传感器检测及其接口电路课件

1、第三章 传感器检测及其接口电路 2第一节 传感器第二节 位移测量传感器 第三节 速度、加速度传感器第四节 位置传感器第五节 传感器前期信号处理第六节 传感器接口技术第七节 传感器非线性补偿原理第八节 数字滤波第三章 传感器检测及其接口电路 第一节 传感器一、 检测系统的组成 1、传感器 功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称为一次仪表。传感器相当于人的五官部分（“电五官”） 2、电信号处理系统 功能：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图3-1所示。 图 3-1 非电量检测系统的结构形式一、 检测系统

2、的组成 二、传感器的基本概念与特性 （一）传感器的基本概念： 1、传感器的构成 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成，如图3-2所示。 图3-2 传感器的组成框图 （1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（理想的关系线性）。 如称重传感器中的弹性元件，将力转换为弹性变形输出。 （2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 1、传感器的构成 2、传感器的分类 按输入量分： 位移、速度、加速度、压力、温

3、度等 按工作原理分： 应变式、压电式、磁电式、霍尔式等 按能量转换分： 有源型、无源型 按输出的信号分： 计数型（二次型+计数型） 电压、电流型（热电偶, 光电池） 电感、电容型（可变电容）有接点型（微动开关，接触开关， 行程开关） 传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型（光电开关，接近开关）模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）（二）传感器的基本特性 1、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。 (1) 线性度 通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，

4、这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，与理论直线有偏差。 图3-3 传感器的线性度示意图 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。 1、传感器的静态特性 式中： L线性度(非线性误差)； max最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。 （3-1） 线性度可用下式计算： 1、传感器的静态特性 对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。(3-2) （2）灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即 1、传感器的静态特性 (3)迟滞性 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出

5、输入特性曲线的不重合程度称为迟滞，迟滞性误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：式中: Hm输出值在正、反行程间的最大差值。 1、传感器的静态特性 迟滞性一般由实验方法确定，如图3-4所示。图3-4 迟滞特性 1、传感器的静态特性 (4)重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即式中: Rm最大重复性误差。 1、传感器的静态特性 图4-5 重复特性 1、传感器的静态特性 （5）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。 （6）零漂 传感器在零输入

6、状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。 1、传感器的静态特性 2、传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调节时间、频率响应范围、临界频率等。 1、新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。三、传感器的

7、发展方向 2、传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能。三、传感器的发展方向3、传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。三、传感器的发

8、展方向4、传感器的网络化 主要表现为两个方面： 一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准。 二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展。 信息的短距离无线传输方式：数传模块，蓝牙三、传感器的发展方向23 快速、准确、可靠、经济的获取信号是对传感器的基本要求。传感器的选择所要考虑的问题主要包括：1）足够的量程；2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；3）精度适当、稳定性高；4）反应速度快、工作可靠；5）实用性和适应性强；6）使用经济；四、传感器的选用原则第二节 位移测量传感器 目前广泛采用电容

9、式、电感式、应变片式、及数字式传感器（光栅、感应同步器及光电编码器）来进行位移或力的测量。 一、电阻应变效应：金属或半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而变化的现象。 式中：l导体长度； s截面积； 电阻率。二、应变式传感器的特点： 1、结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠。 2、分辨率高，能测出极微小的应变。 3、灵敏度高，测量范围大，测量速度快，适合动静态测量。 4、价格较便宜，工艺较成熟，可以测量多种物理量，如力、压力、位移、速度、加速度等。三、敏感元件应变片 组成： 1、敏感栅： 康铜或其它合金丝绕成 2、覆盖层、基底： 绝缘材料，用于固定和保护敏感栅 3、引线： 通常

10、为镀银或锡的铜丝1 、敏感栅；2、覆盖层；3、引线；4、基底四、弹性元件功能：将传感器所受的拉（压）力 机械变形 1、柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。 2、悬臂梁式弹性元件 其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。五、转换电路 通过直流电桥将应变片的电阻变化转换为电压输出。 直流电桥的平衡条件（桥压USC0，U0=0）： 温度补偿：应变片 六、多个传感器的连接方式单独连接：串

