机电一体化系统设计-检测技术与信号处理

检测技术与信号处理本章内容CONTENTS

检测系统组成1

常用的检测传感器2

传感器接口3

传感器信号处理43

4.1检测系统组成图4-1检测单元组成4

4.1.1传感器组成与基本特性1.传感器的组成

传感器：是以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量元件或装置。5

4.1.1传感器组成与基本特性传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路等组成图4-2传感器的结构组成框图6

4.1.1传感器组成与基本特性2.基本特性传感器的基本特性可分为静态特性和动态特性。静态特性：检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系（线性度、灵敏度、重复性、迟滞性、漂移）动态特性：传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性，反映的是传感器测量动态信号的能力7

4.1.2传感器分类与选用1.传感器分类（1）按被测物理量的性质可分为位移传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器、流量传感器等。（2）按工作原理可分为物理传感器（电阻式、电感式、电容式、光电式、超声波式、霍尔式）、化学传感器、生物传感器等。（3）按照输出信号的性质可分为开关型（二值型）、数字型和模拟型。8

4.1.2传感器分类与选用2.传感器选用一般来说，机电一体化系统对常用传感器选则的应考虑以下几个方面因素：类型、精度、灵敏度、响应特性、稳定性、线性范围。9

4.2常用的检测传感器

4.2.1位置传感器1.位置传感器分类接触式：接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作（行程开关、二维矩阵式位置传感器等）接近式：接近式位置传感器按其工作原理主要分为电磁型、光电型、静电容型、气压型、超声波型等，实质都是利用传感器与被测物体之间产生的某种效应，例如电感量、光通量、电场强度、压力、时间等变化获知被测物体的位置信息。10

4.2.1位置传感器图4-4接近式位置传感器工作原理11

4.2.1位置传感器2.常用的传感器介绍（a）接近开关（b）液位传感器（a）扩散反射型（b）U型图4-5

超声波位置传感器图4-6

光电式位置传感器12

4.2.2位移传感器

位移测量所涉及的范围相当广泛，可分为直线位移和角位移测量。小位移测量通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器等进行检测，大位移测量常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅、直线编码器等传感器测量。角位移测量可用旋转编码器、旋转变压器、圆光栅等进行测量。13

4.2.2位移传感器1.编码器

根据工作原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式可分为增量式、绝对式以及混合式三种。按机械结构分为旋转编码器和线性编码器。14

4.2.2位移传感器图4-7增量式光电编码器15

4.2.2位移传感器图4-8绝对式编码器16

4.2.2位移传感器2.光栅尺

光栅尺是一种采用光栅产生的叠栅条纹（也称莫尔条纹）原理测量位移的传感器。它在一块长条形的光学玻璃上刻有密集等间距的平行线，刻线密度一般在25～250线/mm。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。17

4.2.2位移传感器图4-9光栅工作原理18

4.2.2位移传感器应用场景：光栅尺一般应用在数控机床、三坐标测量机等精密设备中，可用于静态或动态直线位移、整圆角位移测量，在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。光栅的扫描方式一般采用成像扫描法或干涉扫描法。特点：成像扫描的原理是采用透射光或反射光生成信号，栅距相同的光栅尺和扫描光栅彼此相对运动，优点是量程大和精度高。扫描光栅的基体是透明的，而作为测量基准的光栅尺可以是透明的也可以是反射的。光电扫描为非接触扫描，因此无磨损。19

4.2.2位移传感器图4-10成像扫描光栅的工作原理（a）透射式光栅（b）反射式光栅20

4.2.2位移传感器光栅尺的选用：考虑的因素有测量精度、分辨率、使用寿命、抗干扰与污染能力、信号输出形式、通讯方式、安装方式、价格等。在以上因素中测量精度最为重要，影响光栅尺则量精度的因素有光栅质量、扫描质量、信号处理电路、光栅尺相对扫描单元的方向误差等。21

4.2.3速度传感器

速度测量包括线速度和角速度测量，与之相对应的有线速度传感器和角速度传感器，统称为速度传感器。常用的检测转速的传感器有测速发电机、光电式速度传感器、磁电式速度传感器、激光测速传感器、雷达测速传感器等。22

4.2.3速度传感器

1．光电式速度传感器

光电式转速传感器由装在被测轴上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，在检测和控制领域得到了广泛的应用。传感器按结构形式可分为直射式、反射式、投射式三种基本形式。23

