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传感器的信号调理
信号调理(signal conditioning)：
对信号进行操作，将其转换成适合后续测控单元接口的信号。
重要性：
实现传感器的灵敏度、线性度、输出阻抗、失调、漂移、时延等性能参数的关键环节。
所涉及的信号：
模拟信号、数字信号。相应电路有模拟电路和数字电路，以模拟电路居多。
常用电路：
包括放大、调整、电桥、信号变换、电气隔离、阻抗变换、调制解调、线性化和滤波等电路以及激励传感器的驱动电路，常称为传感器电路。
对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标）适合于转换为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号的预处理，(3)去除无用信号。
1.信号调理电路的设计原则
1.1 保证传感器的性能指标
传感器电路应具有准确度 (精度) 高、反应快、可调
性、可靠性和经济性强等特点。
(1) 准确度(精度)
具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参
数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：
①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求
②低漂移、高稳定性
③有合适的通频带：不失真
④线性
⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配
(2)响应速度
实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较
高的响应速度。
(3)可调整性
能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路
的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时
希望电路有简单的数据处理功能。
(4)可靠性
传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠
性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情
况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结
构是提高可靠性的有效办法。
(5)经济性
在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合
理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。
另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。
1.2 根据传感器输出参量类型进行信号转换
(1) 电阻型
敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器
的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片。
电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电
桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变
化转换成频率。
(2) 电容型
传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容
式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。
电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压
或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。
(3) 电感型
传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电
感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。
电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处
理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或
电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。
(4) 互感型
传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动
变压器式传感器，电涡流式传感器等。
电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处
理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转
换为电压、电流或频率变化。
(5) 电压 (电势) 型
传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。
如热电偶，光电池；霍尔元件等。
电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或
电流变化。
(6) 电流型
传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏
二极管等。
电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变
换成较强的电压或电流。
(7) 电荷型
传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。
如压电式传感器，红外热释电元件等。
电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输
出，这种电路通常称之为电荷放大器。
(8) 脉冲 (数字) 型
传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出
的数字信号分三类：
① 增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化
周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的
增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。
② 绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如
码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝
对码。绝对码信号抗干扰能力很强。
③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一
位编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。
电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换
所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相
应的数字信号。
1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配
敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。
(1) 高输出阻抗型
敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其
输出阻抗高达108Ω以上。
电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和
放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变
换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输
入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和
抗干扰能力。
(2) 低输出阻抗型
传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。
后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的
电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力
等方面考虑较多。
1.4 传感器电路的设计方法
设计方法因人而异，有各种具体的实施路径。通常
的设计方法和内容如下：
(1)提出设计任务
根据传感器类型及输出特性、后续电路输入要求和使用
环境等，提出和确定传感器电路需实现的功能和应达到
的技术指标，如信号变换功能、放大倍数、准确度、动