11、联连接：并联连接： 输出灵敏度：在额定负载下，单位供桥电压（V）所对应的输出电压mV，mV/V七、传感器的主要参数31 2 数字式位移传感器数字式位移传感器主要有： 一、光栅 二、感应同步器 三、光电编码器 32 光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多，其结构如图3-9所示。 一、光栅 图3-9 光栅测量原理 1透射式光栅传感器342反射式光栅传感器35图3-10 莫尔条纹示意图一、光栅 莫尔条纹是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的，如图3-10所示。 莫尔条纹的光学放大作用 光栅的栅距P莫尔条纹的宽度W WP/ （为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度） 莫尔条纹演示

12、莫尔条纹光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距P =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） W P/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：由于W较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。39光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度，P表示栅距，表示光栅条纹间的夹角,则有若P0.01mm，把莫尔条纹的宽度调成10mm，则放大倍数相当于1000倍，即利用光的干涉现象把光栅间

13、距放大1000倍，因而大大减轻了电子线路的负担。40图3-17 光栅测量系统一、光栅 图为利用光栅传感器直接测量数控机床工作台位移量的现场照片工作台光栅工作台运动方向 安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部43二、感应同步器 感应同步器是一种应用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种检测元件，有直线式和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。44滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组，见图3-18。 图3-18 感应同步器原理图二、感应同步器45圆盘式感应同步器如图3-19所示,其转子相当于直线感应同步器的滑

14、尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。图3-19 圆盘式感应同步器（a） 定子； （b） 转子二、感应同步器46（1） 鉴相式。 所谓鉴相式，就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。即uA=Umsint，uB=Umcost时，则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图3-13说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。 感应同步器的工作方式47图3-13 滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系48滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组感应电势就变化了一个周期，即 eA=KuAcos （3-26）式中:K滑尺和定尺的电磁耦合系数； 滑尺和定尺相对

15、位移的折算角。若绕组的节距为W，相对位移为l，则 感应同步器的工作方式49同样，当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压UB时，定尺绕组感应电势为e B=-KuB sin （3-27）对滑尺上两个绕组同时加激磁电压，则定尺绕组上所感应的总电势为e =eA+eB=KuA cos-KuBsin =KUm sint cos-KUm costsin =KUm sin (t-)（3-28）感应同步器的工作方式50上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移l的变化转成感应电势相角的变化。因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移l：（3-29）感应同步器的工作方式51（2）鉴幅式 在滑尺的两个绕组上施加频率和

16、相位均相同，但幅值不同的交流激磁电压uA和uB。 uA=Umsin1sint （3-30） uB=Umcos1 sint （3-31）式中: 1指令位移角。设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为，则定尺绕组上的感应电势为e =KuA cos-KuB sin=KUm(sin1cos-cos1sin)sint =KUm sin (1-) sint感应同步器的工作方式三、光电编码器用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。1光源 2柱面镜 3码盘 4狭缝 5光电元件 根据输出的不同，光电码盘可以分为：绝对式码盘：每个位置对应一个确定的数字码，输出为一串二进制的编码；增量式码盘

17、：将位移转换成周期性的电信号，再转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。三、光电编码器光电码盘实物图 绝对式接触式编码器演示4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 采用编码器间接测量工作台位移。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移。间接测量须使用丝杠-螺母、齿轮-齿条等传动机构。 工作台丝杠编码器进给电机 x57作业1、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？2、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在t=10s的时间内测轴的脉冲数N=6000，则光电脉冲编码器测得的角位

18、移是多少？轴的转速是多少？第三节 速度、加速度传感器本节介绍的主要内容：一、磁电式转速传感器二、测速发电机三、舌簧开关四、接近开关五、霍尔开关六、转速传感器的测量电路原理一、变磁阻式（磁电式）1、特点： 又称为变磁通式传感器。传感器采用电磁感应的原理来达到测速目的，具有输出信号大，不需要放大，抗干扰性能好，不需外接电源，可在烟雾、油气、水气、煤气等恶劣环境中使用等特点。 齿轮材料：应采用导磁率强的金属材料。 2、结构组成及工作原理1-永久磁铁；2-铁芯；3-感应线圈；4-齿轮 磁电式转速传感器的结构示意图（1）结构组成（2）工作原理 使用时在被测量转速的轴上装一齿轮，将传感器安装在支架上，调整

