工业传感器与变送器详解：07 传感器信号调理电路

第7章 传感器信号调理电路

——从微弱传感信号到可靠工业测量数据

传感器本身只是完成了“物理量 → 初始电信号”的转换。但工业现场真正需要的是稳定、准确、抗干扰、可传输的工程测量信号。因此，在传感器与控制系统之间，必须存在一个关键环节：信号调理电路（Signal Conditioning Circuit）。

工业测量完整链路为：

物理量 → 传感器 → 微弱模拟信号 → 信号调理电路 → ADC数字转换 → MCU计算 → 工程变量 → 4–20 mA / HART / 现场总线 → PLC / DCS

例如，一个压力传感器输出：压力 → 压阻桥 → 2 mV/V → 5 mV信号。这个信号太小、易受干扰、无法直接传输，必须经过放大 → 滤波 → 校准 → 转换 → 输出，才能成为工业仪表信号。

本章重点分析惠斯通电桥、仪表放大器、可编程增益放大器（PGA）、滤波技术、传感器激励、高精度基准源和电气隔离技术。

7.1 传感器为什么需要信号调理？

7.1.1 传感器输出特点

工业传感器输出通常具有以下特点：

1. 信号微弱
   例如压力桥输出0～20 mV，热电偶输出0～50 mV，应变计甚至只有μV级。

2. 非线性
   传感器输出往往不是完全线性，需要软件补偿或曲线修正。

3. 易受干扰
   工业现场存在电机、变频器、继电器和大电流线路，产生电磁干扰、共模干扰和高频噪声。

4. 输出范围不匹配
   例如传感器输出0–10 mV，而ADC输入范围为0–3.3 V，需要放大。

因此，信号调理电路承担“微弱信号 → 可测量信号”的转换任务。

7.2 惠斯通电桥（Wheatstone Bridge）

——工业传感器最重要的信号转换结构

大量工业传感器采用电桥结构，例如压力传感器、称重传感器、应变计和扭矩传感器。

7.2.1 基本结构

经典惠斯通电桥结构为：

V+ | R1 R2 /\/\ /