特性、稳定性和可靠性等定量技术指标。
(2) 确定电路结构形式
根据对电路性能指标的要求确定电路的结构形式，如单
端输入或差动输入等。设计时，一般先确定主电路部
分，再确定附加功能电路，画出方框图，再具体设计各
方框图中的具体内容。
(3) 误差分配
根据电路总准确度，对电路各部分进行误差分配的原则：
按实现准确度高低难易程度和成本分配，易实现准确度高
的部分，误差分配得小；难实现或能实现准确度高但使成
本很高的部分，误差分配得大。误差分配之后，进行误差
综合，使其不超过总误差要求。
(4) 参数估算
完成结构设计和误差分配后，需对各组成部分进行电路参
数估算，如放大倍数、需要的元器件参数等，对元器件提
出确切的定量性能指标要求。
(5) 抗电磁和温度干扰设计
为提高电路的可靠性和稳定性，在电路中要有抗电磁干扰
措施和抗环境温度变化的措施。
(6) 选择元器件
根据电路参数估算和总体性能指标要求，选择各部分电
路的元器件包括规格型号、级别、生产厂家等。
(7) 电路组装与调试
其方法可由前向后、也可由后向前。不管哪种方法，均
应分级进行，一部分无误、工作正常后，再接一部分，
这样做便于发现问题及时纠正、以提高工作效率。
(8) 性能测试与分析
性能测试要取得足够进行统计分析的数据。性能测试的
条件要模拟实际的使用环境或进行环境例行实验 (如高
温、低温，电磁干扰、振动等)。对测试结果进行性能指
标分析并与设计指标进行比较。
(9) 电路改进
对于没有完全达到设计要求的电路，需要进行相应改
进。改进后的电路还要进行性能测试和分析，直到达
到要求为止。
(10) 工艺定型
对于已达到设计要求的电路，要设计PCB图、制作印制
电路板，在印制电路板上组装元器件，制作成可供实
际使用的电路板。
2.测量电桥
电阻式敏感元件最普通，与电路连接容易。通过测
分压测量敏感元件电阻的方法简单且动态范围大，但灵
敏度或分辨率不恒定；给被测电阻加恒流，测端电压，
再算阻值的方法灵敏度恒定，但精度相对恒压源的低。
1）基本电桥
很多情况下需用测量电桥测电阻值的微弱变化量。
基本测量电桥为惠斯通电桥。采用恒压源供电。其输出
可灵敏反映出桥臂电阻的变化量，不含初始分量，输出
电压为：
一般，uO含非线性分量，非线性误差随桥臂电阻变
化量增大而增加。若能保持电桥各支路的电流不变，则
电桥输出与桥臂电阻变化呈线性关系。
在半等臂桥(R1=R2 R3=R4)或等臂桥(R1=R2=R3=R4)
中，差动半桥（ΔR1= -ΔR2或ΔR3= -ΔR4）或差动全桥
（ΔR1= -ΔR2，ΔR3= -ΔR4）的uO不含非线性输出。
以等臂电桥为例，单臂工作时电桥输出为:
非线性误差为:
差动半桥和差动全桥的灵敏度分别是单臂桥的2倍和
4倍，也即其灵敏度与参与变化的电阻个数成正比。另
外，差动电桥的非线性为零。
恒流源电桥
电桥由恒流源供电时，相同情况下（即初始供桥电
压不变），灵敏度与恒压源电桥相同，在差动半桥与差
动全桥方式，也无非线性误差，但对单臂桥，非线性误
差降低一倍（可理解为恒流源电桥的各支路电路变化比
恒压源小，从而导致非线性误差小）。
恒流源单臂电桥的输出电压与非线性误差分别
为： 和
为减少单臂桥、非等臂桥或非差动桥的非线性，电
阻相对变化量不宜过大，即电桥灵敏度不宜过大。
电桥灵敏度:
电桥的输出电压最大预期变化与激励电压之比。
例，若UB=10V，电桥满度输出为10mV，则灵敏度为
1mV/V。典型值为1～10mV/V。
相同电桥灵敏度下，提高电桥的激励电压能提高电桥
的输出，但会增大功耗并可能引起电阻的自热误差。
电桥类型与特点：
类型：直流和交流
交流桥的特点：对传输线电容很敏感，平衡调节
难，通频带受载频限制而较窄，传输电缆不宜过长。
随IC技术发展，各种低噪声、低漂移、高精度、高
共模抑制比的运算放大器不断出现，专用信号处理模块
和高精度直流电源模块日益成熟，在测试电路中，多采
用直流桥和直流信号处理器。
直流桥的优点: 频响高，精度不亚于载频式交流
桥，不易受感应，易调平衡，传感器电缆可远比交流桥
的长。直流放大器原理上的缺点未彻底克服，需采取辅
助技术，但目前新型直流桥比交流桥得到更广的应用。
2）电桥输出的线性化处理
用基本电桥测单电阻的变化时，存在非线性误差。
若引入运放，将电桥改变如图所示，则可理论上消除电
桥的非线性误差。分析可得电桥的输出电压为：
电桥增益是普通单臂桥的两倍，
且即使ΔR值很大，输出仍呈线性。
由于输出信号很小，这种电桥通常
需后接第二个放大器。用于这个电
路中的放大器需双电源，因为放
大器必须能给出负输出。
若基本电桥中有两个变化相同的电阻，则电桥输出
的灵敏度比单臂桥增大一倍。但由于电阻变化的方向相
同，因此非线性误差也增大一倍。这时可采用图示电
路，它在理论上不存在非线性误差，电桥输出电压为：
该电路适于不能实现差动的情况。
双臂电桥的线性化电路
3）降低引线电阻对电桥的影响
一般，电阻桥正常工作时的电阻变化非常小，例如
金属应变计的电阻变化一般不到1%。若电桥引线很长，
引线阻值和温漂会给电桥带来明显误差。
（1）示例
下图为单臂350Ω应变桥，应变计Rx满量程时电阻变化
为1%即3.5Ω。应变计经30米双绞铜线接入电桥电路，组
成远地电桥。RLEAD为双绞线的电阻，若在电桥另一臂上
串一阻值为2RLEAD的电阻RC，可调节电桥初始平衡。
25℃时导线电阻为0.35Ω/米，因此，60米引线电阻为
21Ω。铜线的温度系数为0.385％/℃，
10℃温升范围内失调误差为0.8085Ω，
与Rx满量程变化量3.5Ω比，失调
误差达23%。此外，引线电阻及其
温漂还造成电桥的增益误差。
（2）电阻的三线连接法
目的：减小引线电阻对电桥输出的影响。
电桥输出电压端接高阻抗测量仪器时，接输出电压测量的
引线中基本无电流，因此该引线上的电阻不产生电压降，
即不造成误差。引线电阻对称时，电桥右边支路的每一个
桥臂所增引线电阻大小相等，不影响电桥的平衡，消除了
电桥失调误差及温漂误差，但引线的温漂仍会带来少量的
增益误差。
远地电桥的3线连接方法
（3）电桥的四线连接法
三线法适于远地放置的单臂电桥的一臂。当全桥或所有元
件均远离信号调理电路时可用下图的开尔文检测或四线检
测方法，以保证精度。
图中电桥输出uO接高阻抗放大器，引线不产生测量误
差。同时，供桥电压经运放精确调整到UB，与引线长度及
其温漂无关。因运放反相端所在支路无电流，能精确检测
到电桥电压和地电压，并用负反馈调节电桥至给定值。
需注意，图中上面一个运放的输出
电压比电桥电压UB高IBRLEAD，下面
一个运放的输出电压比地电压低
IBRLEAD。因此，图中的运放需双电
源，且共模抑制比高。
消除引线电阻误差的四线方法
（4）恒流源电桥的四线连接法
图中运放工作在负反馈条件下，电桥电压为
恒流电流精度取决于参考电压 及电阻 。
需注意：运放电源电压要高于运放输出电压2~3V左右。
电路中，运算放大器的输出电压
其中电桥的电压 。
消除引线电阻误差的恒流源电桥电路
（5）电桥测量的比率测量法
下图为利用ADC 结合比率测量法的电桥四线法，无
需精确电源电压，即可得到高测量精度。
AD7730的供压用来激励远地电桥，其模拟输入AIN和基准
输入UREF均为高阻抗，且采用差分电路。
通过电桥输出电压AIN与电桥激励电压UREF的比率，
AD7730可精确得到电桥电阻变化。电源电压误差和漂移
及引线电阻造成的电桥激励电压变化均不造成测量误差。
以单臂桥为例，在非比率方式下，测量电桥输出为
，输出电压不仅与电阻的变化量 有关，
还与电桥激励电压 有关；采用比率测量方法，得到输
出为 ，仅与电阻的变化量有关。
AD7730是具有高分辨率(24位)和内部带可编程增益放大
器(PGA)的∑-Δ型ADC，特别适于电桥应用。这种ADC
具有自校准和系统校准功能，能使由ADC引起的失调误
差和增益误差降至最小。
比率测量法
（6）交替激励
问题：下图给出了与桥式传感器应用中的直流激励和测
量相关联的一些系统误差源。电桥输出信号通常非常
小，易受热噪声、1/f噪声、寄生热偶电压及放大器失调
误差影响。
例如，普通电路布线中存在寄生热偶电压。若电路存在
热梯度，则锡铅焊料与PCB印制线之间的结点可能引入
3~4μV/℃的热偶效应。PCB的铜线和放大器的柯伐合金
引脚之间也存在热偶接点，产生高达35μV/℃的电压误
差。高分辨率数据采集系统中，这些热偶误差同放大器
失调误差和系统中的噪声一道，形成
显著直流和低频误差。交替激励是解
决问题的好办法。
如图所示交替电桥激励法能有效去除与电桥输出相
串联的失调电压。第一次测量得到uO1，它实际是电桥输
出电压uO与净失调误差电压EOS之和。将电桥激励的极性
颠倒，完成第二次测量uO2， uO2为-uO与净失调误差电压
EOS之和。uO1减uO2得2uO，失调误差项EOS被消除。
将方波用于交流激励时，由于激励信号极性在各次
测量之间轮换，能有效抵消各种直流误差。这种斩波方
案还可消除低频端(直流至数赫范围)起主要作用的1/f噪
声。
示例：利用AD7730ADC实现交替激励的应用电路。
AD7730片内包含用于实现交替激励，并给出激励切换后
的计算输出结果的全部电路。AD7730可用于秤重和压力
测量的完整模拟前端。AD7730用+5V单电源工作时能接
受直接来自传感器的低电平信号，并输出串行数据。输
入满度范围为10～80mV的单极和双极模拟信号。
利用AD7730实现交替测量的应用电路
3.信号放大电路
一般，经敏感元件转换后输出的信号不仅电平低，内
阻高，还伴有较高共模电压，因此需要进行信号放大和阻
