2. 模拟量信号基础与传感器输出特性
在传感器与采集系统之间，真正传递信息的不是“物理量”本身，而是被传感器转换后的电信号。理解这个电信号以什么形式输出、幅值多大、内阻多高、能覆盖多宽的频率范围，是设计或选择后续采集电路的前提。本节围绕三类最常见的传感器输出——电压型、电流型和电阻型——展开，重点说明它们的等效电路模型，以及信号幅值、带宽、输出阻抗与采集电路之间的匹配关系。
三类输出及其等效电路
电压型输出是最直观的形式。传感器内部可等效为一个理想电压源 Vs 串联一个输出阻抗 Ro。例如常见的 0～5 V、0～10 V 或 ±10 V 输出的变送器、霍尔电压传感器。负载接入后，实际送到采集端的电压为 Vload = Vs · Rin / (Ro + Rin)。这说明只要 Rin 远大于 Ro，分压误差就可以忽略；反之，若采集端输入阻抗不够高，读数会系统性偏低。电压型输出的优点是接口简单、便于多路复用，缺点是长线传输时易受线路压降和电磁干扰影响，且输出阻抗越高、线缆电容带来的低通效应越明显。
电流型输出以 4～20 mA 为代表，其等效模型是一个受物理量控制的电流源并联一个较高的内阻 Ro（通常远大于负载）。电流在串联回路中处处相等，因此只要回路完整，接收端电阻 Rl 上的电压 V = I · Rl 就与导线电阻无关，这正是电流型抗长线压降、抗干扰能力强的根本原因。4 mA 作为“活零点”还能区分“信号为零”和“断线故障”。代价是需要足够的回路供电电压，且接收电阻不能过大，否则会超出变送器的负载能力。
电阻型输出常见于热电阻（Pt100、Pt1000）、应变片、电位器等。它本身不是电源，必须由采集电路提供激励才能变成可测电压。以 Pt100 为例，0 ℃ 时约 100 Ω，100 ℃ 时约 138.5 Ω，灵敏度约 0.385 Ω/℃。若采用恒流激励 Iex，则 V = Iex · Rt，但引线电阻 Rw 会直接叠加进测量结果，因此工程上普遍采用三线制或四线制接法来抵消引线误差。电阻型输出还必须关注自热效应：激励电流过大，电阻自身发热会使读数偏高。
幅值、带宽与输出阻抗的工程含义
幅值决定采集电路的量程与增益分配。以 4～20 mA 经 250 Ω 精密电阻转换为 1～5 V 为例，若 ADC 参考电压为 5 V，则信号只占满量程的 20%～100%，低端分辨率被浪费；若改用 500 Ω 接收电阻，则得到 2～10 V，已超出 5 V 量程，必须重新分配。因此接收电阻的取值要同时满足“变送器负载能力”和“ADC 量程”两个约束。电压型信号则要考虑共模范围，例如 ±10 V 信号接入 0～5 V 单端 ADC 前，需要先做电平搬移或差分衰减。
带宽反映信号中有效频率成分的范围。温度、称重等慢变量带宽通常只有几赫兹，而振动、电流瞬态可达数千赫兹。带宽与采集端构成低通环节：电压型输出阻抗 Ro 与线缆电容 Cc、采集端输入电容共同形成截止频率 fc = 1 / (2π · (Ro + Rs) · C)。假设 Ro = 1 kΩ、线缆电容 100 pF/m、长度 10 m，则 C ≈ 1 nF，fc ≈ 159 kHz，对慢变量绰绰有余；但若 Ro 升到 100 kΩ，fc 降到约 1.6 kHz，高频成分就会被削弱。采样率方面，按奈奎斯特准则至少取信号最高频率的 2 倍，工程上常取 5～10 倍并配合抗混叠滤波。
输出阻抗是连接传感器与采集电路的“隐形参数”。电压型要求高输入阻抗，一般取 Rin ≥ 100 × Ro，可使分压误差控制在 1% 以内；电流型则相反，希望接收端阻抗稳定且不过大，因为 Rl 过大会使变送器输出电压超出其允许范围而无法维持恒流；电阻型没有“输出阻抗”概念，但引线电阻、接触电阻会直接进入测量回路，必须用三线/四线制或比率法消除。
一个匹配核算示例
假设选用一只 0～10 V 输出的压力变送器，输出阻抗标称 500 Ω，采集卡输入阻抗 1 MΩ，线缆长 20 m、分布电容约 100 pF/m。先算分压误差：1 MΩ / (1 MΩ + 500 Ω) ≈ 0.9995，误差约 0.05%，可接受。再算带宽：C = 2 nF，fc = 1 / (2π × 500 × 2×10⁻⁹) ≈ 159 kHz，远高于压力信号所需的几十赫兹。若换用输出阻抗 100 kΩ 的同类传感器，分压误差仍小，但 fc 降至约 796 Hz，此时若现场存在变频器高频干扰，反而可能因带宽下降而“被动滤波”，但也会削弱真实的快速压力脉动，需要重新评估。
常见失配与判断依据
- 读数整体偏低且随线长变化：多为电压型输出阻抗偏高、采集端输入阻抗不足，形成明显分压。
- 4～20 mA 回路在低端跳变或断流：接收电阻过大或供电电压不足，变送器无法维持恒流，应核算
Vsupply ≥ I_max · (Rl + Rwire) + Vmin。 - Pt100 读数偏高且随激励电流增大：自热效应明显，应降低激励电流或采用脉冲激励。
- 信号高频成分丢失、边沿变缓：输出阻抗与线缆电容形成的低通截止频率过低，需缩短线缆、降低源阻抗或加缓冲。
把这三类输出的等效电路记在脑中，再结合幅值、带宽、阻抗三个参数逐项核算，就能在传感器与采集电路之间建立起可预测、可验证的匹配关系，而不是靠试错去“调出来”。