19、传感器与齿轮顶之间隙为1mm左右。当轴旋转带动齿轮旋转时，由于齿轮的齿顶与铁芯端部的间隙发生变化，造成磁路中的磁阻发生变化，每转过一个齿，在传感器内部线圈的两端就产生一个脉冲（正弦）信号，轴转动一圈时就产生Z个电压脉冲信号，根据下式就可计算出转速： n(F/Z )60 式中：n被测轴转速，rmin； F脉冲频率，Hz；Z齿轮齿数。 3、传感器的正确使用1、输入导线 2、航空插头 3、锁紧螺母4、同定支架5、磁电传感器 6、199内任意个齿 7、被测轴 R：2025mm T：10.5mm 齿轮材料要求：各种导磁钢铁材料均可。 模数：2以上即可。 齿数：l99齿任意。 （1）注意安装间隙； （2）

20、注意传感器端部的清洁； （3）在被测轴跳动较大时，应注意适当放大间隙，避免损坏。 常用频率范围：025KHz 。航空插头 5、磁电式转速传感器技术参数（S-CZ型）： （1）齿轮模数：2 4 齿宽：大于 5mm （2）直流电阻：20015(25) （3）工作温度：-10 +120 （4）抗 振 动：20g （5）螺纹规格：16传感器（M161） （6）重 量：约120g （7）安装间隙：15mm （8）转速与输出电压关系（传感器与齿轮间隙为0.8mm, 60齿，传感器输出电压为峰峰值）： 4、信号整形：将传感器输出的交流信号转变成直流方波脉冲信号。通常用运放实现。 1、分类 交流：同步、异步

21、直流：电磁式、永磁式 2、结构原理 测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。右图所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。 二、测速发电机 3、特性曲线 直流测速机的输出特性曲线如图所示。 直流测速机的输出特性 4、测速电机的特点 线性度好，灵敏度高，输出信号大，性能稳定，但由于电刷和换向器的存在，构造较复杂，维护不方便，摩擦阻力矩也较大。一般测量范围为20400r/min。 5、测速电机的应用 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连

22、接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。 典型应用：沥青混凝土搅拌站冷料供给装置（见图）的电磁调速电机，用于转速反馈。 沥青混凝土搅拌站结构组成冷料供给部分带测速电机的电磁调速电机电磁调速电机结构组成DEC系列电磁调速电机控制器 TKZ-1、TKZ-2系列调速 电动机控制组合装置 与电磁调速电机配套的控制器电磁调速电机的工作原理三、舌簧开关1、概述 又称干簧管(reed switch)，是一种由磁场控制的开关，一种能感知磁场的开关型传感器。 特点：动作轻巧，吸合、释放时间短，体积小，重量轻，便于安装使用，价格低。2、结构组成及原理（1）组成： 1）常开触点 2）簧片（导磁、导电） 3）

23、玻璃管，玻璃管内抽空或充入惰性气体。 （2）工作原理 当磁铁移近舌簧开关时，簧片被磁化，触点闭合。 3、干簧管的应用： （1）干簧继电器 组成：干簧管，线圈 应用：电源的过载保护干簧继电器（2）转速检测:（3）其他应用： 液位测量： 车身高度测量： 运动位置测量： 舌簧液位传感器四、接近开关1、概述 接近开关(Proximity Switch)又称接近传感器，是一种无需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关。当金属/非金属检测体接近开关的感应区域时，开关就能迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。 接近开关是一种开关型传感器，它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且具

24、有工作可靠、性能稳定、使用寿命长、重复定位精度高、动作速度快、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力及抗干扰能力强等特点。 接近开关是一种理想的电子开关量传感器。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关（见右图）所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、测速、定位控制和自动保护环节。机械式行程开关四、接近开关2、接近开关的主要功能 （1）检验位置 检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极

25、限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。 （2）尺寸控制 金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。 （3）检测物体存在 检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。 （4）转速与速度控制 控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。 （5）计数及控制 检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。 （6）检测异常 检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警

