传感器的信号检测电路

摘 要：传感器是应用的非常广泛的元器件，本文主要介绍了传感器电路中的关于输出信号的处理电路也就是信号检测电路。

关键词：传感器；信号检测；电路

随着科学技术的发展，传感器技术也逐渐得到了比较广泛的应用，在传感器电路中，完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。

一、输出信号的特点

由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1μV。传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。传感器输出信号动态范围很宽，输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。而且传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。

二、检测电路形式

要提高测量系统的测量精度和线性度，需要对输出信号进行处理，这就用到了传感器的接口电路。处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。接口电路也有各种不同的类型。

有许多非电量的检测技术要求对被测量进行某一定值的判断，当达到确定值时，监测系统应输出控制信号。在这种情况下，大多是用开关型传感器，利用其开关功能，作为直接控制元件使用。使用开关型传感器的检测电路比较简单，可以直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。

定值判断的检测系统中，由于检测对象的原因，也常使用具有模拟信号输出地传感器。在这种情况下，往往要先检测电路进行信号的预处理，再放大，然后用比较器将传感器输出信号与设置的比较电平相比较。当传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，驱动控制电路及报警电路工作 。

当监测系统要获得某一范围的连续信息时，必须使用模拟信号输出型传感器。传感器输出信号经接口电路预处理后，再经放大器放大，然后由数字式电压表将检测结果直接显示出来。数字电压表一般由A/D转换器、译码器、驱动器及数字显示器组成。这种检测电路以数字读数的形式显示出被测物理量，例如，温度、水分、转速及位移量等等。接口电路则根据传感器的输出特点进行选择。

三、常用电路

1.阻抗匹配器

传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。常见的阻抗匹配器有半导体管阻抗匹配器、场效应晶体管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。

半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。射极输出器的输出相位与输入相位相同，其电压放大倍数小于1，电流放大倍数从几十到几百倍。当发射极电阻为Re时，射极输出器的输入阻抗Rin=βRe。因此射极输出器的输入阻抗高，输出阻抗低，带负载能力强，常用来作阻抗变换电路和前后级隔离电路。

半导体管阻抗匹配器虽然有较高的输入阻抗，但由于受偏置电阻和本身基极及集电极间电阻的影响，不可能获得很高的输入阻抗，仍然无法满足一些传感器的要求。

场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达1012Ω 以上，可作阻抗匹配器。场效应晶体管阻抗匹配器结构简单、体积小，因此常用作前置级的阻抗变换器。场效应晶体管阻抗匹配器有时还直接安装在传感器内，以减少外界的干扰，在电容式声传感器、压电式传感器等容性传感器中，得到了广泛的应用。

除此之外，还可以使用运算放大器做成阻抗匹配器。

2 .电桥电路

电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。根据电桥供电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器。例如，热敏电阻、电位器等。交流电桥主要用于测量电容式传感器和电感式器传感器的电容和电感的变化。电阻应变片传感器大都采用交流电桥，这是因为，应变片电桥输出信号微弱需经放大器进行放大，而使用直流放大器容易产生零点漂移。此外，应变片与桥路之间采用电缆连接，其引线分布电容的影响不可忽略，使用交流电桥还会消除这些影响。直流电桥的基本电路如图1所示。

电路中，输出电压，当电桥平衡时

R2R4=R1R3，输出电压为零。如果R1=R2=R3=R4时，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而非线性误差最小，因此在传感器的实际应用中多采用四等臂电桥。

3.放大电路

传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或进行放大处理，为监测系统提供高精度的模拟输入信号，它对检测系统的精度起着关键作用。

目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。放大电路常用的有反相放大器、同相放大器、差分放大

器等。

在图2所示电路中（a）是反相放大器的基本电路，（b）是同相放大器得基本电路，（c）是差分放大器的基本电路，差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。

除了上述几种放大器外，还有电荷放大器。 压电式传感器输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，输出电压可高达几十伏到数百伏，但信号功率却很小，信号源的内阻也很大。放大器应采用输入阻抗高、输出阻抗低的电荷放大器。

电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器。电荷放大器输出电压只与电荷和反馈电容有关，而与传输电缆的分布电容无关。但是，测量精度却与配接电缆的分布电容

有关。

作者简介

姜兰兰（1978—），女，山东省乳山市人，工程硕士，就职于山东东营职业学院，讲师，主要从事机械设计与自动化方面的教学、研究工作。