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第2章 常用传感器及应用电路

发布时间: 2020-10-06 22:32

  第2章 常用传感器及应用电路_工学_高等教育_教育专区。综合电子线路实践课件

  第2章 常用传感器及应用电路 概述 常用传感器及其应用要求 温度传感器 光电传感器 霍尔传感器 超声波传感器 第2章 常用传感器及应用电路 传感器是借检测元件(敏感元件)将被测对象的 一种信息按一定的规律转换成另一种信息的器件或 装置。通常所指的信息采集或获取主要依靠各类传 感器。传感器所获取的信息通常有物理量、化学量 和生物量等,而经传感器转换后的信息多数为电学 量,如电阻、电容、电感、电压、电流及频率与相 位的变化等。转换后的电信号送给测量电路,目的 是把电信号转变成便于显示、记录、控制和处理的 有用的电信号。 2.2 常用传感器及应用要求 2.2.1 常用传感器分类 常用的分类方法有两种:一种是按被测参量来分;另一种是按传感器的工作原理 来分。下面是按被测参量来分。 被测类别 热工量 被测量 温度、热量、比热、压力、压差、真空度、流量、流速、风速 位移(线位移、角位移),尺寸、形状;力、力矩、应力;重量 、质量;转速、线速度;振动幅度、频率、加速度、噪声 气体化学成分、液体化学成分;酸碱度(PH值)、盐度、浓度 、粘度;密度、比重 颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹或缺陷、气体泄漏、表面 质量 机械量 物性和成分 量 状态量 2.2 常用传感器及应用要求 下面是按传感器的工作原理来分。 序号 1 2 3 4 5 6 7 工作原理 电阻式 电感式 电容式 阻抗式(电涡流式) 磁电式 热电式 压电式 序号 8 9 10 11 12 13 14 工作原理 光电式(包括红外式、光 导纤维式) 谐振式 霍尔式(磁式) 超声式 同位素式 电化学式 微波式 2.2 常用传感器及应用要求 2.2.2 传感器的应用要求 一次变换后的电信号具有的特点: 输出电信号通常为模拟量; 输出电信号一般较微弱,如μV~mV级或 nA~mA级; 输出信号的信噪比较小,甚至有用信号淹没在噪声之中; 传感器的输入输出特性通常存在一定的非线性,并易受环境 温度及周围电磁干扰的影响; 传感器的输入输出特性与电源的稳定性等有关,通常要求恒 压或恒流供电。 2.2 常用传感器及应用要求 传感器应用电路通常应满足以下要求: (1) 考虑与传感器及后续电路的阻抗匹配问题,必要时可加一 级电压跟随器,以减小传输线路电阻及电容的影响。 (2) 放大器的放大倍数及输出电压动态范围应满足后续电路及 整个系统的精度、动态性能的要求。 2.2 常用传感器及应用要求 (3) 考虑使用环境的要求(如温度及电磁场干扰),必要时 应加温度补偿及抗干扰措施(如屏蔽、光隔等)。 (4) 传感器信号调理电路的结构、尺寸、电源电压、功耗 及成本应与整个系统相协调,以使产品的性价比更高。 本章主要介绍集成温度传感器、光电传感器、霍尔传感器和 超声波传感器。 2.3 温度传感器 2.3.1 温度传感器的分类 温度传感器的定义 温度传感器的分类 按温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类:接触 式与非接触式温度传感器。 2.3 温度传感器 2.3.2 集成温度传感器 集成温度传感器所依据的公式 VBE=(T/q)lnI VBE :晶体管b—e结压降 q :电子电荷量 T:热力学温度 I:发射极电流 集成温度传感器的输出形式 集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 2.3 温度传感器 几种集成温度传感器 型号 XC616A XC616C XC6500 XC5700 XC3911 LM314 AD590 REF-02 AN6701 LM35 AD 厂名 NEC NEC NS NS NS NS AD PMI 测温范 围( ℃ ) -40~125 -25~85 -55~85 -55~85 -25~85 -55~125, 0~70 -55~150 -55~125 -10~-80 -35~150 输出形式 电压型 电压型 电压型 电压型 电压型 