4. 传感器与信号调理

航天器测试中，数据采集系统真正“看到”的并不是温度、压力或振动，而是经过传感器转换、再经调理电路整形后的电压信号。传感器决定“能不能感知”，调理电路决定“测得准不准、传得远不远、抗不抗干扰”。本节围绕航天器常用的温度、压力、电压、电流、应变、振动六类传感器，梳理其输出特性，并给出隔离、放大、滤波、冷端补偿等调理电路的设计要点。

一、六类常用传感器的输出特性

温度测量在航天器上以热电偶和铂电阻为主。热电偶输出的是毫伏级热电动势，典型K型热电偶灵敏度约41 μV/℃，冷端必须补偿；铂电阻Pt100在0℃时阻值100 Ω，灵敏度约0.385 Ω/℃，需恒流激励后转为电压。压力测量常用压阻式或电容式变送器，压阻式满量程输出常为几十毫伏，且与激励电压成比例，适合比率式采集。电压测量多为直接分压或隔离放大后采集，量程从±5 V到±28 V母线不等。电流测量常用分流电阻或霍尔电流传感器，分流电阻方案需注意共模电压，霍尔方案则天然隔离但存在零漂。应变测量依赖惠斯通电桥，满量程输出通常仅1～3 mV/V，属于最微弱的信号之一。振动测量以压电加速度计为主，输出为电荷或IEPE电压，电荷型需电荷放大器，IEPE型内置电路需恒流供电并隔直。

这些差异决定了调理电路不能“一刀切”。毫伏级热电偶、微伏级应变桥与伏级母线电压若共用同一采集通道，必然出现分辨率浪费或饱和。工程上通常按信号电平与带宽分组，再为每组设计独立的调理前端。

二、调理电路的四项核心功能

放大的目标是把传感器输出抬升到ADC最敏感的量程区间。例如应变桥满量程3 mV/V、激励5 V时输出15 mV，若ADC量程为±10 V，理想增益约600倍。但增益不能只看满量程，还要核算噪声：仪表放大器输入失调漂移若为1 μV/℃，在600倍增益下等效输出漂移0.6 mV，对16位、10 V量程ADC（LSB约0.3 mV）已接近2 LSB，因此低温漂、斩波稳零型放大器更适合微弱信号。

隔离解决的是地电位差与共模干扰。航天器测试中，传感器地、采集地、供电地常不在同一电位，尤其电流分流测量和长线传输时。隔离放大器或数字隔离器可切断地环路，典型隔离电压从1 kV到2.5 kV。隔离会引入额外失调与温漂，需在指标中一并核算。

滤波分抗混叠与降噪两类。抗混叠滤波器截止频率应低于采样率的一半，例如采样率10 kS/s时截止频率取4 kHz以下，常用二阶巴特沃斯或Sallen-Key结构。对温度、压力等慢变量，截止频率可低至几赫兹，用一阶RC即可显著抑制工频与开关噪声。

冷端补偿是热电偶特有的环节。热电偶测得的是热端与冷端之间的温差电动势，必须加上冷端温度对应的电动势才是真实热端温度。常用方案是在接线端子处放置Pt100或集成温度传感器，测得冷端温度后查表或按多项式计算补偿电压。若冷端在25℃而误按0℃计算，K型热电偶将引入约1 mV误差，对应约24℃的测温偏差，可见补偿不可省略。

三、典型调理电路设计示例

以K型热电偶测温通道为例，说明一条完整链路的设计过程。假设测温范围0～600℃，采样率10 S/s，ADC为16位、±10 V量程。

第一步确定冷端补偿。在接线端子处安装Pt100，测得冷端温度T_cj，按K型热电偶分度表查得E(T_cj, 0℃)，该值即为补偿电动势。若T_cj=25℃，查表约1.000 mV。

第二步确定增益。K型热电偶在600℃时热电动势约24.9 mV，减去冷端补偿后约23.9 mV。ADC量程±10 V，若希望满量程利用80%，则目标输出约8 V，增益G≈8000/23.9≈335。取标准增益300，输出约7.17 V，留有余量。

第三步选择放大器。热电偶源阻抗低，但信号微弱，选用斩波稳零仪表放大器，输入失调电压小于5 μV，失调漂移小于0.05 μV/℃。在增益300下，输出失调漂移约15 μV，远小于ADC的LSB（0.3 mV），满足要求。

第四步设计滤波。采样率10 S/s，抗混叠截止频率取4 Hz以下。采用二阶Sallen-Key低通，R=10 kΩ、C=4.7 μF，截止频率约3.4 Hz。该滤波器同时抑制50 Hz工频干扰，在50 Hz处衰减约40 dB。

第五步核算噪声。放大器输入电压噪声密度若为20 nV/√Hz，带宽3.4 Hz，则输入噪声约37 nV，增益300后约11 μV，折合温度约0.27℃。该噪声水平对一般温度监测足够，若需更高精度可进一步降低带宽或选用更低噪声放大器。

四、隔离与接地的工程取舍

隔离并非越多越好。每增加一级隔离，就增加一份失调、温漂和功耗。工程上优先在以下位置设置隔离：传感器与采集系统之间存在较大地电位差时；传感器供电来自不同电源域时；长线传输易引入共模干扰时。对于同一电源域、短距离、低共模的通道，可省略隔离，改用仪表放大器的高共模抑制比来应对。

接地方面，模拟地与数字地应在ADC处单点连接，避免数字回流穿过模拟区域。传感器屏蔽层应单端接地，通常接采集端，防止形成地环路。若传感器本身已接地，则采集端屏蔽层应改为通过电容接地，兼顾屏蔽与隔直。

五、参数核对清单