4.2.3速度传感器图4-11

直射型光电式传感器24

4.2.3速度传感器

2.霍尔式速度传感器

霍尔速度传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等优点。25

4.2.3速度传感器图4-12

霍尔速度传感器26

4.2.3速度传感器

3.激光测速传感器

激光测速传感器有两种类型，一种是利用激光反射式测速原理，另一种是利用激光多普勒测速原理。激光反射式测速传感器：利用激光测距的原理，它对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光多普勒测速传感器：测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。27

4.2.4压力传感器

压力传感器是将压力转换为电信号输出的检测元件，一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。按其工作原理不同，压力传感器类型可分为电容式、压磁式、压电式、应变片式、霍耳式、光纤式、谐振式等类型。28

4.2.4压力传感器1.压阻式力传感器

压阻式力传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。2.应变片式力传感器

应变片压力传感器是利用了电阻应变片的基本原理。3.压磁式力传感器

压磁式传感器也称磁弹性传感器，是利用铁磁材料的压磁效应制成的传感器。29

4.2.4压力传感器图4-13压阻式力传感器图4-14应变片式压力传感器30

4.2.4压力传感器图4-15压磁式力传感器工作原理31

4.2.4压力传感器4.压电式力传感器

压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，它是一种自发电式和机电转换式的传感器。它的敏感元件由压电材料制成，当压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等；缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。32

4.2.5流量传感器

流量传感器是用测量流体流量的传感器，被广泛的应用于工业过程控制、商业应用、军事等领域，流量传感器按测量对象可分为气体测量和液体测量；按测量物理量可分为体积流量和质量流量；按结构类型可分为差压式、涡轮式、电磁式、流体振动式、转子式、往复活塞式、旋转活塞式、冲击板式、分流旋翼式、热动式。33

4.2.5流量传感器1.涡轮式流量传感器

涡轮式流量传感器是以动量矩守恒原理为基础，利用置于流体中的涡轮的旋转速度与流体速度成比例的关系来反映通过管道的体积流量。它先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。34

4.2.5流量传感器图4-16涡轮式流量传感器35

4.2.5流量传感器2.差压式流量传感器

差压式流量传感器又叫节流式流量传感器，它是利用流体流经节流装置时产生压力差的原理来进行流量测量。图4-17差压式流量传感器工作原理36

4.2.5流量传感器3.电磁式流量传感器

电磁流量传感器是基于法拉第电磁感应定律的一种流量检测装置，即导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电压。图4-18电磁流量传感器工作原理37

4.2.6温度传感器

温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件，是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用较广的传感器之一，广泛应用于工农业生产、科学研究以及日常生活中。38

4.2.6温度传感器1.分类

温度传感器按测量方式分为接触式测量和非接触式测量两种类型。接触式温度传感器直接与被测物体接触测量温度。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出的红外线测量物体的温度，可进行遥测，但制造成本较高，测量精度低。

温度传感器按测量原理可分为热电偶、热电阻、红外辐射、双金属片、液体膨胀、分子状态变化、半导体等类型。39

4.2.6温度传感器2.常用温度传感器

热电偶型：热电偶是将温度量转换为电动势大小的热电式传感元件。当两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。热电阻型：热电阻型温度传感器是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成的温度传感器，常用于200～500°C范围内的温度测量。大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻，纯金属有正的温度系数，半导体有负的电阻温度系数。40

4.2.6温度传感器图4-19普通型热电偶41

4.2.6温度传感器图4-20热电阻型温度传感器（a）金属热电阻型（b）热敏电阻型42

4.2.6温度传感器红外线型：红外温度传感器是利用热辐射效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。红外温度传感器多数情况下是通过赛贝克效应来探测辐射的，当器件接收辐射后，引起非电量的物理变化，再转换成电物理量输出。半导体型：半导体温度传感器是利用半导体二极管、三极管的特性与温度的依赖关系制成的温度传感器。非接触型半导体温度传感器可检出被测物体发射出的电磁波能量。传感器可以将放射能直接转换为电能的半导体物质，也可以先将放射能转换为热能，使温度升高，然后将温度变化转换成电信号输出。43

4.3传感器接口

传感器检测到的信号通过接口输入到计算机中，输入到计算型机中的检测信息必须是计算机能够处理的数字量信息。传感器的信号需要通过相应的接口输入到计算机中进行信息处理。计算机输入接口的作用是实现对传感器的信号采样、电平转换、信号隔离、放大等。传感器输出信号分为模拟量、数字量和开关量三种类型，对应的接口电路、功能、连接方式也不相同。44

4.3.1开关量接口

对于开关量输出的传感器，例如机械式的行程开关，光电式、红外线、超声波位置传感器等，只需要将传感器的开关信号接入到控制计算机输入接口回路中即可，计算机输入接口可以将开关信号转换成0、1数字量信号后输入到计算机的内部数据总线上。

