖掘技术在传感器数据处理中的应用
数据挖掘技术可以挖掘传感器数据中的隐含信息，提高数据价值和可用性。
传感器数据处理的定义和意义
传感器数据处理是指将原始传感器数据转换成更加可用和易懂的数据，以更好地满足实际应 用需求。
传感器数据处理的方法
1
数字滤波
通过对原始数据进行滤波，消除数据的噪声和干扰，提高数据质量和可用性。
2
信号增强
通过降噪、补偿等手段提高传感器信号的强度，优化信号质量和准确度。
3
数据去噪
将原始数据中的异常点、噪声点去除，从而提高数据的真实性和可靠性。
4
数据压缩
传感器是一种可以将非电信号（如光、磁、等）转换成电信号的装置，广泛 应用于各个行业。本课程将介绍传感器数据处理的方法，其重要性及未来发感器的定义和作用
传感器是一种可以转换非电信号成电信号的装置，广泛应用于各个行业。
传感器数据的特点
传感器数据具有高噪声、信号弱、采样周期长、数据量大等特点。
结论
传感器数据处理的重要性
传感器数据处理可以提高数据质量和可用性， 提升实际应用的效果和效率。
未来发展前景
传感器技术将会在更多领域中得到应用，创 造新的商业模式和价值链，拓展新的市场空 间。
参考文献
• 谢希仁，《数据挖掘与知识发现》 • 王乐阳，《数字信号处理》 • 刘洋，《全球最新传感器市场发展趋势及投资分析报告》
生活领域应用案例
物联网、智能家居、可穿戴设备等，传感器数据 处理可以提升用户体验和安全性。
未来发展趋势
1 智能传感器的发展
随着人工智能、5G技术等的发展，传感器将变得更加智能化、高效化、可靠化。
2 数据挖掘技术在传感器数据处理中的应用
数据挖掘技术可以挖掘传感器数据中的隐含信息，提高数据价值和可用性。
传感器数据处理的定义和意义
传感器数据处理是指将原始传感器数据转换成更加可用和易懂的数据，以更好地满足实际应 用需求。
传感器数据处理的方法
1
数字滤波
通过对原始数据进行滤波，消除数据的噪声和干扰，提高数据质量和可用性。
2
信号增强
通过降噪、补偿等手段提高传感器信号的强度，优化信号质量和准确度。
3
数据去噪
将原始数据中的异常点、噪声点去除，从而提高数据的真实性和可靠性。
4
数据压缩
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生物机电
电桥与电桥的电源
（2）工作方式
直流电桥
a.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量， a.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个 单臂工作 臂采用固定电阻； 臂采用固定电阻； b.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量， b.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固 双臂工作 定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式； 定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式； c.全桥方式： c.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形 全桥方式 式。全桥形式灵敏度最高，结构最复杂，要综合考虑选 全桥形式灵敏度最高，结构最复杂， 择。
z3 z2 z4 z1z3 z2 V0 = VBC VDC = E E = E[ ] z1 + z2 z3 + z4 ( z1 + z2 )( z3 + z4 )
桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。 桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初 始值并未发生变化时希望电桥输出为0 始值并未发生变化时希望电桥输出为0。
－US
UR
10 F 10 F
＋US
1 14 RG 2 3
5
9
地
8
采采
4 13 10 k 6 11
12 7
并输
并并地 并数数数
基 准
RL
生物机电
传感器信号放大电路
利用改变反馈电阻的办法来实现量 程变换的可变换增益放大器电路。 程变换的可变换增益放大器电路。当开关 S1闭合 和S3断开时 放大倍数为 闭合,S2和 断开时 断开时,放大倍数为 闭合
生物机电
传感器信号放大电路
隔离放大器
284型隔离放大器的电路结构图 型隔离放大器的电路结构图
生物机电
任务三 分析信号滤波电路
1. 什么是滤波 通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。 通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。 由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值， 由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信 号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰， 号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰， 我们就要对传感器获得的信号进行滤波。 我们就要对传感器获得的信号进行滤波。 滤波的实质：信号的频率选择。 滤波的实质：信号的频率选择。 滤波器：完成滤波功能的装置。 滤波器：完成滤波功能的装置。 当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过， 当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他 频率成分的信号受到衰减或抑制。 频率成分的信号受到衰减或抑制。
生物机电
电桥与电桥的电源
交流电桥
（1）平衡条件 设交流电桥的电源电压为
u = U m sin t
，式中， 式中，
Um为电源电压的幅值； 为电源电压的角频率，ω=2πf； Um为电源电压的幅值；ω为电源电压的角频率，ω=2πf； 为电源电压的幅值 f为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的5--10倍。 为电源电压的频率，一般取被测量最高频率的5--10倍 10 输出电压可用下式表示： 输出电压可用下式表示：
U CA
R2 = U R1 + R2
生物机电
电桥与电桥的电源
直流电桥
b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时， b.电压输出型：当电桥输出端接有放大器时，由于放 电压输出型 大器的输入阻抗很高， 大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻 为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。 为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即 为电桥输出端的开路电压， 为电桥输出端的开路电压，其表达式为
生物机电
电桥与电桥的电源
2. 电桥的平衡条件
z2z4-z1z3=0
或者： 或者：
—— 称之为电桥平衡条件 —— 即对边乘积相等
z2z4=z1z3
若为复阻抗
zi = zi
ji
平衡条件可改写为：
z2z4=z1z3
—— 模平衡条件 —— 相位平衡条件
2 + 4 = 1 + 3
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电桥与电桥的电源
传感器信号放大电路
U＋
测量放大器
AD522主要可用于恶劣 主要可用于恶劣 环境下要求进行高精度数据采
8 ＋U
i
1 14 RG 2 3 6
10 k 4 5 AD 522 9 13 地 基准 18 7 11 输出
集的场合。由于AD522具有低 集的场合。由于 具有低 电压漂移(2V/℃)、低非线性 ℃、 电压漂移 (0.005％，增益为100时)、高 ％，增益为 ％，增益为 时、 共模抑制比(>110 dB,增益为 共模抑制比 增益为 1000时)、 低噪声 时 、 低噪声(1.5 V（P（ P）,0.1～100 Hz)、低失调电 ） ～ 、 等特点,因而可用于许 压(100 V)等特点 因而可用于许 等特点 位数据采集系统中。 多12位数据采集系统中。左图 位数据采集系统中 的典型接法。 为AD522的典型接法。 的典型接法
