传感器和传感器的信号调理及滤波器

可以使简单的独立电子电路重复闪光或播放音符。

但为了使电子电路或系统执行任何有用的任务或功能，它需要无论是通过从“ON / OFF”开关读取输入信号还是通过激活某种形式的输出设备来照亮单个灯光，能够与“真实世界”进行通信。

单词，电子系统或电路必须能够或能够“做”某些事情，传感器和传感器是完成此任务的完美组件。

“传感器”一词是用于传感器的集合术语，可用于感测各种不同的能量形式，如运动，电信号，辐射能，热能或磁能等，以及执行器可用于切换电压或电流。

有许多不同类型的传感器和传感器，包括模拟和数字以及输入和输出可供选择。所使用的输入或输出传感器的类型实际上取决于信号或过程的类型是“感应”还是“受控”，但我们可以将传感器和传感器定义为将一个物理量转换为另一个物理量的设备。

执行“输入”功能的设备通常被称为传感器，因为它们“感知”某些特性的物理变化，这些变化响应于某些激励而变化，例如热或力并将其转化为电信号。执行“输出”功能的设备通常称为执行器，用于控制某些外部设备，例如移动或声音。

电气传感器用于将一种能量转换成另一种能量，例如，麦克风（输入设备）将声波转换为电信号以供放大器放大（处理），并且扬声器（输出设备）转换这些电能信号反馈回声波，下面给出了这种简单输入/输出（I / O）系统的一个例子。

使用声音传感器的简单输入/输出系统

市场上有许多不同类型的传感器和传感器，选择使用哪种传感器和传感器实际上取决于被测量的数量或控制，使用下表中给出的更常见的类型：

常用传感器和传感器

输入型传感器或传感器，产生一个电压或信号输出响应与它们测量的量（刺激）的变化成比例。输出信号的类型或数量取决于所使用的传感器的类型。但一般来说，所有类型的传感器都可分为两类，无源传感器或有源传感器。

通常，有源传感器需要外接电源供电操作，称为激励信号，传感器用它来产生输出信号。有源传感器是自发电设备，因为它们自身的特性响应于外部效应而改变，例如产生1到10v DC的输出电压或诸如4到20mA DC的输出电流。有源传感器还可以产生信号放大。

有源传感器的一个很好的例子是LVDT传感器或应变计。应变计是压力敏感的电阻桥网络，它是外部偏置的（激励信号），其方式是产生与施加到传感器的力和/或应变量成比例的输出电压。

与有源传感器不同，无源传感器不需要任何额外的电源或激励电压。相反，无源传感器响应于一些外部刺激而产生输出信号。例如，热电偶在受热时会产生自己的电压输出。然后，无源传感器是直接传感器，可以改变它们的物理特性，例如电阻，电容或电感等。

但是除了模拟传感器，数字传感器产生一个代表a的离散输出二进制数或数字，例如逻辑电平“0”或逻辑电平“1”。

模拟和数字传感器

模拟传感器

模拟传感器产生连续的输出信号或电压，该信号或电压通常与被测量的量成比例。温度，速度，压力，位移，应变等物理量都是模拟量，因为它们往往是连续的。例如，液体的温度可以使用温度计或热电偶测量，当液体被加热或冷却时，温度计或热电偶会持续响应温度变化。

用于产生模拟信号的热电偶

模拟传感器倾向于产生随时间平滑且连续变化的输出信号。这些信号的值从几微伏（uV）到几毫伏（mV）非常小，因此需要某种形式的放大。

然后测量模拟信号的电路通常具有响应慢和/或精度低。通过使用模数转换器或ADC，模拟信号也可以很容易地转换成数字型信号，用于微控制器系统。

数字传感器

顾名思义，数字传感器产生离散的数字输出信号或电压，它们是被测量的数字表示。数字传感器产生逻辑“1”或逻辑“0”（“ON”或“OFF”）形式的二进制输出信号。这意味着数字信号仅产生离散（非连续）值，其可以作为单个“位”（串行传输）输出，或者通过组合这些位以产生单个“字节”输出（并行传输）。 / p>

用于产生数字信号的光传感器

在上面的简单示例中，通过使用数字LED /光电检测器传感器测量旋转轴的速度。固定在旋转轴上的圆盘（例如，来自电动机或机器人轮）在其设计中具有许多透明槽。当光盘以轴的速度旋转时，每个插槽依次通过传感器产生表示逻辑“1”或逻辑“0”电平的输出脉冲。

这些脉冲被发送到寄存器计数器，最后到输出显示器，以显示轴的速度或转速。通过增加盘内的槽或“窗口”的数量，可以为轴的每次旋转产生更多的输出脉冲。这样做的优点是可以检测到更高的分辨率和精度，因为可以检测到转数的分数。然后，这种类型的传感器装置也可用于位置控制，其中一个盘槽代表参考位置。

与模拟信号相比，数字信号或数量具有非常高的精度，可以以非常高的时钟速度进行测量和“采样”。数字信号的精度与用于表示测量量的位数成比例。例如，使用8位处理器，将产生0.390％的精度（256份中的1份）。使用16位处理器时，精度为0.0015％（1个65,536）或260倍精度。由于数字量的操作和处理速度非常快，比模拟信号快数百万倍，因此可以保持这种精度。

在大多数情况下，传感器和更具体的模拟传感器通常需要外部电源和某种形式的信号的附加放大或滤波，以产生能够被测量或使用的合适的电信号。在单个电路中实现放大和滤波的一种非常好的方法是使用如前所述的运算放大器。

传感器的信号调理

正如我们在运算放大器教程中看到的那样，当以反相或非反相配置连接时，运算放大器可用于提供信号放大。

传感器产生的非常小的模拟信号电压，如几毫伏甚至微微电压通过简单的运算放大器电路可以将电压放大多倍，产生更大的电压信号，例如5v或5mA，然后可以用作微处理器或基于模拟到数字的系统的输入信号。

因此，为了提供任何有用的信号，传感器输出信号必须用放大器放大，放大器的电压增益高达10,000，电流增益高达1,000,000，信号放大与输出信号呈线性关系输入的精确再现，只是改变了de。

然后放大是信号调节的一部分。因此，在使用模拟传感器时，在使用信号之前，通常需要某种形式的放大（增益），阻抗匹配，输入和输出之间的隔离或者可能需要滤波（频率选择），这可以通过操作方便地执行放大器。

此外，当测量非常小的物理变化时，传感器的输出信号会被不需要的信号或电压“污染”，从而无法正确测量所需的实际信号。这些不需要的信号称为“噪声”。通过使用我们在有源滤波器教程中讨论的信号调理或滤波技术，可以大大减少甚至消除噪声或干扰。

使用低通，或者a高通或甚至带通滤波器可以减少噪声的“带宽”，只留下所需的输出信号。例如，来自开关，键盘或手动控制的许多类型的输入不能快速改变状态，因此可以使用低通滤波器。当干扰处于特定频率时，例如电源频率，窄带抑制或Notch滤波器可用于产生频率选择滤波器。

典型运算放大器滤波器

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过滤后仍有一些随机噪音仍然存在，可能需要取几个样本，然后将它们平均给出最终值因此增加了信噪比。无论哪种方式，放大和滤波在“现实世界”条件下将传感器和传感器连接到微处理器和基于电子设备的系统中起着重要作用。

在下一个关于传感器的教程中，我们将研究位置传感器它测量物理对象的位置和/或位移，这意味着从一个位置到另一个位置的特定距离或角度的移动。