电流型 电流型 电压型 电压型 电压型 温度系数 10mV/℃ 10mV/℃ 10mV/℃ 10mV/℃ 10mV/℃ 1μA/℃ 1μA/℃ 2.1mV/℃ 110mV/℃ 10mV/℃ 其他 内有稳压和运 放 内有稳压和运 放 内有稳压和运 放 内有稳压和运 放 内有稳压和运 放 2.3 温度传感器 +5V~ +15V A 温度 敏感 部分 + 偏置 温度 调整 GND Vo 电压输出 Voc 105~114mV/℃ Rc 校正电阻 AN6701内部电路方框图 2.3 温度传感器 +15V + 105~114 m V /℃ Vo AN6701 - + AN6701 105~114 mV/℃ Vo Rc - Rc -15V AN6701的应用电路 2.3 温度传感器 AN6701具有的特性 具有的特性: 具有的特性 (1) AN6701属电压输出型。在-10~80℃范围内非线) 电源电压VCC ,可在+5~+15V范围选取。但应注意,当 VCC取+5V时,测温范围只是-10~20℃;仅当取VCC≧12V时, 测温范围才达到-10~80℃。其典型电源电压VCC=+15 V。 (3) 可以通过改变调整电阻RC阻值对偏置温度进行调整。亦 即在某一温度下,改变RC 阻值也就改变了输出电压VOUT , 或者说,在同样VOUT下,不同的RC值对应于不同的温度,Rc 越大,VOUT也越大。 2.3 温度传感器 (4) RC还对灵敏度有影响,RC越大,灵敏度越高。例如, RC=1 kΩ,则灵敏度约为105mV/℃;若RC=100kΩ,则灵 敏度约为109 mV/℃。 (5) 电源电压VCC ,对VO 有影响,因而对输出电压VOUT=VCC-VO 也有影响。例如,当VCC从+5V变到+15V,输出电压的增大量 折算为温度的变化量小于2℃。 (6) 测温时间常数:在静止空气中约24S;在流动空气中约 11S。 (7) 电源电流(输出空载时)约0.4mA。输出电流为 ±100uA(对应于电源电压Vcc为±15V时)。输出电阻为30Ω。 2.3 温度传感器 +15V + AD590 Vo Vo=1mV/K 100Ω 950Ω AD590应用电路图 2.3 温度传感器 AD590的主要特性: AD590的主要特性: 的主要特性 (1) 流过器件的电流微安数等于器件所处环境温度的热力 学温度数。即IT/T=1μA/K (2) AD590的测温范围为-55~150℃。 (3) AD590的电源电压范围为4 ~ 30V,电源电压从4V到6V 变化,电流 IT 变化1μA 相当于温度变化1K。AD590可以承受 44V正向电压和20V反向电压。 (4) AD590的输出电阻为710MΩ。 (5) 精度高,AD590共有I、J、K、L、M五挡不同精度。其 中M挡精度最高,在-55~150℃范围内,非线℃;I挡误差最大,约土100℃,故应用时应校正(补偿)。 2.3 温度传感器 AD590各挡的精度 不同,即其温度校正 误差不同。所谓温度 校正误差是指传感器 输出的信号所对应的 温度与实际温度值之 间的差值。如图所示 。通常温度校正(补 偿)的方法有两种: 单点调整及双点调整 。 2.3 温度传感器 +5V + AD590 Vo Vo=1mV/K 图2.6 补偿前后误差 100 Ω 950 Ω 图2.5 单点调整补偿 2.3 温度传感器 +15V R1 36KΩ AD581 100Ω 27KΩ 2KΩ + + 91KΩ R2 10KΩ Vo 100mV/ ℃ AD301A AD590 图2.7 双点调整法 图2.8 双点调整时精度 2.4 光电传感器 2.4.1 发光二极管的特性 完成光电转换的器件称光电器件,它包括发光器件(如发光 二极管)和光敏器件(如光敏三极管)两大类。利用它们可以 做成各种光电传感器。 用砷化镓、磷化镓等材料所制成。 随内部晶片所用材料的不同,所发出光线的光谱(即频率或 波长范围)不同,因而颜色也不同。 发光二极管的伏安特性类似于普通二极管。差别在于其正向 导通压降比普通二极管更大一些。开启电压还随环境温度的 升高而减小。其反向电流约10~100uA。反向击穿电压较低, 一般约5V左右,最高也不超过30V。 