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传感器信号放大电路
测量放大器
图中三个运放组成的测量放大
U1
＋ －
A1 Rf1
Uo1
R
RL
差动输入端U 器,差动输入端 1和U 2分别是两个 差动输入端
Uo
－
运算放大器(A 运算放大器 1、A2)的同相输入 的同相输入 因此输入阻抗很高。 端,因此输入阻抗很高。采用对称 因此输入阻抗很高 电路结构,而且被测信号直接加入 电路结构 而且被测信号直接加入 到输入端上,从而保证了较强的抑 到输入端上 从而保证了较强的抑
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传感器信号放大电路
过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。 过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。
U
程控增益放大器
AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器, AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器,通 测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器
D0 D1
8 1 11 2 3 5
对于全桥等臂输出R1=R2=R3=R4=R R1的 对于全桥等臂输出R1=R2=R3=R4=R ，当R1的 电阻增量ΔR1=ΔR时 电阻增量ΔR1=ΔR时，可得输出电压为 ΔR1=ΔR
U U 0 = 4 4
R R = U R R
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电桥与电桥的电源
交流电桥
交流电桥通常是采 用正弦交流电压供电， 正弦交流电压供电， 供电 在频率较高的情况下需 要考虑分布电感和分布 电容的影响， 电容的影响，主要用于 随时间变化的被测量。 随时间变化的被测量。 如右图。 如右图。
U0 = Z1 Z 3 Z 2 Z 4 Z1 Z 3 Z 2 Z 4 U= U m sin t ( Z 1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 ) ( Z 1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 )
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任务二 分析传感器信号放大电路
测量放大器
在许多检测技术的应用场合， 在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号 比较弱，而且其中还包括了工频、 比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等 共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很 共模干扰， 好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗， 好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗， 习惯上将具有这样特点的放大器称为测量放大器或仪 用放大器。 用放大器。
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传感器信号放大电路
隔离放大器
284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精 284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精 度,减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输 减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、 出和电源三个彼此相互隔离的部分, 出和电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变 压器耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入 压器耦合在一起。通过变压器的耦合, 电路并将信号从输出电路送出。 电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置 放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器,一般在 放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器, 滤波器后还有缓冲放大器。 滤波器后还有缓冲放大器。
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电桥与电桥的电源
直流电桥
（3）输出方式 电桥的输出方式根据负载情况有电流型 电压型两种 电流型和 电桥的输出方式根据负载情况有电流型和电压型两种 a.电流输出型： 当电桥的输出信号较大， a.电流输出型： 当电桥的输出信号较大，输出端又接入电 电流输出型 阻值较小的负载时，如下图所示，可得： 阻值较小的负载时，如下图所示，可得：
直流电桥：当电桥的电源为直流。 直流电桥：当电桥的电源为直流。直 流电桥的桥臂只能是电阻。 流电桥的桥臂只能是电阻。 如右图所示为最常用的电阻电桥， 如右图所示为最常用的电阻电桥， 有四个电阻组成桥臂， 有四个电阻组成桥臂，一个对角接电 源，另一个作为输出。 另一个作为输出。 （1）桥路形式
直流电桥
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主要内容
任务一 分析电桥与电桥电源 任务二 分析传感器信号放大电路 任务三 分析信号滤波电路 任务四 分析信号转换电路
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分析电桥与电桥的电源 任务一 分析电桥与电桥的电源
一. 阻抗电桥的构成及平衡条件
构成：如图所示， 1. 构成：如图所示，由四个阻抗 构成四个桥臂。 接入电源E 构成四个桥臂。A和C接入电源E， 端为输出端。 B和D端为输出端。 输出电压: 输出电压:
R 10 13 12 7 Uo
4052
AD 521 6 4
U-
AD521和模拟开关构成的程控增益放大器 和模拟开关构成的程控增益放大器
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传感器信号放大电路
隔离放大器
由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、 由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、 输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： 输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： 能保护系统元件不受高共模电压的损害, （1） 能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压 对低压信号系统的损坏。 对低压信号系统的损坏。 泄漏电流低, （2） 泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏 流返回通路。 流返回通路。 共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流) （3） 共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流) 进行准确、安全的测量。 进行准确、安全的测量。