抗变换。传感器对信号放大电路的一般要求如下：
（1）输入阻抗远大于信号源内阻。否则负载效应造成测
量误差，内阻不是常数的测量场合，所测误差无法补偿。
（2）抗共模电压干扰能力强。共模电压来源除转换信号
输出所含共模电压以外，还有环境造成的共模干扰。
（3）在频带宽度内增益稳定、线性度好，漂移和失调
小，信噪比高。
（4）便于增益调整。增益调整时放大性能不降低，以及
便于量程切换、极性自动变换等。
针对传感器信号输出特点的常用放大器：
仪用放大器，可编程增益放大器和隔离放大器。
1）仪用放大器
普通减法器是最简单且增益可设的差动放大器。但其
输入阻抗低，电阻参数的对称性调整复杂，共模抑制比难
保证，不宜用作传感器信号的差动放大。仪用放大器又称
测量放大器，是专为此应用场合设计的放大器。
仪用放大器如图所示。图中左边部分由运放A1，A2构
成对称同相放大器，右边部分由运放A3和电阻R3~R6组成
减法器。设R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，则
可见，仪用放大器增益调整仅
调Rg，不需多个电位器联动，
也不会影响电路的对称性，具
有输入阻抗高、对称性好、共
模抑制比高、增益设定调整方
便、体积小的特点。
仪用放大器
2）高共模抑制比线性放大电路
实用中，大部分传感器与测量放大电路之间有一定距
离，常用屏蔽电缆连接。信号线与屏蔽层之间存在不可忽
略的电缆分布电容，习惯上采用屏蔽层接地法，这样该电
容成为放大器输入端对地的寄生电容。再考虑到放大器本
身输入电容，若差动放大器两输入端各自对地的电容不
等，会使电路的共模抑制比变坏，测量精度下降。
为消除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响，采用等
电位屏蔽，即把电缆的屏蔽层接到与输入共模信号相等的
电位点上，也即使
电缆心线与屏蔽层
等电位。此方法称
共模电压自举法，
即有源屏蔽驱动电路
能有效克服上述缺点。
上图中A1、A2构成同相比例差动放大器，其输出通过
各自输出端的R0连接，两R0的连接点电位为uc。将uc通过
A4跟随器连到输入信号电缆屏蔽层。由电路分析可知： u01= ui1 (1+R1/Rp) -ui2R1/Rp, u02= ui1 (1+R2/Rp) -ui1R2/Rp
当 R1=R2时，uc=(uo1+uo2)/2=(ui1+ui2)/2
所以uc等于共模输入电压，也即电缆屏蔽层与共模输入
心线等电位，消除了屏蔽电缆分布电容的影响。
A3输出端还接A1、A2的电源±Ec的公共端，使电源处
于随共模电压而变的浮动状态，因而正负电源的涨落幅
度与共模输入电压大小完全相同。电源对共模电压的跟
踪使共模电压造成的影响大大削弱。这种浮动电源共模
自举式放大电路常用于电容、压阻和电感传感器等组成
的高精度系统。其共模抑制比通常在120~140dB范围。
3）可编程增益放大器
可编程增益放大器(PGA)，也称程控放大器。根据待测
模拟信号幅值大小来改变放大器的增益。它是解决宽范围
传感器信号的模拟数据采集问题的有效方法。在数据采集
系统中，对输入模拟信号一般需放大，以适合模数转换器
的电压转换范围。但是，传感器输出信号可能在很大范围
内变化，若固定增益不能兼顾不同输入信号幅度的放大
量。PGA能很好地解决此问题，实现量程的自动切换，因
而在数据采集系统中被广泛应用。
下左图电路为同相比例放大器，其增益G=(R1+R2)/R2。通
过调整反馈电阻R1、R2的比值实现增益控制。AD526是基
于此原理的典型器件，是单端输入、可编程增益放大器。
通过软件编程实现1、2、4、8、16共5种增益。该芯片采
用偏移可调的双极型-FET混合放大器和激光光刻微调的电
阻网络，增益误差小、非线性失真小、直流精度高、输入
失调电压低。其内部结构如右图所示。图中运放的反馈电
阻的比例调节由程序控制的
多路开关实现。
对于前述仪用放大器，若改变电阻Rg可改变放大倍数。
LH0084是基于此原理的器件，其内部结构如图所示。控制
信号D1D0通过控制逻辑驱动模拟开关切换运放的反馈电
阻。D1、D0的四种组合对应1，2，5，10共4种程控增益
值。另外，芯片输出级的减法器还有成对的反馈电阻可供
选择。选择不同的反馈电阻作为减法器的组成部分，可实
现减法器的增益
设置，共有1，4，
10三种状态。
LH0084电路结构
4）隔离放大器
隔离放大器能在输入与输出之间保持电气隔离的同
时，实现输出电压与输入电压的线性传输。隔离放大器符
号如图所示，其输入和输出的信号端口和电源端口都是电
气隔离的。隔离放大器常用于工业自动化和医疗领域，用
来防止漏电，保障人身安全；在电力系统等高压危险场
合，能保护仪器，避免漏电，消除干扰。
就隔离对象而言，隔离放大器有两
端口隔离和三端口隔离两种。两端口隔
离（简称两端隔离）指输入信号部分和
输出信号部分电气隔离；三端口隔离指
信号输入、信号输出和电源三个部分彼
此隔离。隔离的媒介主要有电磁隔离
（变压器隔离）、光电隔离和电容隔离。
（1）变压器隔离放大器
AD204为变压器耦合两端口隔离放大器，最大隔离电
压为±1000V（峰-峰值），最大非线性误差±0.025%。片
内集成有隔离电源用来给隔离输入级供电，同时连到引
脚，可作为外围电路（如传感器、运放等）电源。
有时用隔离放大器放大信号时，电源由信号输入部分
的电路供给，这时采用AD204不合适。为了能灵活选择隔
离放大器驱动电源所在
位置，有些隔离放大器
采用三端口隔离方式，
即信号输入端口、信号
输出端口、驱动电源端
口分别电气隔离。
AD204 Functional Block Diagram
（2）光电隔离放大器
其中的耦合器件是半导体器件，有非线性和温漂，参数
离散性大，用光耦线性隔离传送模拟信号有一定技巧。
下图为BB公司的集成隔离放大器ISO100内部结构。
单极性工作时不用参考电流源。这时IREF1端(引脚16)接输
入部分地；IREF2端接输出部分地。正常工作时，uI为单极
性负电压，因VD1的负反馈作用，LED有电
流流过，LED发光后，光敏管
VD1，VD2中分别产生大小相等
的电流，若外接电阻R1=Rf，
则输出端电压与输入端电
压相等。双光耦参数对称，
使光电器件的非线性误差
和漂移不造成任何误差。
若要双极性工作，电路如图所示。它将参考电流源IREF1和
IREF2分别接运放反相输入端。此时，uI，uO的最大值分别
为： ， 。
（3）电容隔离放大器
原理：将输入信号调制后经隔离电容耦合到输出电路解调，得到与输入成线性关系的输出信号。电容耦合隔离放大器的原理与变压器耦合隔离放大器的原理很相近，只是前者的电容可包含在半导体器件中，因此体积小，成本低。
三种隔离放大器的特色：
变压器耦合隔离放大器的变压器体积大，成本高，功耗
大，无法集成，造成器件价高，体积大，一般器件的封
装为非标准集成电路封装，但一般把隔离电源也固化在
器件内，甚至可实现三端隔离。通过引脚将电源输出，
可外接负载，不需另配隔离DC-DC变换器，使用方便。
光电耦合隔离放大器全由半导体器件构成，便于集成，
成本低，体积小，性能稳定，不需外接任何器件，使用
方便。器件本身不带隔离电源，需另接隔离DC-DC变换
器。
电容耦合隔离放大器引出线少，使用方便，但需使用调制
解调技术，频带宽度不及光电耦合型隔离放大器。
4.信号变换电路
为使传感器输出信号便于处理、显示、传输，要对不
同类型信号进行相互转换。例如，电压/频率变换将电压信
号进行频率调制以便于电气隔离和数字化；交流/直流变换
将输入信号的交流参数如峰值、绝对平均值、有效值提取
出来；信号的调制与解调（包括相敏解调）在信号传输中
的电气隔离和抗干扰方面具有重要作用；电压/电流变换，
将电压信号变成不易受干扰的电流源信号。
信号转换电路：实现各类型信号相互转换，使其具有不
同输入、输出的器件可以联用的电路。
进行信号转换时，需考虑：一、转换电路应有良好线性；
二、要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗，
以便与之相联的器件或电路阻抗匹配。
1）电压电流转换电路
在成套仪表和计算机测控系统中，传感器和仪表之间、
仪表和仪表之间的信号传送都采用标准信号，即0-5V直流
电压或0-10mA、4-20mA直流电流。
传感器测量系统中，常用电压/电流转换电路进行电压、
电流信号间的转换。例如，在远距离测量系统中，必须把
监控电压信号转换成电流信号传输，以减小传输导线阻抗
对信号的影响。对电流信号进行测量时，先需要将电流信
号转换成电压信号，再由数字电压表测量，或经过A/D转
换后由计算机进行测控。
在进行信号转换时，为保证足够的转换精度和较宽的适
应范围，要求I/V转换电路要有较低的输入阻抗和输出阻
抗。而V/I转换电路要有较高的输入阻抗和输出阻抗。
（1）电压-电流变换
输出负载中的电流正比于输入电压的电路称为电压-电流
变换器。由于传输系数是电导，又称转移电导放大器。
输入电压恒定时，负载中的电流为恒定值，与负载无关，
构成恒流源电路。
浮地负载电压-电流变换电路
将负载接到反相放大器和同相放大器的反馈电路中，则
构成图(a)和(b)所示最简浮地负载电压-电流变换电路。
按理想运放条件可导出这两种电路负载中的电流为：
IL=Vi/R1
图(c)和(d)所示电压-电流变换电路浮地负载中的电流
具有放大特性。图(c)中电阻R4上的电压为:V4=-ViR2/R1
负载RL中的电流为:IL=V4/(R2//R4)=-Vi(1+R2/R4)/R1
图(d)所示同相型变换电路中，电阻R4上的电压为
V4=Vi(1+R2/R4)