传感器开关量信号输入还要注意计算机输入接口类型，开关量输入接口分为源型输入和漏型输入两种类型，其接线方式也不相同。45

4.3.1开关量接口图4-21漏型开关量输入接口接线图4-22源型开关量输入接口接线46

4.3.2模拟量接口

这里所说的模拟量接口指传感器的输出接口，它连接到计算机的模拟量输入接口。模拟量输出型传感器是把非电量的信号转换成电流、电压、频率、脉冲信号等输出的传感器，它输出的是与输入物理量相对应的连续变化的电量。采用模拟量输出的传感器有温度传感器、压力传感器、流量传感器等。47

4.3.2模拟量接口1.信号输出类型

电压输出型：电压输出型将检测信号转换为单极性或双极性电压信号输出。单极性输出的电压范围有0～5V、0～10V、1～5V、1～10V等，1～5V输出是标准电压信号；双极性输出电压范围有±50mV、±250mV、±500mV、±1V、±2.5V、±5V、±10V等。传感器信号通过运算放大器直接输出，信号功率小于0.05W。在计算机侧，模拟量信号通过A/D转换器转换成数字信号输入到计算机。早期的模拟量输出传感器大多为电压输出型，但是电压输出型传感器在信号应用于远距离传输时，其抗干扰能力较差，线路损耗大，测量精度受到较大影响。

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4.3.2模拟量接口电流输出型：电流输出型将检测信号转换成0~20mA、4~20mA或者±3.2mA、±10mA、±20mA电流信号输出。采用电流信号输出的传感器不容易受外界的干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上传输距离可以达数百米。电流输出型传感器的接线分为二线制、三线制和四线制三种类型。

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4.3.2模拟量接口图4-23传感器接线方式（a）二线制（b）三线制（c）四线制50

4.3.2模拟量接口脉冲输出型：脉冲输出传感器将被转换量转换成对应的脉冲信号输出，例如一些增量式位移传感器、转速传感器、流量计就采用脉冲输出型。计算机端通常采用计数器接受传感器输出的脉冲信号，再把它转换成数字信号，因此信号接受、处理比较方便。与电压、电流的模拟信号相比，脉冲信号便于远距离传输且不会降低精度，而且没有零点漂移，抗干扰性好。

频率输出型：频率输出传感器将被转换量转换成对应的频率信号，频率一般在5kHz以下。频率输出型传感器可随着被测变量对应地输出交变信号，因此容易和数字系统相匹配。51

4.3.2模拟量接口2.信号采样与转换

信号采样：对传感器输出信号采样，能完成这种功能的器件称之为采样/保持器。采样/保持器在保持阶段相当于一个模拟信号存储器。在计算机模拟量输入通道中，为了得到一个平滑的模拟信号或对多通道进行分时控制时，也常使用采样/保持器。

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4.3.2模拟量接口图4-24采样保持电路图4-25LF398采样/保持芯片53

4.3.2模拟量接口信号转换：传感器的输出信号输入到计算机之前还需要经过模数转换，完成模数功能的器件称之A/D转换器。A/D转换器的种类较多，但目前应用较多的类型有逐次逼近型、双积分型、V/F变换型、Σ-Δ型。

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4.3.2模拟量接口逐次逼近型A/D转换器：基本原理是将待转换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼进。这种A/D转换器速度很快，但精度一般不高。常用的芯片有ADC0801、ADC0802、AD570等。双积分型A/D转换器：基本原理是先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。常用的芯片有ICL7135、ICL7109等。55

4.3.2模拟量接口V/F转换器：将电压信号转换成频率信号的电子器件，具有较好的精度和线性，而且电路简单，对环境适应能力强，价格低廉，适用于非快速的远距离传输信号的A/D转换。TD650是一款高精度、高频型单片集成了电压频率（V/F）和频率电压（F/V）转换的芯片，它可构成廉价高分辨率低速A/D转换器。型A/D转换器：由积分器、比较器、D/A转换器和数字滤波器等组成。工作原理近似于积分型，将输入电压转换成脉冲宽度信号，用数字滤波器处理后得到数字量，这种转换器的转换精度高，达到16到24位的转换精度，缺点是转换速度慢，适合用于对检测精度要求很高但对速度要求不高的场合。其中，D7705为完整16位、低成本的型ADC转换器，适合直流或低频交流信号的测量应用。56

4.3.2模拟量接口图4-26TD650转换器图4-27AD7705转换器57

4.3.2模拟量接口

接口连接：模拟量输出传感器与计算机的连接方式也有多种形式，当有多个传感器信号输入到计算机中处理时，其端口的连接方式主要有多路开关切换共享A/D转换型、多路采样/保持共享A/D转换型、多路独立A/D转换型三种方式。

