传感器与接口电路

• 金属铂在0~630℃，有
• A=0.3974973×10-2 • B=-0.58973×10-6
• 由于热电阻本身的阻值较小，随温度变 化而引起的电阻变化值更小，因此在传 感器与测量仪器之间的引线过长会引起 较大的测量误差， • 在实际使用中，通常采用两线、三线或 四线制的方式 • 图（a）中，
• 传感器分类： • 1、按输入量分类：就是按测量的物理量 分：测力传感器、位移传感器、温度传 感器等 • 2、按输出量分类：又可分为电路参数型 传感器（如电阻式、电容式、电感式传 感器）和发电型传感器即传感器可输出 电源性参数（如电势、电荷等） • 发电式传感器又有主动型和能量转换型 等名称
• 电路参数型又可称为被动型或能量控制 型 • 传感器输出的电信号需要经测量电路进 行加工和处理，如衰减、放大、调制和 解调滤波、运算等
2.9光电二极管（光电池）的 接口电路
• 光电二极管（或光电池）是基于阻挡层 光生伏特效应的光电器件，其作用是将 输入光量的变化转换为电量变化的输出 • 不仅可以直接测量光强，也可以与二次 转换元件，如光纤等配合用于测量其他 物理量或化学量
• 2.9.1工作原理 • 当PN结接触区域受到光照射时，便产生 光生电动势，这就是结光电效应，又称 为阻挡层光生伏特效应
• 2.9.2光电二极管的接口电路
2.10现代智能传感器举例
• 所谓智能传感器，是指把传感器与结构 电路集成在一起的传感器，其电路输出 可以为电压信号、电流信号、数字信号 甚至直接为显示和控制信号 • 这一类传感器不需要另加基准（驱动） 信号、矫正网络，更先进的智能传感器 本身还具有误差补偿、模数转换和信号 处理功能
• 2.10.2加速度传感器ADXL50和ADXL05 • 1、工作原理 • ADXL50和ADXL05型加速度是集成在单 片集成电路上的完整的加速度测量系统 • 是多晶硅表面微加工 敏感元件和信号调 理电路组成 • 可以测量正负加速度
• ADXL50和ADLX05由标准的+5V电源供 电 • 具有足够的坚固性 • 能工作在汽车环境中 • 可以经受住2000g的冲击 • 比压电晶体和压电式敏感元件具有更高 的温度稳定性
2.3电容传感器的接口电路
• 电容传感器是具有可变参数的电容器， 具有结构简单、体积小、分辨率高、可 实现非接触式测量的优点
• 2.3.1电容传感器桥式接口电路
• 交流电桥平衡时
• 当差分电容中的动极移动Δd时，交流电 桥的输出电压为
• 2.3.2电容传感器谐振式接口电路
• 2.3.3电容传感器调频式接口电路 • 调频振荡器的振荡频率
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a）ADXL05 用户可选择满刻度量程：±1~ ± 5g 用数字命令可进行自检 单电源工作：+5V 5mg的分辨力 噪声水平小于ADXL50的1/12 输出灵敏度可选：200mV/g~1V/g 全部加速度测量系统集成在单片集成电 路上 • 能承受1000g的冲击
• 封装方式：金属帽封装和双列直插封装
• 3、应用设计 • （1）灵敏度设计
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(2)频响带宽的设计 图2-38的接法，C1=25nF，带宽1kHz 图2-39中，增益为3.94,带宽为200Hz （3）自检方法 （4）扩展和提高ADXL50和ADXL05性 能的几种方法 • a）改变灵敏度和扩展量程的方法 • b）动态加速度计的电路接法
2.8压电晶体传感器的接口电路
• 石英晶体、压电陶瓷和一些塑料等材料 在外界机械力的作用下，内部产生极化 现象，导致其上下两表面出现电荷，当 去掉外压力时，电荷立即消失，这种现 象就是压电效应 • 压电加速度传感器常见的结构形式有压 缩型、剪切型、弯曲型和膜盒式等几种
• 电荷放大器
• 电压放大器
• 2.10.1摄氏温度集成传感器LM45 • LM45传感器的输出与被测温度的摄氏读 数成线性关系 • 在常温下达到±2℃，在-2~100±℃的范 围内达到±3℃ • 具有输出阻抗线性度好，接口简单 • 功耗低，只有120μA，可单电源供电 • 自热只有0.2 ℃ • 体积只有3mm×2.5mm×1mm