26、；安全扶梯自动启停。2、接近开关的主要功能 （7）计量控制 产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。2、接近开关的主要功能3、接近开关分类 （1）按工作原理： 电磁感应式：用以检测导磁或不导磁金属 电容式：用以检测各种导电或不导电的液体或固体 磁性式：用以检测带磁性的物体 光电式：用以检测所有不透光物质 超声波式：用以检测不透过超声波的物质（2）按供电方式分：直流型和交流型（3）按输出型式分： 直流两线制、三线制和四线制；交流两线制和三线制。 直流三线式接近开关的输出型有

27、NPN和PNP两种。 4、接近开关的原理 （1）电感式（涡流式 ） 接近开关由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器中的检测线圈L在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，被测金属表面的磁通密度发生变化而产生感应电流涡流，涡流产生的磁通总是与检测线圈的磁通方向相反。由于涡流的作用，使检测线圈能耗增加，引起振荡电路中的负载加大，振幅降低，以至振荡器停振。反之，当金属物件远离这个作用区时，振荡器又开始振荡。检测电路检测到振荡器的振荡及停振这二种状态后，通过整形放大转换成二进制的开关量电信号，经功率放大后输出。 （2）电容式接近开关 电容式接近传感器由高频振荡器、放

28、大器和输出电路等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当被测物体接近传感器检测面时，回路的电容量发生变化，使高频振荡器停止振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。 （3）磁性接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。 或者采用舌簧开关作为磁敏元件。 （4）光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫光电开关（采用红外光

29、）。将发光器件与光接收器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光接收器件接收到反射光后便产生信号输出，由此便可“感知”有物体接近。 分类：透光型（对射式）、反射式。 光电开关应用举例： 84 （5）超声波式接近开关 接近开关以一定的周期发送超声波脉冲，这些脉冲信号遇到被物体后产生反射，接近开关通过比较接收反射信号的时间和发射时间来确定物体到开关的距离。在检测的范围内时，便产生信号输出。 5、直流三线式接近开关的输出型式 NPN型续流二极管 1、三极管的导通与截止： 常用三极管： 2、续流二极管：并在电感类负载两端，二极管负极接 电源正极。功能：保护驱动三极管。 常用整

30、流二极管： 3、希望电压输出时：（1）（2） 4、用接近开关控制LED： PNP型6、接近开关的选型 对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则： 1）当检测体为金属材料时，应选用电感型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。 2）当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。 3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用

31、价格低廉的磁性接近开关。 5）无论选用哪种接近开关，都应注意对工作电压、负载电流、响应频率、检测距离、输出形式等各项指标的要求。7、接近开关的其它应用举例 （2）交流电机的常用控制电路 （3）用接近开关控制交流电机/直流电机/电磁阀 （1）接近开关的符号：如右图所示常开触点 常闭触点 6、转速的检测方案：如配料机皮带速度检测 方案：接近开关驱动小型继电器 中间继电器 交流接触器 电机主电路 三相交流电机。 （4）其它应用：拌和设备料门检测；料仓断料报警。五、霍尔式 霍尔传感器是基于霍尔效应工作的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱

32、而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于转速、电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。1、霍尔效应 当电流垂直于外磁场通过导体或半导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件。1-电子 2-导体 3-磁铁 4-磁场 5-电源2、集成霍尔开关 集成霍尔开关传感器是一种新型的磁敏感器件，它集磁敏霍尔元件和集成电路为一体，具有灵敏可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低以及不怕尘土、油污

33、、湿热等优点。 霍尔传感器是目前使用最广泛的磁传感器之一。它不仅可以用来测量磁场，还可用于测量电流、速度、位置、角度和转速等物理量，在精密测量、工业自动化控制、汽车电子、家用电器等领域获得广泛应用。应用这种传感器，可简化电路和提高可靠性。 3、典型集成霍尔开关CS3000系列霍尔开关(电路组成与美国产UGN3019T相同）生产厂家：南京新捷中旭微电子有限公司 （1）简介 CS3013、3020、3040是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下

