第二节 传感器与信号基础：常见传感器类型及其输出信号特性

传感器是信号调理电路的信号源，其输出特性直接决定了后续放大、滤波、线性化、隔离等调理策略的选型与参数设计。不同类型的传感器基于不同的物理效应，输出信号的幅度、阻抗、频率范围、非线性特征以及共模/差模干扰特性差异极大。若在电路设计之初未对传感器输出特性进行准确评估，后续调理电路往往会出现增益配置不当、输入阻抗不匹配、带宽不足或噪声抑制失效等问题。本节将系统梳理电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式五大类常用传感器的物理原理、等效模型、输出信号特性及调理设计要点，为后续章节的电路设计打下基础。

2.1 电阻式传感器：电桥与激励设计

核心原理

电阻式传感器基于电阻值随被测量变化的物理效应，主要包括金属应变片（压阻效应）、热电阻（PT100/NTC）、电位器式位移传感器等。其基本等效模型为一个可变电阻 \( R_x = R_0(1 + k \cdot x) \)，其中 \( R_0 \) 为初始电阻，\( k \) 为灵敏度系数，\( x \) 为被测量。实际应用中，电阻式传感器几乎总是接入惠斯通电桥，将电阻变化转换为差分电压输出。电桥输出 \( V_{out} = V_{exc} \cdot \frac{\Delta R}{4R_0} \)（单臂工作），当 \( \Delta R \ll R_0 \) 时近似线性。

输出信号特性与调理判断

案例拆解：称重传感器信号链设计

某工业称重系统采用4个350Ω应变片组成全桥，灵敏度2mV/V，激励电压5V，满量程输出±10mV。初始设计直接采用单运放差分放大，发现共模电压导致输出漂移严重。分析后改用三运放仪表放大器（如AD8226），增益设为100倍，并增加二阶低通滤波（截止频率10Hz）抑制工频干扰。关键改进：在电桥激励端增加Kelvin四线制连接，消除导线电阻影响；在仪表放大器参考端加入2.5V偏置，使输出在0~5V范围内。实测满量程输出4.98V，非线性误差0.15%，满足0.2%精度要求。

2.2 电容式传感器：微小电容检测与杂散电容抑制

核心原理

电容式传感器通过极板间距、相对面积或介电常数变化改变电容量，典型结构包括变极距型（\( C = \varepsilon A / d \)）和变面积型。其输出并非直接电压或电流，而是电容值变化，必须通过交流激励和C/V转换电路（如电荷放大器、AC电桥、开关电容电路）转换为电压信号。变极距型传感器存在固有非线性：\( \Delta C/C_0 = \Delta d/d_0 \cdot \frac{1}{1-\Delta d/d_0} \)，当 \( \Delta d/d_0 > 10\% \) 时非线性显著。

输出信号特性与调理判断

• 幅度：电容变化量极小，典型为0.1~10pF，需检测fF级变化。
• 阻抗：低频下容抗极高（如10pF@1kHz≈16MΩ），要求前置放大器输入阻抗≥1GΩ。
• 频率：必须施加交流激励（典型10kHz~1MHz），输出信号频率与激励相同，需解调。
• 非线性：变极距型非线性随量程增大而恶化，差动结构可显著改善。

实战场景：电容式位移传感器调理

某精密位移测量系统采用变极距差动电容传感器，极板面积A=4cm²，初始间距d₀=1mm，量程±0.2mm。设计采用1MHz正弦激励，C/V转换采用电荷放大器，反馈电容C_f=10pF。关键处理：在传感器周围设置等电位屏蔽环（guard ring），并将屏蔽层驱动至与传感器低端等电位，消除电缆电容（约50pF/m）的影响。实际测试中，未加屏蔽时输出漂移达200mV，加入屏蔽驱动后漂移降至5mV以下。系统最终分辨率达到0.1µm，非线性0.3%。