负载中的电流为:
IL=V4/((R2+R1)//R4)
=Vi(1+R2/R4+R1/R4)/R1
可知:
c,d两种电路在浮地负载中的电流分别被放大了(1+R2/R4)及
(1+R1/R4+R2/R4)倍。a和c为反相型电路，其输入阻抗为
R1，是低输入阻抗型。b和d为同相型变换电路，其输入阻
抗与同相放大器相同，为高输入阻抗型。
接地负载电压-电流变换电路
图a电路中Al为同相加法器，A2为跟随器，其输出
电压跟随负载电压，即:V02=VL=ILRL
A1的同相端电压：
V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4)
A1的同相端电压经A2同相放大器放大
后的输出电压：
Vol=V+(R1+R2)/R1
=(ViR4+ILRLR3)(R1+R2)/((R3+R4)R1)
=ILR5+ILRL
选择元件参数值满足：R3(Rl+R2)＝Rl(R3+R4)，可得负
载中的电流IL与负载RL无关。为此选取R3＝R1，及
R4＝R2，则输出负载中的电流为IL=ViR2/(R1R5)。
因A1和A2构成闭环正反馈，设计时须考虑电路稳定性。
电路中闭环的环路增益为RL/(R5+RL)<1，可见电路稳
定。为保证有至少10dB的稳定储备，选择电阻R5>2RL 。
图(b)是由单运放构成的接地负载电压-电流变换电
路。类似分析可得，
当R2/R1=(R4+R5)/R3时，
接地负载中的电流为
IL=-ViR2/(R1R5)
差动式电压-电流变换电路
对输入为差动电压的情况，下面电路可使负载中的电流
与两输入电压之差成正比。
图a：理想条件下V-=V+=Vi2，电路负载中的电流：
IL=(Vi1-Vi2)/R1
图b：若满足条件：R3/R5=R1/(R2+R4)，则浮地负载中的总
电流为：IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4)
图c：负载中的电流为IL=I3-I4，为使负载中的电流与RL无
关，电阻选择须满足：R1R4=R2R3，相应的接地负载中电流
为：IL=(Vi2-Vil)/R3
a b c
（2）I／V转换电路
I/V转换电路用于将输入电流信号转换为与之成线性关
系的电压信号。
如图所示，利用反相输入型和同相输入型运算放大器实
现I/V转换。设运放A为理想运放。在图a中有：i=is；
u0≈-iR1= -isR1。电流源is的内阻必须很大，否则，输入失
调电压将被放大(1+ R1 /Rs)倍，产
生很大误差。此外，电流is必须远
大于运放输入偏置电流Ib 。
a
下图中，输入电流is首先经过Rl转换成输入电压ui=isR1，
再经同相输入比例放大得到输出电压：u0= is R1 (1+R2/ R3)
根据传感器电流输出要求，确定负载R1大小。R1确定
后，根据is与u0的范围确定R2、R3。为减少运放偏置电流产
生的误差，要求两输入端对地电阻相等，即
R4 =R2 R3 /( R2+ R3)。
例如，将0mA～10mA的输入电流转
换成0V~10V的输出电压，
取R1 =250 ，(ui 为0V~2.5V)，
R3=5.1k , 则 R4 =3.9 k
(15 k 和1 k 电位器串联得到)。
用光电池、光敏二极管做检测时，由于其输出电阻很
高，且其短路电流与光强线性好，因此可看成电流源，通
常其电流很小( A级)。所以光电池、光敏二极管的检测实
际上是一种微电流测量。为获得高精度微电流放大，必须
选用高输入阻抗、极低偏置电流的FET输入型运放，如
CA3140，OPAl28等，但FET运放输入偏置电流将随温度
升高而成倍增加，而晶体管输入型反倒好些。采用T型反
馈电路组成的微电流放大器可取得较好效
果，如图所示。理想情况下：
is =u /R2 +(u-u0)/ R3
其中，u= - is R1，代入上式，得
u0= - is[R3 +R1 (1+ R3 /R2)]
通过改变R2值可改变放大倍数。
在远程监控系统中，电流信号经长距离导线传送到数据
采集接口，需电流电压成比例转换转换后再作A/D转换。
图a为传感器的长线电流输入的情况。
图b输入电流I直接流过基准电阻R，输出电压为Vo＝IiR。
当工作范围为-10VR，而对Ii的大小无限制。R值很小时，Ii可取大值，但应注
意R的发热情况。
R为电路的输入阻抗，因
此当主信号源内阻不太大时，
电流值将产生误差。
当输入电流很小时，可使用
图c所示电压放大电路，则有
Vo=IiR(R1+R2)/R2=100RIi
另一种电路形式：取样的标准电阻作运放的反馈电阻。
图a：输入电流Ii全部流经反馈电阻，输出Vo＝-IiR。全部
电流流入运放输出端，因而不能作大电流转换。
该电路的输入近似为零，即使信号源内阻很低，也不产生
电流误差。小电流转换时，需用大反馈电阻，同时要求运
放失调电压小。标准电阻阻值一般为10时，布线电阻的影响将增大；当R>1M时，电阻精度难保
证且很容易受噪声影响。
图b的电路用于小电流。
例如，将10nA的电流转换为
1V时，采用图a的方案，则R
为100M，精度难保证。图b的
电路先将10nA电流转换成10mV，再用一个增益为100的电
压放大器将电压放大到1V，避免了大阻值电阻的采用。
2）电压/频率(U/F)转换电路
U/F是指把电压信号转换成与之成正比的频率信号。
U/F转换过程实质上是对信号进行频率调制，频率信息可远距离传递
并有优良的抗干扰能力，采用光电隔离和变压器隔离时不会损失精确
度；U/F转换器应用简单，对外围器件性能要求不高，其A/D转换速
度不低于双积分型A/D转换器件，且价格较低。
U/F转换器常用电荷平衡转换方法，原理如图a所示。运放Al、电
阻R1、积分电容CINT组成积分器。A1的输入端A和输出端B分别接电
流开关S的两个选择端。当电流开关S受单稳态触发器控制在A、B点
交替切换时，积分器相应地工作于两种不同状态：复位和积分。
电荷平衡式U/F转换器原理
当uB稳态进入暂态。这时单稳触发器控制输出电平uO翻转；
同时控制电流开关S把A点接恒流源IR。此时，积分电容
CINT流过的电流iC=IR-iI ，设在复位时间TR内，积分电容
CINT的电压变化为ΔuC，积累的电荷变化量为:
式中，TR为复位时间，即单稳触发器的暂态维持时间，
由定时电容COS决定。
当单稳触发器脱离暂态，回到稳态时，uO再次翻转；
同时电流开关S接B点。积分器脱离复位状态，进入积分状
态。此时CINT的电流iC仅受输入电流iI的影响，此时有:
式中，TI为积分时间，取决于输入电压的大小。
由于转换器的积分电容在积分和复位过程中的电荷变化
量平衡，即 ，故称电荷平衡式转换器。
U/F转换器的输出频率为：
式中，RI为U/F转换器的输入端内部电阻；IR为U/F转换
器内部恒流源电流值。
利用单片集成电路AD650及外部
元件可构成U/F转换器。
AD650的基本应用电路：输入电压uI为
正电压，RPl调整输入电量的量程，
RP2调整积分器的输入失调电压，晶体
管T1输出为集电极开路模式，外接上
拉电阻以形成TTL或CMOS电平。
AD650还可实现双极性输入和F/U转换。
批量生产UFC时，外接元件参数不可能完全一致，给调试和校
准带来困难。由于输出频率与RI，IR，TR有关，如果RI集成在器件中，
复位时间TR由外部时钟控制，则转换器的精度完全取决于集成器件
的精度和外部时钟精度，这两者的提高较易。
AD652采用了这一思路，其电路和各点波形如图所示。AD652
的转换精度仅与片内参考电压源和1mA电流源的稳定性有关。
若后接测量设备用AD652的外部时钟定时，外部时钟频率稳定性不影
响测量结果；片内单稳电路的外接定时电容的不稳定也不影响转换
精度；AD652满度转换频率达2MHz，该处的非线性误差为0.02％。
3）交流/直流转换电路
检测中有时需知道传感器的交流输出信号的幅值或功率。
例如磁电式振动速度传感器或电涡流式振动位移传感器，
在其信号处理电路中都需进行交流-直流变换，即将交流振
幅信号变为与之成正比的直流信号输出。根据被测信号的
频率不同或要求测量精度不同，可采用不同变换方法。目
前常用的变换方法有线性检波电路（半波整流电路）、绝
对值电路（全波整流电路）、有效值变换电路（方均根/直
流变换电路）。
1．线性检波电路
最简检波电路为二极管检波电路。因二极管存在死区电
压，当输入信号幅值较低时，会带来严重的非线性误差。
实用方法：二极管置于运放反馈回路，以实现精密整流。
下图所示为采用反相放大结构的常用半波整流电路及其波形。当
输入电压uI为正极性时，放大器输出uO1为负，VD2导通，VD1截止，
输出电压uO为零。uI为负极性时，放大器输出为正，VD1导通，VD2截
止，电路处于反相比例运算状态。由上述分析可得
显然，只要运放的输出电压
|uO1|的值大于整流二极管的
正向导通电压，VD1和VD2中
总有一个导通，另一个截止，此时电路能正常检波。
电路能检波的最小输入电压为UD/AUO。其中UD为二极管的正向压
降，AUO为运算放大器的开环电压增益。可见二极管正向压降的影响
被削弱了AUO倍，使检波特性大大改善。如果需要输出的是负电压，
只要把电路中的两个二极管同时反接即可。
2．绝对值转换电路
采用绝对值转换电路可把输入信号转换为单极性信号，再用低
通滤波器滤去交流成份，得到的直流信号称为绝对平均偏差(MAD)。
在半波整流电路的基础上，
加一级加法器，构成简单的
绝对值电路。右图为简单绝
对值电路及其波形。图中A1
组成线性检波器，在R1=R2，
R3=R1//R2的条件下，u1与输
入电压uI的关系为
