机电一体化系统设计：第3章 检测传感器及其接口电路讲解

分别计算铂热电阻和铜热电阻在50℃时的电阻。并 设计一个铂热电阻变送电路,要求其在0℃和50℃时 输出电压分别为0V和5V电压值。
3.半导体集成温度传感器AD590
AD590 是一种常用的半导体集成温度传感器。
测温范围 –55 ~ +150℃，
工作电压 +4 ~ +30V， 恒流源线性热敏系数为 ,
b）激光二极管发光示意图
图3-25 激光二极管
3.光敏二极管
光敏二极管是一种光电转换器件。它也是PN结，具有普 通二极管的特性，但有一个透明受光窗口。光敏二极管的特 性是在两端加正向电压时，其PN结受光照射后，其电流随光 照强度的变化而变化。
4
图3-26 光敏二极管
图3-27 光敏二极管符号
+5V
Vo输出电压
测点
连接导线 参考点
合金热电极
图3-1 热电偶结构
热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大 为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集 成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。
图3-2 铠装热电偶
图3-3 点式热电偶
J2 (热电偶接口)
2 1
Vo= (1+Rf/R1)*Vi=34*Vi
+15 V
J1 (电源接口)
3 2
+15 V -1 5 V
1
8
1
7
R
C1 0 .1 u F
4
-1 5 V Rf 3 3K
图3-4 热热电电偶偶信信号处号理放电大路电路
J3 (信号输出接口)
1 2
2.热敏电阻 热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻； 测量范围为 –200~500℃。 铂电阻的精度高但价格高； 铜电阻精度稍差但价格低廉； 半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、
J2(信号输出接口)
2
R9
6
1
C2
100K
0.1uF
2
R7 1K
3 R8 1K
7
1
8
+15v
图3-9 热敏电阻信号处理电路
讨论题：
热敏电阻的阻值计算式 Rt=R0(1+ αt) t：当前温度；
Rt：当前温度下热敏电阻的阻值； R0：热敏电阻在零度时的阻值； α：热敏电阻的敏感系数。 αpt=0.003850 , Rpt0 =100.00Ω αcu=0.004280 , Rcu0 =100.00Ω
传感器输出量形式: 模拟信号、编码数字信号（光电）、数字信号。
传感器静态特性：
传感器的输入-输出特性是传感器的基本特性。 静态特性参数有线性度、灵敏度、迟滞性、重复性。 动态特性：
传感器对输激励响应的特性。 一个动态特性好的传感器，其输出能再现输入的变 化规律，即具有相同的时间函数。
线性曲线 y
o
x
第 3 章 检测传感器及其接口电路
3.1 温度传感器 3.2 力传感器 3.3 位移测量传感器 3.4 光电传感器 3.5 光电编码器 3.6 电流环信号传输 3.7 运算放大器的基本电路
传感器： 把非电量参数（位移、速度、力、温度、光、 磁、化学量等）转化为电量参数（电压、电流、 电阻等）的器件。
压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价 格和较高的精度以及较好的线性特性。
3.2.1 金属电阻应变片式力传感器
1. 金属电阻应变片的内部结构
图3-10 金属电阻应变片的内部结构
2. 电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体
材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，
俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式
D1 P HOTO
+15 V
8
1
7
I R2
R2 1K
3
2 R1 1K
6
Vo
4
-1 5 v
Rf 1 0K
图3-28 光敏二极光敏管二信极管号信处号理处理电电路路
4.光敏三极管
光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。
光敏三极管的主要参数： 最高工作电压：
在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。
图3-11 双臂工作的半桥接法 图3-12 四臂工作的全桥接法
R1=R2=R3=R3=R
U R0 R 4R
K U0
3.2.2 半导体应变式力传感器
• 某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻 率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发 生变化的现象称为“压阻效应”。利用压阻效应制成的传 感器称为压阻式传感器。
3. 测量电桥
由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测 量电桥的输入电压为U0，输出电压为∆U，各桥臂的电阻分 别为R1、R2、R3和R4，则
U U 0 ( R1 R2 R3 R4 ) 4 R1 R2 R3 R4
测量电桥灵敏度K
K U U0 1 ( R1 R2 R3 R4 ) R / R 4 R / R R1 R2 R3 R4
图3-13 变极距型电容传感器原理图
变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达
C0

0 r A 0
当动极板因被测量变化而向左移动使δ0减小△δ时， 电容量增大△C。则有
C0 C
0 r A 0
C0
1
(1
/0)
传感器输出特性C=f(δ) 是非线性的
电容位移传感器
暗电流：
在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。
光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。
3
图3-27 光敏三极管
图3-28 光敏三极管符号
5.光电耦合电路 发光二极管和光敏三极管常被用来做光电耦合隔离电路。
3
图3-31 光电耦合集成电路
图3-32 光电耦合电路符号
R1 330
+5V
I nput
光电耦合电路
+5V
R2 10K
Output
I nput Output
图3-33 光电耦合电路应用
6.光电开关传感器
由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表 面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出 电平信号。
被检物表面
NPN -P HOTO
光电传感器的种类：
发光二极管 激光二极管 光敏二极管 光敏三极管 光电耦合电路 光电开关传感器
1.发光二极管 发光二极管也是一个PN结，具有普通二极管的通性，只
是它透明封装。发光二极管采用砷化镓（红外光）、磷化镓 （绿色光）、镓铝砷（红色）等材料组成。
3
图3-23 发光二极管
图3-24 发光二极管的符号
L W 2 / RM
L W 2 0S 2
3.3.3 差动变压器结构电感式位移传感器
差动变压器有衔铁、初
R21
级线圈、次级线圈和线圈
e21
框架。

I1
e1
初级线圈的激励电压为e1， 在次级线圈中感应出电压
R1 jL1
L21 R1
e2
e21和e22。
e1
L1
R22
21
N1I1 Rm!
优点： 1.体积小而灵敏高； 2. 频率响应范围宽、半导体集成化制造； 缺点： 灵敏系数随温度变化较大
3.3 位移测量传感器
位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称， 位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位 移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、 光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电 编码盘等。
图3-7 NTC半导体热敏电阻 图3-8 PTC半导体热敏电阻
+5V
R2
R3
10K 10K
R1
Rt
100
(100)
R5 1K R4 1K
4
7
1
+15v Rf2 20K
3 6
2
-15v Rf1 20K
Rf3 20K -15v
8
R6 100K
C1 0.1uF
J1(电源接口)
3 2
+15V -15V
1
4
3.5.1 增量式光电编码器构成及原理
增量式光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴 上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这 是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成。
恒流源电流计算公式：
I I t 0
I0：温度为零度时的电流值。
I I t 0
AD590
AD590应用电路
3.2 力传感器
力学传感器的种类： 电阻应变片压力传感器、 半导体应变片压力传感器、 压阻式压力传感器、 电感式压力传感器、 电容式压力传感器、 谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
图3-14 自感式传感器原理图
当铁心与衔铁之间有一很小空气隙δ时，可以认为气隙间磁场 是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻为:
RM

n i 1
li
iSi
2 0S
考虑到铁磁材料的磁导率μi比空气磁导率μ0大得多， 计算总磁阻时，第一项可忽略不计，则:
RM 2 / 0S
位移测量传感器的种类： 电容位移传感器 气隙电感位移传感器 差动变压器结构电感式位移传感器
3.3.1 电容位移传感器
电容式传感器的工作原理
C 0r A
式中
ε0—真空介电常数，等于8.85×10-12F/m εr—极板间介质的相对介电常数 A—极板的有效面积(mm2)；
δ—两极板间的距离(mm)。