2.4 光电传感器 表2.5 发光二极管的主要特性(* cd为坎[德拉]发光强度的SI单位) 颜 色 红 外 红 鲜 红 黄 绿 波长( nm) 900 655 635 583 565 基本 材料 砷化 镓 磷砷 化镓 磷砷 化镓 磷砷 化镓 磷化 镓 正向电压 (10mA时) (V) 1.3~1.5 1.6~1.8 2.0~2.2 2.0~2.2 2.0~2.4 0.4~1 2~4 1~3 0.5~3 光强 光功率 (W) 100~500 1~2 5~10 3~8 1.5~8 2.4 光电传感器 2.4.2 光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管和光敏三极管均为近红外接收管。它将接收 的光信号的变化转换为电流的变化,再经放大等处理后可用 于各种检测与控制目的。 光敏二极管 光敏二极管有4种类型:PN结型(也称PD)、PIN结型、虚拟货币雪 崩型和肖特基结型。用得最多的是PN结型。其他几种速度高、 价格也高,主要用于光纤通信、比色计等。 2.4 光电传感器 图2.9 光敏二极管的结构和特性曲线 光电传感器 光敏二极管的伏安特性: 光敏二极管的伏安特性: (1) 分布在第Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ3个象限。 (2) 最常用状态处于第Ⅲ象限。光敏二极管加反向电压, 其电流(称光电流)随光照强度的增大而增大。当光照强度为 零时,电流(称暗电流)为零(实际上小于0.2uA)。光电流最 大约几十微安。反向电压一般小于10V,最大不超过50V。 (3) 第Ⅳ象限。光电二极管不加电压,当PN结受光照后产 生正向电压,从而使闭合回路中产生电流。此时相当于光电 池,可用于光电检测。 (4) 第Ⅰ象限。光敏二极管加正向电压。这种状态是不用 的。 2.4 光电传感器 光敏三极管 光敏三极管是靠光照射使输出电流发生变化的器件,可看成是一个光控电 流源,其发射极电流或集电极电流近似与光照强度成正比。其等效电路及外 形见图2.10。 c C cb b hfe b 图2.10 光敏三极管的等效电路及外形 +12V e c 2.4 光电传感器 2.4.3 应用举例 1. 光电开关(见图2.11) 当光线照射到光敏二极管时,光敏 二极管通过电流,经三极管3DG6驱动 使输出开关管9013饱和,从而使继电 器J的线圈得电,其触点动作,完成 所需控制操作或报警功能。 +12V J 47KΩ 3DG6 9013 15kΩ 1N4148 470KΩ 2.5 霍尔传感器 对磁敏感的传感器称为磁敏传感器,又称磁传感器。 主要有干簧管、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻传感器及霍 尔传感器等。 霍尔传感器以磁场作媒介,可以测量多种物理量,如位移、 振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。 它主要用于无刷直流电机(霍尔电机)和高斯计、电流计和功 率计等仪器中。 霍尔传感器的主要优点是:可以实现非接触测量;当采用永 磁铁产生磁场时,不需附加能源;尺寸小、价格便宜、应用 电路简单、性能可靠,因而获得极为广泛的应用。 2.5 霍尔传感器 图2.13 霍尔传感器的结构和原理图 2.5 霍尔传感器 霍尔效应是由于运动电荷在磁场中受洛仑兹力作用 的结果。 UH :霍尔电势,单位为m3C-1 I:半导体薄片的两个端面通以控制电流 KH :为霍尔元件灵敏度 B:磁感应强度 UH=KHIB 2.5 霍尔传感器 2.5.1 线系列具有的特点: 系列具有的特点 SS49系列具有的特点: 是一种三端器件; 电源电压范围为4~10V,随电源电压增加 ,输出信号幅度增大,但线性度却减小; 在很宽的磁感应强度范围内有较好的线性 度; 静态工作电流较小,典型值为4mA,适用 于便携式供电的场合; 能有较大的电流输出能力(10mA连续, 20mA最大); 尺寸小。 图2.14 SS49系列的输出特性 图2.15 SS49系列的温度特性 2.5 霍尔传感器 电源+ 1 H 2 3 输出 RL 图2.16 SS49系列的应用电路 2.5 霍尔传感器 2. SS495A1 SS495A1输出特性如图2.17所示。 