A2组成带权加法器：R4=2R5=R6，R7=R4//R5//R6，其输出：
需注意，这里一些电阻需要匹配，即R1=R2，R4=2R5=R6。
3．有效值转换电路
交流信号有效值的测量方法较多。如果已知被测信号波
形，可采用峰值检测法、绝对平均法分别测出交流信号
的峰值或绝对平均值，再进行换算即可。若输入信号波
形不确定，则可采用热功率法或硬件运算法。
图所示为一种峰值检测电路，其输出电压uO等于交流信
号的峰值up。正弦波的信号有效值URMS=UP/1.414；三角
波的URMS=UP/1.73；方波的URMS=UP。
绝对平均法利用绝对值转换和低通滤波电路，得到输入
信号的MAD值，再换算成RMS值。绝对平均法比峰值法
测量精度高，抗干扰能力强，但不适于复杂波形的信号。
热功率法利用交流信号加在电阻上的功率即温度变化测
量有效值，输出不受波形影响，但响应慢。目前较理想
的方法是利用集成器件实现有效值的实时运算，其电路
框图如图所示。
由
得 ，
故有
常用集成有效值转换器：AD536，AD636，AD637等。
AD637为高精度宽带方均根/直流转换器。当输入信号均方
根值在0~2V范围时，最大非线性仅0.02％，输入均方根值
在2V和100mV时，相应的-3dB带宽分别达8MHz和
600kHz。当波峰系数较大时，晶体管的对数一致性误差会
导致非线性误差。波峰系数为3时，附加误差为0.1％。
5. 线 性 化
在测量系统中，希望传感器的输入输出特性为线性。线
性有利于后续电路设计和标定工作的简化。
现实中大量传感器是非线性的。数字电路、单片机技
术、嵌入式系统的介入，能在某种程度上补偿传感器的非
线性(也可视为一种数字式线性化技术)，但此方式的适用
范围有限，尤其受A/D采样速度及运算处理速度限制，在
动态测量中难满足要求。
若传感器输入输出特性的非线性不严重，当不会引起
显著误差时，可用切线或割线等近似直线代替局部实际曲
线，如拟合直线。
传感器线性化的目的：通过在信号调理电路中加入
非线性环节，使传感器的这段线性范围最大化。
按所用元件，传感器线性化分为无源线性化和有源
线性化方法。根据线性化所处阶段不同，在数字化以前
进行的线性化，称模拟线性化；在数字化以后进行的线
性化，称数字线性化。
采用硬件方法对传感器特性进行线性化，在实时
性、简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。
在许多应用中，采用模拟电路对传感器的输出进行线性
化是最佳的。
1) 无源线性化电路
无源线性化电路比较简单，性能可靠，成本低廉。在某
些应用场合，通过合理设计电路结构及元件参数，可获得
满意的精度，是一种广泛应用的线性化方法。
一种简单的无源线件化电路是用固定参数元件与敏感
器件并联或串联。对有些非线性传感器，简单地用固定电
阻器与传感元件串、并联，只要电阻值选取合适，即可将
非线性校正到满意的程度。
这方面比较典型的例子就是Dunmore式湿敏传感器的
非线性校正。如下图所示，湿敏传感器的电阻值RH与相对
湿度RH的关系曲线是非线性的。
根据具体测量需要，选择A、B、C三点，相应的电阻RH与相对湿度
RH的值分别为RHa、RHb、RHc及Ha、Hb、Hc，且Ha-Hb＝Hb-Hc。选
择如图b所示无源电路，用一个固定电阻R与RH并联。并联后的总电
阻为：R’H=RRH/(R+RH)
为使A、B、C三点成线性关系，应有：R’Ha- R’Hb＝R’Hb- R’Hc
即：RRHa/(R+RHa)- RRHb/(R+RHb)= RRHb/(R+RHb)- RRHc/(R+RHc)
因此应取：R= (RHb ( RHa+RHc)-2RHa RHc )/( RHa+ RHc-2 RHb)
(a)湿敏电阻的非线性特性曲线 (b)无源线性化电路
湿敏电阻的线性化
经修正后的特性曲线呈如图a所示的S形，线性度得到改善，各点R’H值与直线(图中虚线)关系对应值的偏差 R如图b所示。
修正后的特性曲线及与直线间的偏差
若想直接进行输出电压线性化，则可采用图a所示串联电路。对于
前图a中的A、B、C三点，应有
ViRRHa/(R+RHa)- Vi RRHb/(R+RHb)＝Vi RRHb/(R+RHb)- Vi RRHc/(R+RHc)
根据上式所求出的固定电阻仍为
R= (RHb ( RHa+RHc)-2RHa RHc )/( RHa+ RHc-2 RHb)
线性化后的电压输出曲线如图b所示，也是一个S形曲线。电路中
从固定电阻及上取电压是为了得到随相对湿度增加而增加的电压关系。
串联电阻线性化电路
热敏电阻的非线性校正常用类似前面的方法。热敏电阻
的阻值与温度呈指数关系，实践中可用温度系数很小的金
属电阻与其串联或并联或同时串、并联，构成电阻网络，
代替单个热敏电阻。只要金属电阻的阻值选择合适，可使
其等效电阻值与温度的关系在一定温度范围内呈线性。
一般情况下，取回路电流作输出量时选用串联形式，
在电桥测量电路中则选用并联形式或串、并联形式。
电阻串、并联法可使热敏电阻最大非线性误差在
0～40℃范围内校正为0.15℃，在0～l00℃内为1.5℃。热
电阻(如铂、铜电阻)等特性曲线一般为二次或三次多项
式，可用这种方法校正，且校正效果较好。
上述非线性校正法成本低，简便，但校正范围一般较窄、准确度不
是很高，主要用于被测量变化范围不大的场合。采用更复杂的无源电
路，可扩大线性范围。例如，将工作于不同敏感区的敏感元件组合，
使特性曲线弯曲部分互补，可消除高次项误差，获得宽线性范围。
以湿敏电阻作为例。如图所示，湿敏电阻RH1与RH2分别工作在不同
的敏感区（图a）。通过固定电阻的并联，将RH1在Ha、Hb、Hc三点
线性化，RH2在Hb、Hc、Hd三点线性化，总电阻为：RH＝R’H1+R’H2
如图b所示，在公共敏感区域，两个等效电阻特性曲线的弯曲方向
不同，R’H1向上弯曲，R’H2向下弯曲。总电阻RH与相对湿度RH的关系
曲线为两者之和，两曲线在公共区域互相补充，得到一条范围更宽的
近似直线，如图c。这种线性化的效果既与每个湿敏器件的特性有关，
又和线性点的选择有关。通过理论计算与实验调整相结合的方式，可
使非线性误差足够小。
不同敏感区的敏感元件进行组合
湿敏电阻的线性化效果
a b c
2) 有源线性化电路
无源线性化方法的特点：电路简单，易实现，但引入
固定参数元件串并联，使变换灵敏度降低。
有源线性化电路利用运放、场效应管或三极管等有源元
件实现函数变换。因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、
灵活多变的接法，可获得各种各样的函数变换特性。
从原理上讲，任何敏感器件的变换特性都可校正为足
够好的直线特性。随着运放性价比的不断提升，实际应用
中被越来越多地采用。
有源线性化的缺点：线路复杂、调整不便，成本相对高。
一种简单有源线性化电路是利用非线性反馈，使反馈支
路的非线性和原有敏感器件变换特性的非线性相互抵消。
目前有多种使用方便的函数运算电路可选。此外，也可
采用运算放大器搭建函数运算器进行线性化。
1）电桥输出的线性化处理（前面已介绍）
2）对数／指数运算电路
有相当多的敏感元件的特性曲线呈指数或对数形式，例
如，硅光电池的输出电压为vI＝Voe -aI其中I为光强。此时，
利用由运算放大器组成的对数电路，使电路输出为：
vA＝Kln(vI) ，其中K为常数，可得到线性的输出：
vA＝Kln(Vo)-aKI 。
利用二极管或三极管PN结的非线性特性所构成的对数或
指数电路最为常用。它利用PN结正向导通的指数伏安特性，
但要求输入电压必须为正。若PN结反接，输入必须为负。
实用中，常利用三极管的基射PN结电压与集电极电
流间的指数跨导特性来代替二极管的指数伏安特性。
这种对数／指数运算电路原理简单，应用方便，但具体
应用需要注意：
（1）PN结的指数特性是与温度有关的量，使得电路的温
度稳定性很差；
（2）PN结必处于导
通状态，因此对于对
数运算电路，输出电
压为单极性，对于指
数电路，则要求输入
电压为单极性，且
输入／输出信号的变
化范围有限。
3）信号反馈实现线性化
对有些非线性传感器，通过多级运算放大器，将信号调理电路的
输出信号反馈到相关放大器的输入端，从而构造出一个与传感器特性
相近的函数运算器，可实现较理想的非线性校正。
例如，热电阻(如铂、铜)的特性表达式一般为二次多项式，当温度变
化范围较宽时，非线性明显。
下图为一实用铂电阻的非线性校正
电路。传感器输出电压V馈送到A1的
输入端，经A1反相，构成正反馈。
电路可提高500C附近的饱和输出电
压，非线性得到明显改善。电路调
整方法如下(用普通电阻代替
TRRAl02B进行调整)：分别接入相当
于0℃,100℃,500℃的电阻，分别
用W1、 W3、 W2调零点、增益和线性。
铂电阻的非线性校正电路
电桥电路可利用其输出对电源电压敏感的特性，将电路输出信号
反馈到电桥的供桥电源端，使电源电压随输出信号变化，从而使输
出与输入信号之间呈线性关系。这种方法可实现精确校正。
图所示为实用的传感器桥路非线性校正电路。设桥路为阻值均为R
的全等臂桥，传感器阻值Rx与变量x的关系为Rx＝(1+x)R，桥路电
源电压为Vc，则桥路输出为：Vo(b)=0.25Vcx/(1+x/2)
AD521构成前置放大器，Vo的一部分 Vo( 为反馈系数，由W调节)
与基准电压Vref(由稳压二极管D提供)一起，经运放综合后，反馈
到电桥的电源端，使电桥
的电源随Vo的变化而变化。
调整电路，使Av· ＝2，其中
Av为AD521的增益，可得:
Vo＝AvVrefx/4 .