2.3 电感式传感器：载波激励与相敏解调

核心原理

电感式传感器包括自感式（可变磁阻）、互感式（差动变压器LVDT）和电涡流式。以LVDT为例，初级线圈施加交流激励，两个次级线圈反向串联，铁芯位移改变互感耦合，输出差分电压。其输出特性为：零位时输出接近零（存在残余电压），满量程时输出可达数百mV至数V。LVDT的线性度极佳，典型为±0.25%满量程。

输出信号特性与调理判断

案例拆解：LVDT位移传感器调理电路

某液压缸活塞位置监测采用LVDT，量程±50mm，激励频率5kHz，激励电压3Vrms。初始方案采用简单的二极管整流电路，发现输出纹波大且温度漂移明显。改进方案：采用同步解调芯片（如AD698），内部集成正弦波激励、同步解调、滤波和电压输出。AD698输出0~10V对应满量程，非线性优于±0.05%。关键参数设置：激励频率由外部电容设定（C_osc=1nF对应5kHz），解调带宽设为100Hz。实测在-40°C~+85°C范围内，温漂系数小于0.01%/°C。

2.4 压电式传感器：电荷放大与时间常数

核心原理

压电式传感器基于压电效应，当晶体受到机械应力时产生与应力成正比的电荷。其等效电路为电荷源Q与电容C_p并联，并存在极高的绝缘电阻R_p（>10GΩ）。由于电荷会通过绝缘电阻泄漏，压电传感器不能测量静态信号，仅适用于动态测量。其输出阻抗极高，必须接入电荷放大器（具有电容反馈的高增益运算放大器）将电荷转换为电压：\( V_{out} = -Q/C_f \)。

输出信号特性与调理判断

• 幅度：电荷量通常为pC~nC级，取决于灵敏度和受力大小。
• 阻抗：等效源阻抗极高（>1GΩ），要求电荷放大器输入阻抗极高且偏置电流极小（<1pA）。
• 频率：下限频率由反馈电容与反馈电阻决定（\( f_L = 1/(2\pi R_f C_f) \)），上限频率受运放带宽限制。
• 非线性：压电材料本身线性度较好，但高温下灵敏度变化明显。

实战场景：振动加速度计信号调理

某旋转机械振动监测采用IEPE型压电加速度计（内置电荷放大），灵敏度100mV/g，量程±50g。信号调理电路需提供4mA恒流激励（典型IEPE要求2~20mA），并通过隔直电容去除2~4V的直流偏置。设计要点：隔直电容与后续放大器输入电阻构成高通滤波器，截止频率设为1Hz（\( C=1\mu F, R=160kΩ \)），以保留低频振动分量。同时加入抗混叠低通滤波器（截止频率为采样率的0.4倍）。实测在10Hz~10kHz范围内幅值误差小于±2%，相位误差小于5°。

2.5 热电式传感器：冷端补偿与线性化

核心原理

热电式传感器包括热电偶（塞贝克效应）、热电阻（RTD）和热敏电阻（NTC/PTC）。热电偶输出为热端与冷端之间的温差电动势，典型灵敏度为10~60µV/°C。RTD利用金属电阻随温度变化，PT100在0°C时100Ω，灵敏度约0.385Ω/°C。NTC热敏电阻灵敏度高（-4%/°C）但非线性严重。

输出信号特性与调理判断

案例拆解：K型热电偶测温调理电路

某工业炉温监控系统采用K型热电偶，测温范围0~800°C。调理电路设计：采用AD8495专用热电偶放大器（增益122.4，内置冷端补偿），输出10mV/°C。关键问题：冷端补偿依赖板载温度传感器，需将热电偶冷端与AD8495的补偿点保持良好热接触。实际布局中，将冷端连接器紧贴芯片放置，并覆铜以均衡温度。实测在25°C环境温度下，测量误差±1.5°C；当环境温度变化至60°C时，误差增大至±3°C，原因是冷端温度梯度。改进措施：增加冷端等温块设计，误差恢复至±1.8°C。

2.6 传感器输出特性对比与调理策略总结