SS495A1的特点 的特点: SS495A1的特点: 内部有温度补偿电路且集成电阻经激 光修正,使零点温漂达±0.04%/℃, 灵敏度漂移为(±0.02~土0.03)%/℃; 在磁感应强度为-0.064~+0.064T范围 内,输出电压为0.5~4.5V(典型值),它 可直接与单片机接口; 0T时为2.5 V±0.075 V;灵敏度为 3.125 ±0.094; 线%量程; 工作温度范围为-40~+150℃; 工作电压范围为4.5~10.5V,工作电 流7mA(典型值); 4.5 输 出 电 压 ( V) 2.5V 0.5 -0.64 -0.32 0 0.32 0.64 磁 感 应 强 度 ( T) 图2.17 SS495A1系列的输出特性 2.5 霍尔传感器 2.5.2 开关型霍尔传感器 开关型霍尔传感器内部电路包括霍尔元件、放大器、稳压电源、滞回比 较器及OC输出管等。 开关型霍尔传感器的工作特性如图2.19所示。由图可见,当外加磁感应 强度超过Bop时,输出低电平,而当外加磁感应强度低于BRE时,输出为高电 平。即有磁感应强度回差:BH=Bop-BRE,从而使开关动作更为可靠。 B B VO V OH V+ 1 稳压电源 3 输 Vo 电 平 出 H GND 2 0. V 0 B RE B H 磁感应强度 B OP 图2.18 图2.19 2.5 霍尔传感器 由于传感器输出为OC型式,故需外接上拉电阻RL其阻值一般取1—2kΩ。 另外还有一种锁存型开关霍尔传感器,其输出特性如图2.20所示,当磁感应 强度超过BOP时,传感器输出由高电平跃变到低电平,而当外磁场撤消后,其输 出低电平状态保持不变(即锁存状态),必须当施加反向磁感应强度低于BRE时 ,才能使输出跃向高电平。 输出电平 Vc 1 SN H 3 R 1 L 2K Ω Vo BRE BOP 0 磁感应强度(mT) B 2 图2.20 图2.21 2.5 霍尔传感器 1.SSl00系列 1. SSl00系列 SSl00 SSl00系列的特点 系列的特点: SSl00系列的特点: 是贴片器件,SOT—89封装; 工作电压范围宽(3.8—24V),工作电流小(最大为10mA),输出级集电极电流最 大可达20mA; 工作温度较宽(-40~125℃); 有单极型、双极型及锁存型可供选用。 SS40 双极型) 40( 2. SS40(双极型) SS40的特点: 40的特点 SS40的特点: SS40工作速度可达100kHz; 工作温度范围可达-55~150℃; 工作电压范围4.5~24V,工作电流最大值为8.7mA(典型值为4mA); 输出低电平典型值为0.15V(最大值为0.4V); 上升时间0.2us(典型值),下降时间0.5us(典型值) ; 在25℃时的动作点最大值为4.0mT(毫特斯拉),最小释放点为-4.0mT,最小回 差为8.0mT。 2.5 霍尔传感器 表2.6 SS100系列(部分产品)参数性能表 参数 磁性能 工作电压(V) 最大工作电流( mA) 开关上、下降时 间(μs) 最大动作点( 25℃)(mT) 最小释放点( 25℃)(mT) 最 小 回 差 ( 25℃ )(mT) SS111A 双极 3.8~24 10 1.5 6.0 -6.0 1.5 SS113A 双极 3.8~24 10 1.5 14 -14 2.0 SS141A 单极 3.8~24 10 1.5 11.5 2.0 2.0 SS161A 锁存 3.8~24 10 1.5 8.5 -8.5 5.0 SS166A 锁存 3.8~24 10 1.5 18 -18 2.0 注:在不同温度时,动作点、释放点有一些差别。 2.5 霍尔传感器 应用举例: 应用举例: 液位检测和控制 图2.22是液位检测和控制的示意图。在浮子上装有磁钢,在上、下限位置处装 上开关型霍尔传感器。当液位到达上、下限位置时,相应的两个传感器分别给出 脉冲信号。根据它们便可对液位进行检测与控制。 带磁钢的浮子 霍尔元件 图2.22 液位控制示意图 2.6 超声波传感器 超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。 按超声振动辐射大小不同大致可分为:功率超声, 检测超声。 功率超声是指超声波使物体或物性变化的功率应用 。 检测超声是指用超声波获取若干信息。 这两种超声的应用都必须借助于超声波探头(换能 器或传感器)来实现。 2.6 超声波传感器 2.6.1 超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。