输出与输入呈严格线性关系，
从根本上消除了非线性。
缺点：适用场合较窄、电路较复杂、调试较麻烦。
4）折线近似线性化
有些传感器的特性曲线呈缓慢、单调地变化，实践中可将其特性曲
线划分成若干区间，每个区间的特性曲线用一段直线来近似代替。利
用二极管的开关特性，采用多段折线近似地代替传感器的特性曲线，
如左图所示。折线的数目越多，逼近的程度越高，误差越小。一般多
用5～10段折线。右图电路中，用四个二极管串联四个不同的电阻R，
即可对输入信号实现上述的分段逼近形式的线性化。
用分段折线逼近特性曲线的线性化方法 二极管选通式非线性网络补偿电路
5）多项式近似法线性化
多项式近似法实现线性化有串联和反馈两种。
①多项式串联线性化电路
多项式串联线性化原理是根据传感器多项式y=ul=f(x)，求出线性化电
路的反函数x=f-1(u1)，然后用各类多项式运算电路(如模拟乘法器)进
行uO=kf-1(u1)运算，实现线性化uo=kx。如图a所示，由于多项式(或函
数)运算电路与传感
器测量电路相串联，
故称多项式串联线性
化电路。如图b所示
为传感器电桥线性化
电路实例。
利用四象限模拟乘法器AD534对传感器电桥实现线性化，适
用于热敏电阻、应变片、压力传感器等电桥转换电路的线性化。
AD534的X1、X2、Yl、Y2、Zl、Z2均可做输入端，通常取其中之一为
输出信号，如取Z1(11端)通过输出12端输出。其余为输入信号。当
AD534刻度系数取10V、开环增益为无穷大时，乘法器的公式为：
(xl-x2)(Yl-Y2)/10V=(Zl-Z2)。
根据图b所示连接，x1=UO，y1= U1，x2=Y2=0，Z1=UO，Z2=U1，
上式可写为：U0=l0V(U0-U1)/( U1）
根据差动电桥放大电路原理，传感器电桥经放大后输出电压Ul为
U1=KEx/(1+x/2)
式中 K—电桥与放大电路总增益；E—电桥电源；x—桥臂电阻相对
变化量，x= R／Ro。
将U1代入U0表达式得：
若取K E=5V，则U0=KEx。
②多项式反馈线性化电路
基本工作原理：根据传感器多项式y=u1=f (x)，设计与u1=f (x)相同形
式的函数(多项式)uo=f(u1)电路，作为传感器的反馈回路，改变反馈
量，调节放大倍数，实现线性化。
图b：利用乘法器实现多项式反馈的铂电阻测温线性化电路。
图a：模拟乘法器组成的二次方和三次方发生器。RT为铂电阻，
t=0时阻值R0取100 。传感器RT恒温(5rnA)工作，基准电压E=10V。
R1用于调零，即t=0C 时UO=0V，
或RT=100 ；R4用于调量程，
即确定一次方的系数。R7用于
确定二次方的系数。电路的测
温范围为0～500C，灵敏度为
100mV／C。
由上面电路可导出
RT=103xRoR2/R1+103xR4RoR2R6Uo/(ER3R5R8)-
103RoR2R6UO2/(10ER3R7)
适当调节R1，R4和R7，可使上式变为
RT=(1+3.973x10-3t-5.856x10-7t2)Ro
传感器RT测量电路输出电压Ut为
Ut=-RTE/R0=-R0(1+3.973x10-3t-5.856x10-7 t2)E／R0
可见：Ut也是二次多项式，因此设计一个与上式相同形式
的函数电路，作为A2的反馈电路，实现电路由A3、A4、
A5组成，其中A3为UO的反相电路，U3=-UO。A4是模拟乘
法器AD533D，其输出为U4=UO2／10V。U3、U4经A5构成
加法器相加，使A5输出Uf为一个二次多项式。Uf为反馈电
压，与Ut经A2构成加法放大器，使输出Uo发生变化。
如上图b所示采用的四象限模拟乘法器AD533D使用方法如下图所示。
6. 电源与电压基准
供电电源的精度和稳定性直接影响传感器及其测量电
路输出信号质量，根据检测系统技术指标，对传感器电路
电源有相应要求。按变换原理分类有开关电源和串联稳压
电源；按输出特性分有恒压源和恒流源。
1． 开关电源、串联稳压电源与集成稳压器
(1)开关电源
直接对220V交流电压整流，用开关元件变换为高频脉冲，
经高频变压器降压再整流与滤波获得所需直流电压。
特点：体积小，效率高，当不能有效消除高频脉冲时，直
流电压会重叠在尖峰电压上，尖峰电压混入传感器信号处
理电路，会引起故障。由于尖峰电压难以彻底消除，在处
理传感器的微弱模拟信号的电路中不宜采用开关电源。
(2)串联稳压源
特点：无尖峰电压，使用方便，但晶体管功耗大，电源变压器体积大。过载时，输出电压下降，选用电源时，要留电流余量，特别是相对于感性负载或容性负载的瞬时电流余量。
(3)集成稳压器
常用数字电路或运放的电源，可选三端集成稳压器。传感器电路
对供电电压精度要求高，温度稳定性要好，最好采用基准电压源。
市场上有1.25～10V的产品如AD580、AD584等。它可外接电阻任意调
节输出电压，但输出电压的稳定性由电阻的稳定性决定，因此，要选
高稳定性电阻。一般这些产品的最大输出电流为10mA，可外加电流
放大器进行扩流。
AD588:12-bit absolute accuracy without any user adjustments.
2．电压基准
在测量电路中，常用电压源作电压基准，它是保证测量精度的一个重要器件，特别在使用A/D转换器时。所有模数转换器和数模转换器都需一个基准信号，通常为电压基准。目前，随着A/D转换器分辨率的日益提高，对电压基准的要求也越来越高。许多转换器有内部基准，有些需外部基准。
电压基准的指标要求与系统总体精度要求有关。在要求绝对测量的场合，其准确度受使用基准值的准确度限制。但是，许多系统中稳定性和重复性比绝对精度更重要；而有些数据采集系统中电压基准的长期准确度几乎完全不重要。若从有噪声的系统电源中派生基准会引起误差。
“隐埋齐纳”和“带隙”基准是两种最常见的用于集成电路的精密基准。
为了使隐埋齐纳的基准处于最佳工作状态，一般必须施加几百微安
电流，这种方法对于必须工作在低压低功耗的场合来说不适宜。
此时只能使用“带隙”基准。这里采用一个具有正温度系数的电压
用以补偿具有负温度系数的晶体管的Vbe，可维持一个恒定的“带隙”
电压。三极管Q2与Q1在R1上产生一个正比于绝对温度的电流，一个
正比于绝对温度的电压与Q1的Vbe串联，产生电压Vz，它不随温度变
化且可被放大，这个电压等于硅的带隙电压(外推到绝对零度)。
带隙基准与最好的隐埋齐纳基准相比，其准确度和
稳定性稍微差一些，但温度特性可优于3 ppm/℃。带隙
器件可获得1.25、2.5、5V等工作电压。
在使用电压基准时应注意在高阻抗导体上的电压降、
来自公共地线阻抗的噪声和来自不适当的电源去耦产生
的噪声。考虑基准电流流动的方向，是输出电流还是
吸收电流。
3．传感器的电源配置
传感器供电电源的扰动补偿
以应变式称重传感器为例说明扰动补偿原理。如图a
所示，桥路输出电压uo与供电电源u的关系为：uo=u R /R
供桥电压u的扰动将导致测量误差。对高精度测量，要求
稳压电源的精度至少高于传感器精度的3倍以上，才能
保证测量精度。由于传感器工作环境恶劣，串入电源
的随机扰动是不可避免的。
根据自动控制理论中的扰动补偿原理，采用逐次比较式
A/D转换器，合理配置电源，可有效地抑制电源的各种
扰动。电路结构如下图 。
可知：UINl=KG u R/R，KG为测量放大器的放大倍数。
逐次逼近式A／D转换器中的D／A转换输出电压UIN2
与数字量的对应关系为：UIN2=KDBUREF
B为D/A的输入数字量；KD常数；UREF 为 D/A基准电压。
考虑电压u和UREF的扰动时，上图结构可用左下图结构
图表示，图中的 u和 UREF分别为电压u和UREF的扰动。
为抑制扰动 u和 UREF对转换精度的影响，可引入扰动补
偿环节Wl。如右图所示,选Wl= KG R/R，则
E=uKG R /R - UREF KDB =UINl - UIN2，扰动 u完全补偿。
但Wl难实现。当UINl和UIN2逐次逼近时， E =0，
uKG R/R=UREF KDB。若取u=UREF，则KG R /R= KDB
a b
当取Wl= KG R /R= KDB时，如前图b所示，依据变换法则
可等价成下左图所示补偿原理图。当u和UREF数值相等时，
扰动量 u和UREF叠加，可完全抑制 u对测量系统的影响。
同理，仅考虑UREF的扰动量 UREF的影响时，为完全抑制
UREF对系统的扰动，仍可在u=UREF的条件下得到补偿原
理图，如右图所示。
u和UREF的扰动补偿原理
上面两图所示结构虽然原理上可完全补偿扰动量，但
扰动信号 u 、 UREF的拾取仍相当困难。为此，使u和
UREF不仅在数量上相等，而且由同一个供电电源Uw供
电，则 u和 UREF具有相同的扰动值 Uw，其结构图如
下。由图可得： E= (Uw+ Uw)( KG R /R-KDB)
当UINI和UIN2逐次逼近时， E=0，则B= KG R/KD R
单一电源供电时的静态结构图
以上表明：利用自动控制理论中的扰动补偿原理，传
感器供电和A/D的基准电压采用同一电源供电，扰动 u
和 UREF大小相等，相互抵消，使传感器输出量经A/D
转换后的数字量B也不受电源扰动影响，实现完全补偿。
实践证明，对于精度为0.02％的传感器，即使采用普通
的精度≤0.5％的稳压电源，仍可得到满意的测量结果。
根据上述补偿原理，可由A/D转换器芯片提供基准电
压，作为传感器的供电电源。
由ADl674提供传感器供电电源中小学教育资源及组卷应用平台
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传感器与检测技术论文
传感器的定义、组成、分类及基本特征。
传感器源自“感觉”一词。人类的“五官”可以说就是最原始的传感器。
它是一种能够感受被测量信息同时又能够将感受到的被测量信息按照一定的规律转换或电、信号或其他所需形式的信号输出，以达到便于传输、处理、显示和控制等目的的检测装置。
从各行各业到日常生活，传感器几乎是无处不在，无处不用，其主要作用就是信息的采集和获取。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
传感器也称为变换器、换能器、变松器、发送器与探测器等，由于传感器元件的输出信号往往都非常微弱，传感器在除敏感元件两大组成部分之外，所以还必须加入转换电路以便对弱小的信号进行放大。另外，还应有辅助电源，以供传感器和转换电路工作。随着集成电路技术在传感器应用中的深入，传感器的各个组成部分可以集成在同一半导体芯片上，构成集成传感器。
传感器种类众多，原理各异分类方式也不尽相同。按输入被测量进行分类，一般可分为速度传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器等。这种分类方法直接反应了检测的目的；按输出量形式可分为数字传感器与模拟传感器两类；按工作机理可分为结构型和物性型；按转换原理可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、热点式传感器等；按信息的传递方式可分为能量转换传感器与能量控制型传感器两类。
随着计算机辅助设计，辅助制造技术，集成电路技术和微机械电子系统技术等新技术以及新工艺、新材料的应用，出现了精度更高，性能更优、用途更广的现代传感器。现代化传感器正在向智能化、集成化、多功能化方向发展。
传感器有其基本特性，可分为静态特性和动态特性。静态特性是指静态信号作用下的输出输入关系特性，而所谓动态特性是指动态信号下的输入输出关系特性。衡量传感器其静态特性优劣的重要性能指标线是性灵敏度、迟滞、重复性、分辨率与稳定性。
传感器它是一种能够感受被测量信息的，在检测系统中传感器有着广泛的应用，现代自动检测是以计算机技术为核心，以传感器技术为基础构成的。
检测系统的各个组成部分是以信息流的过程进行划分的。传感器处于整个系统的第一个环节，其作用是将直接感受到的被测量转换为容易进行测试的电信号或其他所需形式的信号。检测技术是科学实验中必不可少的手段。任何一项现代自然科学成就或技术发明，总是通过检测技术获取大量准确的数据。检测技术能够涉及的测量范围与能够达到的测量精度，很大程度上决定着现代科技进步的深度与广度。如在国防科技中，没有检测技术，导弹发射与卫星上天是不可能的。利用检测技术处理获取的数据信息，能对产品的质量和性能做出客观的评价，为工艺人员进行制造工艺提供依据。在现在大工业生产中，如果没有检测技术，新设备的研制以及复杂工艺流程的具体实现是不可能的。
传感器的应用作为自动检测的首要环节，进行正确的选用是首先要考虑的。在选用传感器时，不能片面追求其线性度好、灵敏度高、迟滞小、重复性优、分辨力强，而是应该根据检测的具体要求和条件，保证主要性能指标满足要求即可，即选用时应遵循下列几项原则：考虑检测系统内部的要求；考虑检测系统外部的条件；考虑传感器自身的技术指标。
传感器作为感知、获取和检测信息的窗口，提供着人类赖以进行判断、决策与处理所必需的原始数据。若没有它，测量难以转换为电信号，其他仪表和装备也就失去了存在的意义。虽然目前自动检测和自动控制技术正经历着重大变革，但缺少传感器一切都是无法实现的。
2.传感器技术状的发展现状
我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，随着国民经济信息化进程的加快，之后又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产业的主要特征表现为：一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是产业结构，产品结构，企业结构，运行机制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。