34、工作。I类的工作温度范围为-40125，可应用于汽车工业和军事工程中。它们有3种封装形式：TO-92UA、TO-92T和TO-92U。. 电源电压范围宽：4.5V24V. 开关速度快，无瞬间抖动。. 工作频率宽（DC100KHz）. 寿命长、体积小、安装方便. 能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口。（3）典型应用. 无触点开关 . 位置控制. 转速检测 . 隔离检测. 直流无刷电机 . 电流传感器. 汽车点火器 . 安全报警装置（2）产品特点（4）功能方框图组成： 电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路的输出级。（5）电特性（6）磁特性（7）极限参数（8）封装

35、形式（单位：mm) 4、霍尔开关应用方案磁铁横向移近/远离霍尔开关。磁铁纵向（垂直）移近/远离霍尔开关。叶轮+U 形霍尔开关。圆盘上固定磁铁，与霍尔开关相对。SN霍尔元件磁铁霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔式接近开关用于转速测量演示=n60f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔IC T霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。 霍尔元件磁铁5、霍尔开

36、关实际应用举例（1）霍尔开关在摊铺机速度控制系统中的应用。霍尔式车速传感器 （2）霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 带有微型磁铁的霍尔传感器 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。6、霍尔开关集成传感器的接口电路 霍尔开关集成传感器的内部输出电路是发射极接地而集电极开路的半导体三极管，这样的电路结构很容易与半导体管、晶闸管及一般的逻辑电路相耦合，如图所示。六、转速传感器的测量电路原理转速电脉冲测频转换成转速 常用测频方法：计数测频法、周期测量法 1、计数测频法 基本思路：在某一选定的时间间隔t内，对被测信号进行计数，然

37、后将计数值N除以时间间隔t（时基）就得到所测信号频率: f=N/t 。 电路组成框图及测量过程介绍。 转速传感器 放大整形门电路计数器数字显示 门控电路时基分频器石英晶体振荡器测量时间开关计数测频法电路组成框图六、转速传感器的测量电路原理转速n与其它参数的关系：式中： n转速，r/min； N计数器读数； z被测轴每转一转，传感器发出的脉冲数； t门电路开门测量时间，s。 计数测频法的缺点：当被测转速信号的频率较低时，转速测量的相对误差较大。故： 计数测频法一般在转速较高时采用。六、转速传感器的测量电路原理2、周期测量法（转速较低时采用） 基本思路：用测量周期T再求其倒数的方法来测量脉冲信号的

38、频率: f=1/T。 基本原理：用转速脉冲信号来控制门电路的开闭，标准时基脉冲经过门电路进入计数器计数，由此测得转速脉冲的周期。 组成框图及测量过程介绍：六、转速传感器的测量电路原理周期测量法电路组成框图门电路计数器数字显示 门控电路周期倍乘分频器石英晶体振荡器转速传感器 放大整形六、转速传感器的测量电路原理转速n与其它参数的关系：式中： n转速，r/min； N计数器读数； z被测轴每转一转，传感器发出的脉冲数； T0标准时基脉冲的周期，s。 转速较高时，误差将增大。 为提高精度：（1）改测频率f；（2）采用周期倍乘分频电路，将T增大m倍。则n1=n*m六、转速传感器的测量电路原理作业 1、

39、测量转速的常用传感器有哪些？试画出其中一种转速传感器的结构简图，叙述其测速原理。第四节温度传感器 一、温度传感器的发展历史 温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段： 1、分立式温度传感器 如热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器等。传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件，此类传感器通常需要配温度变送器。 主要缺点：外围电路较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准等。 2、模拟集成温度传感器 采用硅半导体集成工艺制成，也称硅温度传感器或单片集成温度传感器。20世纪80年代问世，是将传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能。 主要特点：测温误差小，价格低，响应速度快，

40、传输距离远，体积小，微功耗，不需进行非线性校准，外围电路简单等。 3、智能温度传感器 20世纪90年代中期问世，是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。 内部包含：温度传感器、A/D转换器、寄存器和接口电路，有的还带CPU、RAM和ROM。二、热电阻温度传感器 1、热电阻效应：物质的电阻率随温度而变化的现象。 2、分类 按材料分：金属热电阻（一般称热电阻） 半导体热电阻（一般称热敏电阻） 3、金属热电阻 对热电阻材料的要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大；物理、化学性能稳定；提纯、复制等工艺性好，价格低。 铂热电阻：PT100 电阻与温度之间的近似线性关系： -200C 0C 0C 6