其频率在16~2×104Hz之间,能 为 人 耳 所 闻 的 机 械 波 , 称 为 声 波 ; 低 于 16Hz 的 机 械 波 , 称 为 次 声 波 ; 高 于 2×104Hz的机械波,称为超声波,如图2.23所示。频率在3×108~3×1011Hz之间 的波,称为微波。 次声波 声波 音乐 语言 101 102 103 104 超声波 0.25×106 20×106 探测 105 106 107 f/Hz 微波 图2.23 声波的频率界限图 2.6 超声波传感器 当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中传播 速度不同,在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 1. 超声波的波形及其传播速度 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,声波的波型,也不 同。通常有: (1) 纵波:质点振动方向与波的传播方向一致的波,它能在固体、液 体和气体介质中传播; (2) 横波:质点振动方向垂直于传播方向的波,它只能在固体介质中 传播; (3) 表面波:质点的振动介于横波与纵波之间,沿着介质表面传播, 其振幅随深度增加而迅速衰减的波,表面波只在固体的表面传播。 2.6 超声波传感器 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传 播时,由于不存在剪切应力,所以仅有纵波的传播,其传播速度c为 c = 式中: 1 ρBa ρ ——介质的密度 而变化。 在固体中,纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系,通常可认为, 横波声速为纵波的一半,表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m /s,液体中纵波声速在900~1900m/s。 Ba ——绝对压缩系数 上述的 ρ 、B 都是温度的函数,使超声波在介质中的传播速度随温度的变化 a 2.6 超声波传感器 2. 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界面上一部分声波被反射 ,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声 波的反射和折射,如图2.24所示。 入射波 反射波 α αˊ 介质1 介质2 图2.24 超声波的反射和折射 O β 折射波 2.6 超声波传感器 由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角的正弦与反射角的正弦 之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之 比,等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比,即 sin α c1 = sin β c 2 (2—2) 声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得: cos β ρ 2 c 2 I r cosα ρ1c1 R= = I 0 cos β ρ 2 c 2 cosα + ρ c 1 1 2 (2—3) I t 4 ρ1c1 ρ 2 c 2 cos 2 α T= = I 0 ( ρ1c1 cos β + ρ 2 c 2 ) 2 (2—4) 2.6 超声波传感器 式中: I 0、 r 、 ——分别为入射波、反射波、透射波的声强; I It ——分别为声波的入射角和折射角; α 、β ρ1c1 、 2 c 2 ——分别为两介质的声阻抗,其中c1 和 c2 分别为反射波和折 ρ 射波的速度。 当超声波垂直入射界面,即α = β = 0 时,则 1 R= 1 + ρ 2 c2 ρ1c1 ρ 2 c2 ρ1c1 (2—5) 4 ρ1c1 ρ 2 c 2 T= ( ρ1c1 + ρ 2 c 2 ) (2—6) 2.6 超声波传感器 3. 