在电子技术飞速发展的今天，传感器作为获取信息的关键部件，其激励和测量技术的重要性日益凸显。本文将深入探讨传感器的激励和测量技术，涵盖各种激励方法、典型电路以及不同测量技术的优缺点。

输入传感器可分为有源和无源两类。无源传感器，如热电偶或光电（在电压输出模式下），能直接将物理能转换为电能，无需激励源即可产生输出信号。而有源传感器，像常见的有源电路，需要外部激励源。基于电阻的传感器，如、电阻温度检测器（RTD）、应变计等，就属于有源传感器，需要电流或电压作为激励源来产生电输出。

本文将探讨适用于有源传感器 / 应用的激励方法，并展示一些典型电路。同时，还会讨论使用电流和电压的交流电和直流电激励技术的优缺点。在使用数据采集系统准确测量低水平模拟信号时，不仅要将传感器输出连接到信号调节电路，再连接到模数转换器，还要谨慎选择传感器的激励源和现场布线方案，以确保测量系统的高分辨率和准确性。图 1 展示了基于传感器的数据采集系统的一般框图，该系统获取数据的完整性取决于模拟信号路径的各个部分。

对于给定的激励源，设计者需要测量输出信号并处理可能出现的问题，如布线电阻和噪声拾取。常见的测量技术包括比率式与非比率式操作，以及 2 线、3 线和 4 线 Kelvin 测量连接方式。

激励技术

有源换能器可使用受控电流或电压进行激励，具体选择通常由设计者决定。在数据采集系统中，恒压激励常用于驱动应变和压力传感器，恒流激励则用于驱动电阻式传感器，如 RTD 或热敏电阻。在复杂的工业环境中，电流激励因其更好的抗噪声能力而更受青睐。

传感器应用中可使用交流或直流激励源，各有优缺点。直流激励实现简单、成本低，但难以区分实际信号与非期望的直流误差，且直流偏移会因温度漂移、热噪声和 1/f 噪声源而变化。交流激励技术虽然实施成本较高，但能消除偏移误差、平均 1/f 噪声和消除寄生热电偶的影响，还可降低对 1/f 噪声的敏感性，使用更低的激励电流或电压产生可识别的输出信号，减少电阻式传感器的自热效应，且对射频干扰具有更大的抗扰性能。

在选择激励源时，需考虑两个主要因素：一是分辨率，激励大小应足够大，使被测量变量的变化能产生足够大的输出信号，以克服系统噪声和偏移；二是功率水平，对于电阻性传感器，要确保激励电流产生的自加热效应不会影响测量结果。

比率式与非比率式测量

桥式传感器应用中的比率式配置，传感器激励和 A/D 转换器使用相同的参考源，激励的变化不会引入测量误差，数字量对电桥激励的变化具有更好的抗扰性能。因此，在比率式测量中，稳定的参考并非必要，比率操作可使测量和控制独立于电压参考或激励电源的稳定性。

非比率式测量中，ADC 输出数字代码对桥式激励与参考电压之间的相对变化敏感，激励电压的变化会导致模拟输入电压变化，数字输出代码会反映激励的变化。非比率电路适用于需要相对于参考进行测量的应用，或单个转换器服务于各种不相关模拟输入的情况，通常需要高精度、和稳定的参考和激励源。

在设计高分辨率数据采集系统时，应优先考虑比率式操作。

线阻的影响

在温度测量应用中，连接电阻式传感器（如 RTD 和热敏电阻）时，有 2 线、3 线和 4 线三种布线配置。2 线配置不准确，引线电阻及其随温度的变化会显著增加测量误差。3 线配置可消除一个电流载流导线的影响，将误差减少到二线系统误差的一半。4 线配置通过直接在 RTD 上测量温度，消除了引线电阻和自热效应引起的误差，在准确性和简单性方面表现。

若有两个匹配的电流源，可设计出基本消除布线电阻或热效应的 3 线制系统，如使用 AD7711 转换器的示例。

交流激励

直流激励和测量会引入多种误差，如噪声、寄生热电偶电压和放大器偏移误差。交流激励是将这些误差从信号中分离的有效方法，通过方波交流励磁可消除感应直流误差，去除 1/f 噪声。

图中展示了如何配置电桥用于交流激励，通过开关使激励电压极性反转，消除直流和低频误差。使用 AD7730 桥式传感器 ADC 可实现交流激励并产生计算输出结果，该芯片能处理与激励电压相同的参考电压，减少开关相关的稳定时间。

交流励磁还可有效消除电阻式传感器在温度测量应用中的自热效应。在 RTD 测量中，直流激励电流会产生焦耳热，导致测量误差。交流激励可使用小得多的激励电流，减少自热效应和相关的直流和低频输出误差。

使用 AD7730 进行 RTD 测量时，其 ACX 输出控制电流反转，通过组合两个转换结果消除系统内部的直流误差。建议在异步 57 Hz 操作斩波器，以避免线频拾取产生偏移。AD7730 对辐射电场和快速瞬变脉冲（EFT）具有抗扰性，其斩波式可降低总体漂移性能。

总结

在设计高分辨率数据采集系统时，要注意选择激励方法、传感器的激励源和现场布线方案。换能器可使用交流或直流电流或电压进行激励，直流激励应用广泛但有缺点，交流激励适用于存在大直流误差和低频噪声的情况。传感器的布线配置有多种选择，四线配置准确性。比率法更受欢迎，因其测量对激励变化不敏感。在可能的情况下，应使用四线配置、比率操作和交流激励来设计高分辨率数据采集系统。