41、50C 4、热敏电阻 负温度系数半导体材料制成。 特点：电阻温度系数大，灵敏度高，电阻率高，阻值大，体积小，重量轻，制作简单，寿命长。 缺点：非线性，互换性差，测温范围小。 应用举例：发动机水温传感器（感温塞）等。 三、热电偶 1、热电偶工作原理（热电效应）： 如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在热电势，这一现象称为塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。 2、热电偶传感器特点： 热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力

42、强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合；但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。 按照热电偶的组成结构不同，分为热电偶测温导线、铠装热电偶、装配式热电偶。 （1）热电偶测温导线 用外带绝缘的热电偶丝材焊接而成，是测温产品里结构最为简单的一种，响应速度极快。3、热电偶结构的分类 （2） 铠装热电偶 铠装热电偶的结构原理是：由热电偶丝、高纯氧化镁和不锈钢保护管经多次复合一体拉制而成，具有能弯曲、耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，可以直接测量各种生产过程中0800范围内的液

43、体、气体介质以及固体表面的温度。铠装热电偶的直径通常小于8mm。 （3）装配式热电偶 装配式热电偶主要由接线盒、保护管、绝缘套管、接线端子、热电极组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。 4、热电偶的分度 热电偶分度就是将热电偶的热端(测量端)置于若干个给定的温度下,热电偶的冷端(参考端)置于恒定温度或0的冰点瓶内,测定其热电势值。通过各温度点上测得的热电势值来确定被测电动势与其对应的温度关系。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶一般没有统一的

44、分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉价金属热电偶。四、模拟集成温度传感器 1、产品分类 根据输出方式的不同，可划分成以下几类： （1）电流输出式 特点：输出电流与热力学温度（或摄氏温度）成正比，电流温度系数KI的单位是A/K（或A/）。 典型产品有AD590、AD592、HTS1和TMP17。 （2）电压输出式 特点：输出电压V与K（或摄氏温度

45、、华氏温度）成正比，电压温度系数KV的单位是mV/K（或mV/, mV/F ）。 典型产品有LM334、LM35、LM34A。 （3）周期输出式 特点：输出方波的周期与K成正比，周期温度系数KT的单位是S/K 。 典型产品有MAX6576。 （4）频率输出式 特点：输出方波的频率与K成正比，频率温度系数Kf的单位是Hz/K 。 典型产品有MAX6577。四、模拟集成温度传感器2、电流输出式精密集成温度传感器 AD590AD590(J/K/L/M)的主要特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：55150；保存温度：65155；灵敏度：1AK；响应时间：20S；最大非线性误差： 0.3（M）

46、/ 1.5（J） 精度：0.5/M AD590的特点：（1）体积小，微功耗，响应快；（2）使用简便，不需外接补偿电路；（3）线性度好，精度高，互换性好；（4）输出阻抗高，10M；（5）耐用：正向耐压：44V 反向耐压：20V（6）输出电流，可用于长距离传送。AD590的管脚定义及应用：五、智能温度传感器 1、特点：以数字的形式直接输出温度值；测温误差小，分辨力高，抗干扰能力强；可设定温度上、下限，具有越限自动报警功能；自带串行总线接口。 2、分类：根据串行总线来划分，有单线总线、二线总线两种类型。3、DS18B20单线智能温度传感器生产厂家：美国DALLAS半导体公司封装及引脚排列：PIN D

47、ESCRIPTIONGND - GroundDQ - Data In/OutVDD - Power Supply VoltageNC - No ConnectDS18B20性能特点： （1）采用“单线（1-wire)总线”专有技术，串行输出被测温度值（9-12位）。 （2）测温范围：-55 125 ， 分辨力：0.5 精度：0.5（-10 +85 ） 温度/数字量转换时间典型：200ms，最大：750ms （3）内含64位串行码ROM：8位产品系列号，8位CRC校验码，48位产品序号（唯一）。 （4）适配各种微控制器。 （5）用户可分别设定温度的上下限并写入RAM中。 （6）内含寄生电源，该器