　　传感器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，传感器技术难以为继。
　　应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。也即发展传感器技术要以市场为导向，实行需求牵引。技术、投资两个密集技术密集是指传感器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。它是多种高技术的集合产物。由于技术密集也自然要求人才密集。投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投资强度，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。增加投资和正确的投资方向是提高传感器产业水平的主要条件之一，也是企事业决策者谋求最佳经济效益的重要手段。产品、产业两大分散，产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产品门类品种繁多，生产、研究单位分布在除地方外有12个部委（电子、机械、科学院、航空航天、教委、冶金、船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等），其应用渗透到各个产业部门，它的发展既是各产业发展的推动力。只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。
　　在国家的支持下，“八五”以来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。
在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC“89首届全国敏感元件与传感器学术会议”已延续至今，固定每两年召开一次，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会”。
3.光电式传感器的工作原理、测量电路、应用。
理论基础——光电效应
光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。
外光电效应
光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：
式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,w为逸出功。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为式中，c为光速，w为逸出功。
内光电效应
当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg（ Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。
光电器件及其特性
光敏电阻
1)光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
2)光敏电阻的伏安特性测量
图1 光敏电阻伏安特性测试电路
（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。
（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即,同时算出此时光敏电阻的阻值。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。
在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。
光敏二极管
1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
2）光敏二极管的伏安特性测量
图2 光敏二极管特性测试电路
（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流：(l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。
光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压得增大而增大。
光敏三极管
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。
图3 光敏三极管特性测试实验
（1）按原理图3接好实验线路，将光敏三极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压UCE与产生的光电流IC的关系数据。其中光电流(l.00KΩ为取样电阻R）。
在较弱光强下，光明三极管的光电流并不随光电压变化，随着光强的增大，其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大，而后保持一定值不变。
硅光电池
硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。
硅光电池的伏安特性测量
图4 硅光电池特性测试电路
（1）实验线路见图4，电阻箱调到0Ω。
（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压Uoc和短路电流IS，其中短路电流为（取样电阻R为10.00Ω），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。
在光强一定时，硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变，后逐渐减小，且减小速度越来越快。
光电传感器的应用
光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制，测量方面主要是用于测量光强，控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制，在电路接通的状态下，路灯会随着周围光强的变化而变化，楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光的感应特点。光敏电阻还被应用于海上导航，通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关，到晚上光敏电阻阻值变小，接通控制电路，将灯打开；白天光敏电阻增大将控制电路断开，关掉电灯。
光敏管大体有开关作用，环境光检测作用，各种光线接收作用。在太阳能自动跟踪控制中，做光电检测用，接受太阳光，校正方位。光敏二级管被应用于收音机、电视、电脑等设备中，比如用LED发光二极光替代液晶显示器背后的光源，能达到节能且稳定的作用。光敏三极管可用来控制开关的状态，其主要原因是三极管对光照强度十分敏感，可以根据根据光照强弱来控制电流大小，从而在继电器的配合下控制开关的通断状态，实现自动化控制。由于光敏管对光的敏感性很高，还可用于测量温度，因为不同温度的物体辐射的光不同，以此可以间接测量温度。此外，光敏三极管还可用于传输信号，如光藕合器，光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦，光耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。另外，红光光敏管可用于测量红外线，这一点可用来做夜视仪。
硅光电池在日常生活中也是十分常见的，因为它能将光能转变为电能，像一些太阳能发电板和太阳能电池中就有硅光电池，被广泛用于卫星、太阳能发电、太阳能热水器以及手机等。
光电传感器的用途很多很广，还有一些等待我们去发现。比如我们经常抱怨阳光下看不清手机和电脑，我们可以利用光敏器件来改变手机和电脑的屏幕亮度，从而更能看清楚，。还有我们的空调，可以通过检测红外线自动调至人的舒适温度，当温度过低或过高就开启调节装置，若在人体舒适范围左右则可关闭调节装置，从而节省能源。我们还可以穿一件有硅光电池板的衣服，衣服内有温度调节装置，由硅光电池提供能源，调节温度。
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传
感
器
与
检
测
技
术
课
程
论
文
数学与统计学院
学号：xxxxxx
姓名：李晓香
指导老师：刘芳梅
浅析光敏传感器在日常生活中的应用
——以声光控开关电路为例
李晓香
（咸宁学院数学与统计学院，09数学与应用数学电气及其自动化，湖北xx，43xxxx）
摘要：本篇论文是介绍以声光控为题材，从而进行有关传感器电路的小制作，同时就其声光控开关的设计、制作及应用进行了简单地相关介绍，最后就根据自己在本次实验中的心得体会，对其发展前景进行了简单地展望，并对未来传感器的发展充满了信心。
关键词： 传感器 声光控技术 前景展望
一 、声光控制原理简介
声光控制指通过利用声音以及光线的变化来控制电路实现特定功能的一种电子学控制方法。
它是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。广泛用于楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等场所，是现代极理想的新颖绿色照明开关，并延长灯泡使用寿命。
主要采用光敏电阻对白天黑夜的监控，驻极体话筒对声音的监控，信号经过放大电路进入集成电路将两个信号比较，输出信号控制晶闸管进而控制灯的亮灭，RC组合延时电路，可以实现上述功能。
二、实验目的及意义
用声光控延时开关代替住宅小区楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过的楼道的时候，发出脚步声或是其他声音时，楼道的灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或是离开，楼道的灯延时几分钟会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，不仅适用于住宅的楼道，而且也适用于工厂，办公楼、教学楼等公共场所。
三、实验所需元器件（具体见下元件清单表）：
图（1）元件清单表
序号 名称 型号规格 位号 数量 序号 名称 型号规格 位号 数量
1 集成电路 CD4011 IC 1块 10 电阻器 2.2M、5.1M R4、R6 各1支
2 单项可控硅 100-6 T 1支 11 瓷片电容 104 C1 1支
3 三极管 9014 VT 1支 12 电解电容 10F/10V C2、C3 2支
4 整流二极管 IN4001 VDI-VD5 5支 13 前后盖、红面板 1套
5 驻极体 54±2dB BM 1支 14 印刷版、图纸 1套
6 光敏电阻 625A RG 1支 15 元机螺丝 3×6 2粒
7 电阻器 10K、120K R6、R1 2支 16 自攻螺丝 ×8 5粒
8 电阻器 47K R2、R3 2支 17 元机螺丝 ×25 2粒
9 电阻器 470k、1M R7、R5 2支 18 铜接线柱、塑料螺丝盖 各2个
四 、光敏电阻简介
光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻原件，其阻值随光照增强而减少。
光敏电阻具有很多优点：灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。但是，使用时需要外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。
图（2）光敏电阻外观 图（3）光敏电阻结构
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便,而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛，如光敏电阻等就属于这类光电器件。
五、驻极体话筒简介
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc＝1／2~tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。
六、主要结构与控制方法
声光控延时开关电路由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。其主要控制方法是白天或光线较强时，电路为断开状态，灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，并且触发自动延时电路，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，尤其是上下楼道带来不便。
七、声光控开关电路图
图（4）声光控的原理电路图
图（5）SGK-10型声光控延时开关方框图
]
图（6）印刷板电路图
声光控延时开关的电路原理图见图（4）所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门vd 1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。
八、CD4011简介
CD4011功能:
四2输入与非门CMOS芯片
逻辑表达式：Y = A.B
A=Y.B
图（7）CD4011引脚图及引脚
图（8）CD4011的内部结构 图（9）单向可控硅的外形图
结合图（5）来分析图（4）。声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒接收并转换成电信号，经c1耦合到vt的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(vd1)的2脚，r4、r7是vt偏置电阻，c2是电源滤波电容。
为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻rg等元件组成光控电路，r5和rg组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，rg两端的电压高，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。vd3和vd4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当c3充电到一定电平时，信号经与非门vd3、vd4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c3充满电后只向r8放电，当放电到一定电平时，经与非门vd3、vd4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。
二极管vd1～vd4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经r1降压，c2滤波后即为电路的直流电源，为驻极体话筒、vt、ic等供电。
九、心得体会
经过几天的奋斗，传感器课程设计终于完成，这个过程中接触了一些新的东西。同时在制作成品过程中也出现了虚焊的现象，导致实验不成功。但是最终与他人合作完成了声光控延时自动开关。
随着科学技术的发展人们对测量精度有了更高的要求，这就促使光电传感器不得不随着时代步伐而更新，改善光电传感器性能的主要手段就是应用新材料、新技术制造性能更优越的光电元件。
时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，应用领域也越来越广泛，例如近来一种红外光电传感器已在智能车方面得了到应用，其中一种基于红外传感器的智能车的核心就是反射式红外传感器，它运用反射式红外传感器设计路径检测模块和速度监测模块；另外一种基于红外传感器的自寻迹小车则利用红外传感器来采集数据。
光电传感器具有其他传感器所不能取代优越性，因此它发展前景非常好，应用也会越来越广泛。
十、前景展望
人类社会已进入了信息时代，人们的社会活动主要是依靠对信息资源的开发与获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的借口位置，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转化为容易传输与处理的电信号。所以传感器的作用越来越重要。
同时随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也将逐步更新。
除现在已有的声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关。目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及居家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国国情，可以预计在相当一段时期内，声光控延时开关将是首选的主流产品。
在21世界节能的时代,尽可能减少能源消耗，所以相信声光控制延时开关将在未来有更广泛地应用。
参考文献：
[1]陈杰 黄鸿，传感器与检测技术，高等教育出版社，2002年8月第1版
[2]康华光 邹寿彬 秦臻，电子技术基础（数字部分），高等教育出版社，2010年11月第13次印刷
[3]康华光 陈大林 张林，电子技术基础（模拟部分），高等教育出版社，2010年5月第12次印刷
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霍尔传感器与555报警电路--传感器技术及应用视频
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传感器综合应用
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气敏传感器的应用
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中国传感器发展应用状况分析
董大为
摘要：传感器是现代信息技术的三大支柱之一，中国的传感器经过了30多年的快速发展，但总体上还是落后于世界先进水
平，因此国产传感器的发展必须走自主创新之路。
关键词：传感器、感知中国、创新、传感网、信息技术
Current Situation Analysis of Sensors in China
Dong Dawei
Abstract:Sensors are one of the three pillars of modern information technology.After 30 years of rapid development,
sensors in China still fall behind global advanced level.Therefore,the development of national sensors must take the road of
innovation.
Keywords:sensor,sensing China,innovation,sensor network,IT
传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术
器厂商来说意味着巨大的商业机遇。中国传感器市场尽管受到
的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术
金融风暴的影响，但工业及信息化部2008年1-9月的数据统计
产业。在国内有自动化方面的专家指出塑料工业网，传感器技
依旧显示，我国的传感器市场呈现出逆势增长的态势。而最近
术直接关系到我国自动化产业的发展形势，认为“传感器技术
几年，中国的传感器年度销售平均增长也达到了39%。
强，则自动化产业强”。由此可见传感器技术对自动化产业乃
目前传感器市场正进入到一个‘百家争鸣”的时期，随着
至整个国家工业建设的重要性。
市场的逐渐开放和中国投资环境的改善及全球化经济的进程加
2009年诺贝尔物理学奖的颁布引起了传感器行业的强烈反
快。各国的传感器厂家纷纷进入中国市场，这就加剧了市场的
响，获奖人是英国华裔科学家高银以及美国科学家威拉德·博
竞争。中国传感器市场将重新进行份额的分配。
伊尔和乔治：史密斯，其中博伊尔和史密斯发明了半导体成像
2008年的金融风暴对传感器市场有着或多或少的影响，尤
器件一电荷耦合器件(CCD)图像传感器。2009年的8月7日，
其对汽车工业、制造业等传统的传感器应用领域的影响更加明
温家宝总理在无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时提
显。因此如何开辟新的应用领域将成为许多传感器厂商需要慎
出要在无锡建立中国的传感信息中心一感知中国又一次将传
重考虑的问题。放眼未来，虽然目前主要是汽车工业、制造业
感器行业推向了风口浪尖。传感器行业在未来的几十年将无可
等传统应用领域在拉动传感器市场，但是不能忽略绿色能源等
置疑地处于一个快速发展的时期，这就对我国当前传感器行业
蓝海市场将为传感器乃至整个自动化行业带来的巨大商机。
的发展带来了新的机遇，也带来了新的挑战。
表1
2009中国传感器市场规模
项目
2005年
2008年
E2009年
1中国的传感器行业市场现状
汽车传感器市场1亿元
20
56
73.5
工业过程控制传思器市场1亿元
16
50
65.4
1.1市场整体状况
其它传感器市场列亿元
84
147
188.1
根据相关部门的调查，2005年到2008年的世界传感器市场
市场规模1亿元
120
253
327
的年平均增长率略为下降，减去传感器成本的下降及一些尚不
中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过
可知的新兴应用领域的出现，可达4.5%。In techno咨询公司
15%,2003年销售额为186亿元，同比增长32.9%：而世界非
估计全球的3000多家传感器制造商在2008年的总销售额将超过
军用传感器市场1998年为325亿美元，平均增长率为9%，预计
500亿美元，而到2010年将增长到600亿美元以上，这对于传感
2008年将增加到506亿美元。2009年中国传感器应用四大领域
542010年第3期第27卷第2期
大庆师范学院学报
Vol.27 No.2
2007年4月
JOURNAL OF DAQING NORMAL UNIVERSTTY
Apr,2007
光纤光栅传感器及其在结构健康监测中的应用
袁雪松
(广东金融学院计算机科学与应月系，广东广州510521)
精要：依据结构使康胜测的菇本概念，阐述了光纤光栅的构造和传感原理，列举了采用光纤光栅封装传感器的三
种工艺，介绍光纤光榭传感网等系统原堙以及光纤光栅传感器发展历程和在德康监夏中的应用。
关键词：使康监测；光纤光栅：彭转：应变监测
作青简介：京雪松(97]一)，男，黑龙江大庆入+广东会融学院计算机科学与应月系讲师，主娶从事网络数据库开发
与发布技术研究。
中图分类号：TP212文狱标识码：A文章编号：l06-2165(2007)02-0037-05收高日期：2006-10-23
1引言
现代大型工程结构，例如桥粱、大跨空间结构、高层建筑、水利工程、地下工程等，它们的使用期长达儿
十年、甚至上百年，环境：蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将
不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力度诚，从而抵抗月然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，
极端情况下引发灾雅性的奖发事故，因此，为了保障结构的安全性，完整性、适用性与耐久性，已建成使用
的许多重大工程结构和设施急采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制扩伤；对新建的结构
和设施总结以往的经验和教训，增设长期的健嫌监测系统和损伤控制系统，以监测结树的服役安全状况，
并为研究结构服役期间的损伤波化规律提供了有效的、直接的方法。结构佳康监测已经成为世界范围内
工程领城的前沿研究方向。
结构健康监测是利用现场的无损传感与结构系统特性分析（包括结构反应），探测结构的变化，揭示
结构损伤与结构性能劣化。对结构的应变、加速度，速度、位移、旋转等参数的监测是结构健康监测的基本
方法。理想的健康监测系统应能在结构损伤出现教早时期发现损伤，在传感器允许的情况下结合损伤识
别技术确定损伤的位置，评估损伤程度，预测剩余的有效寿命。
典型的结构健康监测系统组成如图1所示。从图中可以看出智能传感元件对于健康监测系统的运行
尤为关键。健康监测要求利用性能稳定、耐久性好的传感元件，埋入或附者于结构中，对最能反映结构安
全状况的参数进行监测评价结构的安全性、耐久性，为维修、安全报警决策提高可靠的依据。而工程结构
与设施往往处于较恶劣的环境中，这就要求传感器必希满足耐久性、稳定性、与结构相容性。传统的传感
器很难满足这样的要求。而新型智能传盛材料的出现，如光纤、压电材料、形状记忆合金、碳纤维、电阻应
变丝疲劳寿命丝、半导体材料等较好地解决上述问题。
随着智能感知材料的发展，高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供
了拼新的途径，北其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更是为这一热点课题提供了广阔
的生机。光纤光册传感器的优点主要表现为：耐久性好，适于长期监测：无火花，适于特殊监测领域；既可
以实现点测量，也可以实现准分布式测量：测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值晒数问题；检出
量是波长信息，因此不妥接头损失、光沿程损失等因贰的影响：对环境干扰不敏感，抗电磁干扰：波长编码，
可以方便实现绝对测量：单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数；信号、数据可多
路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号在诚小：灵敏度高，精度高；光纤光栅尺寸小，测量值空间分辨
率高；输出线性范团宽，在10000微应变范画内被长移动与应变有良好的线性关系：频带宽，信噪比高等。
正是这些突出优点，光纤光册传感器受到士木工程领域的广泛关注与膏来。
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