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

22
N1I1 Rm2
L22
e21 jM1I1 e22 jM 2 I1
e22
e2

e21
e22

j(M1
M2)
R1
e1
jL1
图3-15 差动变压器等效电路
e1 L1
d
R21
L21
L22
R22
a
图3-16 全波整流电路图
c Ubc b
衔铁在零位以上
衔铁在零位
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
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
发光二极管的主要参数：
最大工作电流： 发光二极管长期工作时所允许通过的最大电流（30~50mA）。
正向电压： 通过规定的正向电流时，发光二极管两端产生的正向电压。
2.激光二极管
改变激光二极管两端电压，使流过二极管的电流逐 渐加大，当电流超过某一值时，管子的输出功率就急剧 变化，产生激光振荡。
a）激光二极管
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3.3.2 气隙电感位移传感器
电感式传感器工作原理，电感式传感器结构简单，输出功率
大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快 速动态测试。
由物理学磁路知识，线圈的自感系数为
L W 2 / RM
式中 W—线圈匝数； RM—磁路总磁阻。
1－线圈 2－铁心 3－衔铁 4－测杆 5－被测件
光发射
LED
波形 调制器
光接收
波 形 输出信号 解调器
Title
Size
A
图3-35 反射式光电开关工作原理
Date: File:
光电开关的工作原理及电路图
a）反射式光电开关
b）反射式光纤光电开关
图3-34 光电开关
仓库安全防护
光电开关的应用例
电梯运转控制
3.5 光电编码器
增量式光电编码器构成及原理 绝对式光电编码器构成及原理 增量式光电编码器计数电路
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
trs(上升时间)
tst(响应时间)
动态响应曲线
3.1 温度传感器
1.热电偶
康铜系热电偶，测量范围 –180~2800℃ ，最佳测量范围 630~1064℃； 钨铼系热电偶，在300~2000℃的范围内具有良好的特性； 镍铬-金铁热电偶，在 0~ -217℃范围内具有良好的特性。
连接导线
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
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
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。
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!
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
图3-20电涡流的形成
图3-21 电涡流位移传感器
线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H1；位 于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流；涡流也产 生相应的磁场H2，H2与H1方向相反。
图3-22 电涡流位移传感器输出电压-位移曲线
电感式接近开关
接近开关的工作原理及接线图
3.4 光电传感器
价格低廉。
铂热电阻 PT100（100欧姆）主要用于-200~650℃范围测温； Pt10（10欧姆）主要用于650℃以上范围的测温。
图3-5 铂热敏电阻
图3-6 铜热敏电阻
热敏电阻的 电阻变化值首先 要经变送电路变 换为电压，并进 行必要的放大和 滤波处理输出伏 级电压值，才能 被后续电路利用。
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
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。
+15 V
J1 (电源接口)
3 2
+15 V -1 5 V
1
8
1
7
R2 1K
3
2 R1 1K
6
R3 1 00 K
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、
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。
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
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)。
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
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
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
衔铁在零位以下
Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd>0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd=0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd<0
图3-17 全波整流电路波形图
e2
-x
+x
0
图3-18 差动变压器输出电压-位移图 图3-19 差动结构电感式位移传感器
3.3.4 涡流电感式位移传感器
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 ,
表示：
R L
S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截 面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改 变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少， 电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面 增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电 阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
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。
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。