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4.3.2模拟量接口

多路开关切换共享A/D型：模拟输入通道中只有一个放大器、采样保持器和A/D转换器。多路传感器信号通过多路开关切换，在同一时刻只能对一个传感器进行采样。该类型适合于中低速采样，在A/D转换器为逐次逼近式的情况下必须增加采样保持器，在采用间接比较式A/D转换器的情况下可以不加采样保持器，成本低。59

4.3.2模拟量接口图4-28多路开关切共享A/D型60

4.3.2模拟量接口

多路采样/保持共享A/D转换型：模拟量输入通道共用一个放大器和A/D转换器，每一路传感器接口中都有相对应的采样/保持器，可在同一时刻对每一路传感器信号进行采样/保持后，但只能通过轮流的方式对每路数据进行A/D转换。这种类型能够保证多路信号的相位关系，成本较低。61

4.3.2模拟量接口图4-29多路采样/保持共享A/D型62

4.3.2模拟量接口

多路独立A/D转换型：每一路传感器信号有各自独立的采样/保存持器、放大器、A/D转换器，可同时采样多路信号并进行转换。这种接口类型信号转换速度快，且能够保证各路信号的相位，但成本高。63

4.3.2模拟量接口图4-30多路独立A/D转换型64

4.3.2数字量接口数字量输出型传感器有计数型和代码型两种类型。计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数，利用计数器对输入脉冲进行计数，可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。代码型：输出的信号是数字代码，每个代码代表一个输入量，例如绝对编码器、绝对光栅就是这种类型。65

4.3.2数字量接口1.并行输出接口

并行输出接口输出线的根数与输出位数一致，每根电缆代表一位数据，输出电平的高低代表1或0，物理器件与增量值编码器相似，有集电极开路NPN、PNP、差分驱动、推挽HTL等，分高电平有效或低电平有效来适应PNP或NPN的物理器件。66

4.3.2数字量接口2.串行输出接口

串行输出就是数据集中在一组电缆上传输，通过约定在时间上有先后时序的数据输出，这种约定称为通讯规约。串行输出连接线数量少，传输距离远，一般位数高的绝对值编码器都是用串行输出，常用SSI、BiSS通信协议等。串行通讯又分同步与异步两种方式，同步方式就是指令与数据发送同步进行，即指令和数据通过各自的电缆同步发送。67

4.3.2数字量接口3.现场总线接口

现场总线是连接控制现场传感器与控制室内控制装置的数字化、多站通信的网络，优点是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。现场总线和其他类型的信号输出模式比较有一定的特殊性，其他输出类型在使用过程中基本是单独使用，而现场总线型则不同，可实现多个传感器的共同使用，在一对双绞线上可挂接多个传感器。由于现场总线还没有形成统一的标准，所以采用现场总线输出的传感器数量并不多，但它是未来传感器接口技术的发展方向之一。68

4.4传感器信号处理

4.4.1信号放大

信号放大是传感器信号处理的一个重要环节，传感器敏感元件检测并经过转换得到的电信号是一个微弱信号，多数是毫伏量级的信号，电流小，其功率不足以直接驱动显示器、记录仪或各种测量控制机构，通常需要通过放大电路对该号进行放大。传感器信号放大采用放大器类型主要有测量放大器、增益放大器、隔离放大器等。69

4.4.1信号放大1.测量放大器

测量放大器又称仪表放大器，是一种具有精密差动电压增益的放大器件。由于其具有高输入阻抗、低输出阻抗、低温漂、高共模抑制能力、低失调电压、高稳定增益等诸多特点，主要用于微弱信号检测中的前置放大器。70

4.4.1信号放大工作原理:下图为二级运算放大器组成的测量放大器原理图。该放大器由三个运算放大器构成的两级电路，第一级由两个同相放大器构成，具有极高的输入阻抗；第二级是普通的差动减法放大器，将双端输入信号转换为对地的单端输出。外接电阻Rg不影响电路的共模抑制比，却可以很方便调节差模电压的放大倍数。放大器的共模抑制比只与A1、A2的一致性和4个电阻R的一致性有关，该放大器的放大倍数为71

4.4.1信号放大图4-34测量放大器原理图72

4.4.1信号放大测量放大器芯片:用于测量放大的芯片较多，其中AD522是高精度单片集成测量放大器，它可用在恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合，非线性度仅为0.005%（G＝100时），在0.1Hz～100Hz频带内的噪声峰值为1.5mV，其共模抑制比大于100dB（G＝l00时）。73