超声波的衰减 声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的 程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 Px = P0 e ax (2—7) I x = I 0e 式中: Px 2 ax (2—8) —距声源 x 处的声压和声强; x —声波与声源间的距离; α —衰减系数,单位为Np/cm(奈培/厘米)。 声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。 、 2.6 超声波传感器 2.6.2 超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和 各种效应而研制的装置可称为超声波换能 器、探测器或传感器。 超声波探头按其工作原理可分为压电 式、磁致伸缩式、电磁式等,其中以压电 式最为常用。 压电式超声波探头常用的材料是压电 晶体和压电陶瓷,这种传感器统称为压电 式超声波探头。它是利用压电材料的压电 效应来工作的:逆压电效应将高频电振动 转换成高频机械振动,从而产生超声波, 可作为发射探头;而正压电效应是将超声 振动波转换成电信号,可作为接收探头。 金属壳 导电螺杆 接线片 吸收块 压电晶片 保护膜 图2.25 2.6 超声波传感器 2.6.3 超声波传感器应用 1. 超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声 波在两种介质的分界面上的反射 特性而制成的。如果从发射超声 脉冲开始,到接收换:能器接收 到反射波为止的这个时间间隔为 已知,就可以求出分界面的位置 ,利用这种方法可以对物位进行 测量。根据发射和接收换能器的 功能,传感器又可分为单换能器 和双换能器。单换能器的传感器 发射和接收超声波使用同一个换 能器,而双换能器的传感器发射 和接收各由一个换能器担任。 h h (a) 2a 2a h h s (b) 如图2.26 2.6 超声波传感器 图2.26给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可 设置在液体介质中,让超声波在液体介质中传播,如图2.26 (a)所示。由于超声 波在液体中衰减比较小,所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波 发射和接收换能器也可以安装在液面的上方,让超声波在空气中传播,如图2.26 (b)所示。这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害。 对于单换能器来说,超声波从发射器到液面,又从液面反射到换能器的时间为 2h t= c ct h= 2 则式中: (2—9) (2—10) h 换能器距液面的距离; c 超声波在介质中传播的速度。 2.6 超声波传感器 对于如图2.26所示双换能器,超声波从发射到接收经过的路程为2s,而 因此液位高度为 ct s= 2 h = s2 a2 (2—11) (2—12) 式中: s —超声波从反射点到换能器的距离; a —两换能器间距之半。 从上公式中可以看出,只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔,便可 以求得待测的物位。 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面 发生波动,便会产生较大的误差。在一般使用条件下,它的测量误差为土0.1% ,检测物位的范围为10-2~104m。 思考题 题2.1 传感器一次变换后的信号有何特点?通常传感器信号的调理电路包 括哪些单元? 题2.题2.2 试用AD590设计一个实用的温度检测电路,其测温范围为0— 100℃, 其后续电路可以是模拟表计或A/D变换器。 题2.3 试分别用线性及开关型霍尔传感器设计一个检测及报警应用电路。 题2.题2.4 试用光敏二极管设计一个光控型节能开关,其功能是:白天开 关不工作;夜晚当有人按动开关时开关闭合,并经过3~5min后自行关断。 题2.5 超声波在介质中传播具有哪些特性? 题2.6 图2.25中,超声波传感器的吸收块作用是什么? 题2.7 超声波物位测量有几种方式?各有什么特点? 题2.8 简述超声波测量流量的工作原理,并推导出数学表达式。