48、件既可由单线Bus供电（此时VDD 需接地），也可选用外部5V电源（3.0V5.5V）。DS18B20应用举例： 作业 1、模拟集成温度传感器如何分类？AD590有何特点？ 2、3DS18B20的性能特点是什么？举例说明该器件的应用方法第五节传感器前期信号处理1、反相比例放大器 特点：输入阻抗较小，近似为R1，输出阻抗也较小。 电压增益为：R2为平衡电阻，R2=R1/Rf 一、小信号放大 P52 通常采用运算放大器实现。 常用运放：LM324，LM358，OP07，76502、同相比例放大器 特点：输入阻抗较大，而输出阻抗较小。 电压增益为： 电压跟随器：u0=ui 即A=1 特点：具有极高的

49、输入阻抗和低的输出阻抗，常用作阻抗变换器。R2为平衡电阻，R2=R1/Rf 同相比例放大器电压跟随器3、差动（分）放大器当 R1=R2，Rf=R3 时差动放大器的技术指标之一： 共模抑制比表示差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示。 特点：共模抑制比高，抗共模干扰能力强，但输入阻抗较低。通常用于双端输出的传感器，如称重传感器。4、测量（仪表）放大器 右图为三个运放组成的测量放大器, 差动输入端U1和U 2分别是两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端, 因此输入阻抗很高。采用对称电路结

50、构,而且被测信号直接加入到输入端上,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：测量放大器原理图 AD522运算放大器： AD522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。由于AD522具有低电压漂移(2V/)、低非线性(0.005，增益为100时)、高共模抑制比(110dB,增益为1000时)、低噪声、低失调电压等特点, 因而可用于许多12位数据采集系统中。右图为AD522的典型接法。 AD522的外围电路图3-25 AD522 的典型应用AD522 AD522运算放大器：143利用数据防护端可以克服上述影响（如图3

51、-25所示）。对于无此端子的仪器用放大器，如AD524、AD624等，可在RG2 (如图3-25所示)端取得共模电压，再用一运放作为它的输出缓冲屏蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放，以减少偏流流经增益电阻时对增益产生的误差。4、测量（仪表）放大器5、程控增益放大器 图示为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合, S2和S3断开时, 放大倍数为而当S2闭合, 而其余两个开关断开 时, 其放大倍数为 选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益变换。程控增益放大器原理图 图示为AD521测量放大器与模

52、拟开关4052（4选1两通道模拟开关）结合组成的程控增益放大器，通过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。由AD521和模拟开关4052构成的程控增益放大器5、程控增益放大器146图3-28 AD524原理图5、程控增益放大器147图3-28为AD524的结构原理图，其特点是具有低失调电压（50 mV），低失调电压漂移（0.5 V/），低噪声(0.3V（P-P）、0.110Hz)，低非线性（0.003、增益为1时），高共模抑制比（120dB、增益为1000时、增益带宽为25MHz)，具有输入保护等。从其结构图可知，对于1、10、100和1000倍的整数倍增益，无需外接电阻，在具体使用时只需一个

53、模拟开关的控制即可达到目的；对于其他倍数的增益控制,也可用外接增益调节电阻的方法来实现，同样也可用改变反馈电阻与D/A转换器的结合、甚至改变其参考端电压的方法来实现程控增益。 5、程控增益放大器148 6、 隔离放大器 由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此还具有以下特点： （1） 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。 （2） 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。（3） 共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。 149 图3-29 284型隔离放大器的电路结构图 6、 隔离放大器 150

54、图3-41为284型隔离放大器的电路结构图。为提高微电流和低频信号的测量精度，减小漂移，其电路采用调制式放大，其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分，并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。 通过变压器的耦合，将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器，一般在滤波器后还有缓冲放大器。 6、 隔离放大器 151第六节 传感器接口技术1. 传感器信号的采样/保持 从上面的分析也可知,采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。 在模拟量输出通道,为使输出得到一个平滑的模拟信号,或对多通道进行分时控制时,也常使用采样