4.4.1信号放大图4-35AD522引脚图图4-36AD522连接方式74

4.4.1信号放大2.增益放大器

在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器共用一个放大器。当切换通道时，必须迅速调整放大器的增益，称增益调控放大器。增益调控放大器分为自动增益放大器和程控增益放大器两大类。75

4.4.1信号放大自动增益放大器:它先对信号作试探放大，将放大信号送至ADC，使其转换成数字信号，再经逻辑电路判断，送至译码驱动装置，用以调整使其转换成数字信号，再经逻辑电路判断，送至译码驱动装置，用以调整放大器的增益。这种方法工作速度较慢，不适于高速系统。程控增益放大器：程控增益放大器是智能仪器仪表常用的部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨率，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制，这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。76

4.4.1信号放大图4-37自动增益放大器图4-38程控增益放大器77

4.4.1信号放大3.隔离放大器

隔离放大器的作用是对模拟信号进行隔离，并按照一定的比例放大。隔离放大器可应用于高共模电压环境下的小信号测量，对被测对象和数据采集系统予以隔离，从而提高共模抑制比，同时保护电子仪器设备和人身安全。它可以对电压、电流、频率、脉冲、正弦波、方波、转速等各种信号进行变送、转换、隔离、放大，满足远程数据采集的需求。隔离放大器按耦合方式的不同，可以分为变压器耦合、电容耦合和光电耦合三种。78

4.4.2滤波处理

在传感器的输入信号中一般都含有各种干扰信号，它们来自被测信号本身或者外界的干扰。滤波就是对信号中特定的波段频率进行滤除，是抑制和防止干扰的一项重要措施。按工作原理不同，滤波可分为模拟滤波和数字滤波两种类型。79

4.4.2滤波处理1.模拟滤波

模拟滤波是对模拟信号进行滤波，用来模拟滤波的电路或器件称之为滤波器，其功能是允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过。按所采用的元器件不同分为无源和有源滤波器。滤波器按所通过信号的频段分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器五种类型。80

4.4.2滤波处理2.数字滤波

数字滤波就是通过一定算法的程序计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，提高信噪比。它与硬件RC滤波器相比具有以下优点：数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性；可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低；81

4.4.2滤波处理下面介绍几种常用的数字滤波方法算术平均值法：算术平均值法是寻找一个值

，使该值与各采样值间误差的平方和为最小；中值滤波法：中值滤波法就是对某一个被测量对象连续采样n次（一般取奇数），然后把n个采样值从小到大或从大到小排序，再取中间值作为本次采样的结果，对缓慢变化的过程有效果，不宜用于快速变化的过程参数。82

4.4.2滤波处理下面介绍几种常用的数字滤波方法防脉冲干扰复合滤波法：防脉冲干扰复合滤波法是将算术平均值法和中值滤波法结合起来，它先采用中值滤波原理滤除由于脉冲干扰引起误差的采样值，然后再把剩下的采样值进行算术平均。兼顾了算术平均值法和中值滤波的优点，当采样点数为3时，它便是中值滤波法；惯性滤波法：惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。与一阶低通RC模拟滤波器相比，能很好实现对低频干扰进行滤波。83

4.4.3调制与解调

有些传感器在使用中，由于传感器信号微弱，在传输过程中容易受到内外部电磁场干扰，或者与杂波、谐波信号混合在一起，因此信号在传输中会发生失真、丢失、难以分辨等情况。为了提高传感器抗干扰能力和传输质量，采用方法是在输送端对传感器的信号进行调制，把它转换成一个由高频交流或脉冲信号携带的合成信号。84

4.4.3调制与解调1.信号调制

调制的目的是把要传输的传感器模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号，即把传感器信号转变为一个相对传感器信号频率非常高的带通信号，该信号称为已调信号，而传感器的信号称为调制信号。调制可以通过调节高频载波的幅度、相位或者频率随着传感器信号的幅值变化来实现，因此调制也分为调频、调幅、调相三种方式。按传感器的信号类型，调制可分为数字信号调制和模拟信号调制。按载波信号不同可分为正弦波调制、脉冲波调制等。85

4.4.3调制与解调(a)时域(b)频域图4-41模拟信号的调幅调制原理86

4.4.3调制与解调图4-42模拟信号的调幅调制电路87

4.4.3调制与解调图4-43数字信号调制方式88

4.4.3调制与解调2.信号解调

解调是从携带传感器信号的调制信号中分离出传感器信号的过程。解调是调制的逆过程，解调方法与调制方法有关。根据调制的方式不同解调可分为正弦波解调和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。89

4.4.4非线性补偿处理

很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使得较大范围的动态检测存在着很大的误差。为了进行非线性补偿，