• 对传感器接口电路的要求 • 1、尽可能提高包括传感器和接口电路在 内的整体效率 • 为了不影响或尽可能地少影响被测对象 的本来状态，要求从被测对象上获得的 能量越小越好。 • 信息转换效率
• 2、具有一定的信号处理能力 • 如果从整个测控系统来考虑，则应根据系统的 工作要求，选择功能尽可能全的接口电路芯片， 甚至可仪考虑整个系统就是一个芯片 • 3、提供传感器多需要的驱动电源（信号） • 4、尽可能完善的抗干扰和抗高压冲击保护机 制 • 这种机制包括输入端的保护、前后级电路的隔 离、模拟和数字滤波等
第二章 传感器与接口电路
• • • • 1。传感器的作用、类型及其选择 2。传感器接口电路的作用 3。传感器的输出特性与接口电路的设计 4。智能传感器及其选择
2.1 概述
• 传感部分是测控系统中获取信息的最前沿一环， 对它的技术性能有如下要求： • 1、灵敏度高，线性度好 • 2、输出信号信噪比高 • 3、滞后、漂移小 • 4、特性的复现性好，具有互换性 • 5、动态性能好 • 6、对被测对象的影响小，即“负载效应”低
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2、性能与指标 a）ADXL50 满刻度量程：±50g 用数字命令可进行自检 单电源工作：+5V 输出电源范围： 0.25~4.75V 灵敏度：20mV/g 用户设定输出放大器的倍数和调节0g的电平 可改变带宽：DC~1kHz 附加滤波功能：外接无源元件构成两极点滤波 器 • 能承受2000g的冲击
• 2、相敏检波电路
2.7压阻式压力传感器的 接口电路
• 压阻式压力传感器是利用晶体的压阻效 应制成的传感器 • 当它受到压力作用时，应变元件的电阻 发生变化，从而使输出电压发生变化 • 一般压阻式传感器是在硅膜片上做成四 个等值电阻的应变元件，构成惠斯特电 桥
• 硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属 应变的灵敏系数大50~100倍 • 具有易于微型化、测量范围宽、频率响 应好（可测几千赫的脉动电压）和精度 高等特点 • 对温度很敏感，应才用温度补偿 • 可采用恒压源或恒流源供电
• 2.3.4电容传感器运算式接口电路
• 2.3.5电容传感器二极管双T型交流接口电 路 • 若C1≠C2，则经RL输出的平均电压为
• 2.3.6电容传感器脉冲宽度调制电路 • 若C1C2，则A、B两点间的平均电压不 为零，有
2.4电涡流式传感器的接口电路
• 金属导体置于变化的磁场中或在磁场中 运动时，金属导体就会产生感应电流称 为“涡流” • 电涡流的大小与金属导体的电阻率、厚 度、线圈的励磁电流的角频率以及线圈 与金属块之间的距离等参数有关 • 涡流式传感器的最大特点是可以对某些 参数进行非接触式测量，灵敏度较高
• 传感器可以分为传统传感器和现代智能 传感器 • 传统传感器又可分为无源驱动型传感器 和有源传感器
2.2热电阻的接口电路
• 热电阻是一种用于测量温度的传统传感 器，它的阻值随温度变化而变化。 • 测量电阻的方法是根据欧姆定律，因此 需要恒压源或恒流源作为驱动信号才能 进行测量
• 热电阻的材料一般有两类：贵金属和非 贵金属： • 热电阻主要包括铂热电阻（贵金属）和 镍、铜热电阻（非贵金属） • 制作热电阻的必要特性：稳定性好，精 度高，电阻率较高，温度系数大和易于 制作等
• 涡流传感器可以分为高频反射式和低频 投射式两类 • 其中高频反射式应用较广
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• 1、调频式测量电路
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• 2、调幅式测量电路
2.5电位器式传感器的接口电路
• 电位器式传感器的原理是一定截面的导 线电阻与长度成正比，电位器结构可分 为直线式和旋转式
2.6 差分变压器式 传感器的接口电路
• 差分变压器式位移传感器是将被测位移 量转换为变压器线圈的互感变化 • 1、铁芯处于中间平衡位置时，υ0=0
• 2、铁芯上升时
• 3、铁芯下降时
• 差分变压器的灵敏度高、线性好，但存 在零点残余电压 • 为了消除零点残余电压和反映铁芯移动 的方向，差分变压器的接口电路经常采 用差分整流电路或相敏整流电路 • 1、差分整流电路