55、/保持器。 1521） 采样/保持器的原理 采样/保持器由存储电容C，模拟开关S等组成，如图3-30所示。 当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。 当S断开时，电容C端一直保持S断开时的电压，称为保持阶段。图3-30 采样/保持原理153集成采样保持器的特点是： （1）采样速度快、精度高,一般在22.5s内即可达到0.010.003的精度。（2）下降速率慢,如AD585,AD348为0.5 mVms,AD389为0.1 Vms。正因为集成采样保持器有许多优点,因此得到了极为广泛的应用。下面以LF398为例,介绍集成采样保持器的原理。图3-43为LF398的原理图。由图可知,其内部由输入

56、缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。 2）集成采样/保持器154图3-31 LF398的原理图2）集成采样/保持器155主要技术指标有： （1） 工作电压： 518 V（2） 采样时间： 10 s（3） 可与TTL、PMOS、CMOS兼容（4） 当保持电容为0.01F时,典型保持步长为0.5 mV（5） 低输入漂移,保持状态下输入特性不变。（6） 在采样或保持状态时高电源抑制。2）集成采样/保持器156 图3-32为LF398的外引脚图，图3-33为其典型应用图。在有些情况下，还可采取两级采样保持串联的方法，选用不同的保持电容，使前一级具有较高的采样速度而使后一级保持电压下降速率慢，两级结

57、合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样保持电路，此时的采样总时间为两个采样保持电路时间之和。2）集成采样/保持器图 3-32 LF398的外引脚图157图3-33 LF398的典型应用图2）集成采样/保持器158 2 多通道模拟信号输入1.常用多路模拟开关集成电路1） 单端8通道AD7501是单片集成的CMOS 8选1多路模拟开关，每次只选中8个输入端的一路与公共端接通，选通通道是根据输入地址编码而得到的。所有数字量输入均可用TTL或CMOS电路。159图3-46 AD7501的外引脚图及原理图。1） 单端8通道多路模拟开关160AD7501的主要参数有： (1) 导通电阻Ron的典型值

58、为170（-10 VVS10 V）,导通电阻温漂为0.5,路间偏差为4(2) 输入电容： 3 pF(3) 开关时间： ton =0.8 s, toff =0.8 s(4) 极限电源电压： UDD +17 V，USS -17V2） 单端16通道AD7506为单端16选1多路模拟开关，图3-47为AD7506的外引脚图和原理图。 1） 单端8通道多路模拟开关161图 3-47AD7506的外引脚图和原理图2） 单端16通道多路模拟开关162(1) 导通电阻Ron 300。导通电阻温漂为0.5，路间偏差为4。 (2) 开关时间：ton =0.8 s，toff =0.8 s。(3) 极限电源电压： U

59、DD 17 V，USS -17V。3） 差动4通道AD7502是差动4通道多路模拟开关，其主要特性与AD7501的基本相同，但在同选通地址情况下有两路同时选通。其外引脚和原理图如图3-48所示。2） 单端16通道多路模拟开关163图3-48AD7502的外引脚图和原理图2） 差动4通道多路模拟开关1643.多路模拟开关应用举例在许多机电一体化产品中，都需要用到多路模拟量输入情况，此时可采用多路模拟开关来实现。 图3-49为利用AD7501组成的8路模拟量输入通道。对于16路输入情况，可使用两片AD7501组合而成，见图3-50。 165图3-49AD7501组成的8路输入通道3.多路模拟开关应

60、用举例166图 3-50 两片AD7501组成16路输入3.多路模拟开关应用举例167 4. 多路开关选用时的注意事项（1）对于传输信号电平较低的场合，可选用低压型多路模拟开关，这时必须在电路中有严格的抗干扰措施，一般情况下选用常用的高压型。 （2）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，如利用铂电阻测量缓变温度场，就可选用机械触点式开关，在输入通道较多的场合，应考虑其体积问题。 （3）在切换速度要求高、路数多的情况下，宜选用多路模拟开关。在选用时应尽可能根据通道量选取单片模拟开关集成电路，因为在这种情况下每路特性参数可基本一致； 在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性