任务2认识传感器

1、传感器及其接口电路传感器及其接口电路王丽佳王丽佳信息工程与自动化系信息工程与自动化系河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳任务描述任务描述学习传感器的接口电路河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳教学目标教学目标了解传感器的组成，掌握传感器的特性参数培养学生自主学习能力。知识目标知识目标 技能目标技能目标情感目标情感目标会传感器的接口电路河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳一一、传感器、传感器组成 敏感元件：敏感元件：传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成被传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换

2、成被测量有确定关系、更易于转换的非电量。测量有确定关系、更易于转换的非电量。转换元件：转换元件：将敏感元件感受的被测量转换为易于传输和测量的电信号将敏感元件感受的被测量转换为易于传输和测量的电信号转换电路：转换电路：将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流、频率。将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流、频率。 有一些传感器的敏感元件和转换元件是二者合一的。热电偶、压电晶体，光有一些传感器的敏感元件和转换元件是二者合一的。热电偶、压电晶体，光电器件电器件。 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳定义定义 传感器就是能感知外界信息并能按传感器就是能感知外界信息并能

3、按一定规律将这些信息转换成可用信号的一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示机械电子装置。如下图所示:物理量物理量电量电量河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳二二.传感器的分类传感器的分类河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳11三、传感器的应用三、传感器的应用 工业生产工业生产 倍增器倍增器 科学研究科学研究 先行官先行官 社社

4、 会会 物化法官物化法官 军军 事事 战斗力战斗力河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳12工业生产倍增器工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域关键领域在美国：检测技术占在美国：检测技术占4%，拉动经济增长，拉动经济增长66%河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳13检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳14河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳15

5、检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、离线检测：零件参数、 尺寸与形位公差、尺寸与形位公差、 品质参数品质参数作作 用：现代工程装备中，用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占检测环节的成本约占 5070%河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳16检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异 发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ecu）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器

6、等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底底 盘：盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适

7、性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳17河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳18无人驾驶汽车：演示雷达传感器录像机激光测距仪河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳19检测技术在日常生活中的应用与日俱增检测技术在日常生活中的应用与日俱增 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏

8、电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵ccdccd扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵ccdccd红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生

9、：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - - 离子传感器离子传感器智能家居演示智能家居演示 wigwag演示演示，手机中的传感器手机中的传感器河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳20科学研究的先行官科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者r. r. ernst说说“现代科学的进步越来现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的科学是从测量开始的” 近近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达年来，与科

10、学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人人河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳21军事战斗力军事战斗力 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占精确制导炸弹和导弹占8% 2003年伊拉克战争年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战立体作战河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳22检测技术在军事上的应用检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器-oicw 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射

11、激光测距仪：可精确的定位目标。在发射2020毫米高爆弹时，激光测距仪可毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。间。河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳23美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-nmd检测技术在国防领域的应用检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹

12、的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头，敌友方河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳24检测技术在航天领域举足轻重检测技术在航天领域举足轻重飞行器测控飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹检测火箭状况、姿态、轨迹 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳25“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器，个传感器，检测参数检测参数-加

13、速度、温度、压力、加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学、声学、神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳26“物化法官物化法官” 检查产品质量检查产品质量 监测环境污染监测环境污染(pm2.5振荡天平技术、振荡天平技术、beta射线技术、射线技术、beta射线光浊射线光浊度技术和光散射技术为主度技术和光散射技术为主) 识别指纹假钞识别指纹假钞 查服违禁药物查服违禁药物(毒品：激光拉曼光谱检测仪毒品：激光拉曼光谱检测仪)；酒精探测器；酒精探测器 侦破刑事案件侦破刑事案件河北工业职业技术学院河北工业职

14、业技术学院 王丽佳王丽佳27教学实验、气象预报、大地测教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、绘、灾情预报、交通指挥、涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳四、传感器的主要特性参数四、传感器的主要特性参数 1）.灵敏度灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：如右图所示，可表示为： dxdys x0ydydx河北工业职

15、业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳 3）. 线性度与非线性误差线性度与非线性误差 线性度是用实测的检测系统输入线性度是用实测的检测系统输入-输出特性曲输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的，如下图所示。来表示的，如下图所示。 线性度可用非线性线性度可用非线性误差来表示，计算式为：误差来表示，计算式为：%100fsmfye河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳 4）. 迟滞迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间迟滞特性表明检测系统在正向和反向

16、行程期间，输入，输入输出特性曲线不一致的程度。如右下图所输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。通过实验，找出输出量的示。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程这种最大差值，并以满量程输出输出yfs的百分数表示，的百分数表示，如下式：如下式： %100fsmtye河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳五、传感器接口电路 1 输出信号的特点输出信号的特点 1）由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。 例如，尽管都是力传感器，随作用外力变化,电阻应变片输出的是不同的电阻，压电传感器输出不同的电荷,电容传感器输出变化的电容,电感传感器输出变化的电感量. 表1列出了

17、传感器的一般输出形式。 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳表表1 传感器的输出信号形式传感器的输出信号形式输 出 形 式输 出 变 化 量传 感 器 的 例 子开关信号型机 械 触 点双金属温度传感器模拟信号型电 子 开 关霍耳开关式集成传感器电 压热电偶、磁敏元件、气敏元件电 流光敏二极管 电 阻 热敏电阻，应变片电 容电容式传感器电 感电感式传感器其它频 率多普勒速度传感器、揩振式传感器河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳2）.传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1v。3）.传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测

18、量电路时，产生较大的信号衰减。 4）.传感器的输出信号动态范围很宽。5）.传感器的输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。6）.传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳 2 输出信号的处理方法输出信号的处理方法目的： 1）提高测量系统的测量精度， 2）提高测量系统的线性度， 3）抑制噪声。 4）由传感器的接口电路处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。 5）完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。典型的应用接口电路，如表2所示。 河北工业职业技

19、术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳表表2 典型的传感器接口电路典型的传感器接口电路接 口 电 路信 号 预 处 理 的 功 能 阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。放大电路将微弱的传感器输出信号放大。电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压 。电桥电路把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电流或电压。频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压。电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压。有效值转换电路在传感器为交流输出的情况下，转为有效值，变为直流输出。滤波电路通过低通及带能滤波器消除传感器的噪声成分。线性

20、化电路在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正。对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳 常用接口电路常用接口电路1）.阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。 半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。 场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上，可作阻抗匹配器。 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳2） .电桥电路 直流电桥直流电桥的基本电路直

21、流电桥的基本电路河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳电桥的输出电压可由下式给出，即： uout =)()(32413142rrrrrrrru 电桥的平衡条件为： r2r4= r1r3 当电桥平衡时，输出电压为零。 当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为： 河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳 uout = 24141)(rrurr)rr(11223344rrrrrr2314rrrra若取则： 21)(aua)rr(11223344rrrrrruout当a=1时，输出灵敏最大，此时： uout = 4u)rr(11223344rrrrrr河北工业职业技术学院河北工业职业技术学院 王丽佳王丽佳 如果r1=r2=r3=r4时，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而非线性误差最小， 因此在传感器的实际应用中多采用四等臂电桥。河北工业职业技术学院河北工业职