测控电路（第7版）课件：传感器接口

传感器接口电路2.1传感器类型2.2信号调理电路2.3线性化2.4传感器接口实例本章知识点无源传感器及有源传感器的基本原理及组成形式电桥信号调理电路及调频信号调理电路电压源信号调理电路及电流源信号调理电路传感器接口电路的线性化技术2.1传感器类型2.1.1典型无源传感器2.1.2无源传感器实例2.1.3有源传感器2.1.1典型无源传感器电阻式传感器：电阻器的阻值由电阻率、电阻长度以及电阻横截面积决定不同影响因素会使式中各参数发生变化，可据此设计出反映该变化的电阻式传感器。例如，当电阻受到外力作用而拉长或压缩时，其电阻率和形状尺寸会发生变化，从而导致电阻值的变化，可以据此设计出力传感器、转矩传感器或位移传感器。长度为L横截面积S电阻率ρ电容式传感器：电容器的电容与其极板面积、相对位置以及极板间介电常数有关电容式传感器主要分为平行板式和圆柱同轴式。电容式传感器根据变化因素的不同有变面积、变间隙和变介质三类电容式传感器。C—电容（F）；d—极板间的距离（m）；S—极板间相互覆盖的面积（m^2）；ε—极板间介质的介电常数（F/M）； k—静电力常量（9.0×109N）2.1.1典型无源传感器电感式传感器：主要由线圈、铁芯和衔铁构成。衔铁和铁芯之间有空气间隙，当衔铁发生位移时，由于磁路的变化导致磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。

2.1.1典型无源传感器2.1.2无源传感器实例电阻式传感器将应变片粘贴在机械构件上，当构件受力变形时，应变片随之发生形变，应变片中传感金属丝的形状（长度、横截面积）会发生相应的变化，测量出电阻变化量即可得到形变大小。2.1.2无源传感器实例电容式传感器传感器主要由弹性敏感元件和差动电容传感器和空腔构成。弹性敏感元件作为电容传感器的活动极板，当受到压力时产生形变，造成电容间的距离发生改变，使得差动电容传感器的电容发生变化。通过检测电容的变化量就可以实现对压力的测量。2.1.2无源传感器实例电感式传感器应变平面感受压力差，并作为衔铁使用。当应变平面两侧的压力相等时，两个电感的气隙相等，磁阻相等，其阻抗相等；当应变平面两边产生压力差时应变平面发生形变，造成两个电感发生变化，通过电桥电路检测出电压变化的大小即可测量出压差的大小。气隙变化量很小时，输出电压与被测压力差成正比。2.13有源传感器有源式传感器包括：电压式传感器和电流式传感器电压式传感器主要包括：基于热电效应、霍尔效应、电磁效应、光伏效应等传感器电流式传感器主要包括基于光电子效应、压电效应等传感器2.1.3.1电压式传感器热电效应传感器霍尔效应传感器电磁效应传感器光伏效应传感器1.热电效应传感器当两种不同材料的导体相互紧密连接在一起时，由于不同导体中自由电子的浓度不同，二者单位时间内扩散到对方的电子数不同，会导致一个导体失去电子带正电，另一个导体获得电子带负电，于是在结点处会形成电势差，该电势称为接触热电势。这个电势阻止电子的继续扩散，当电子扩散能力与电场阻力达到平衡时，接触热电势就会达到一个稳定值，电势由如下式子得出：k—玻尔兹曼常数，k=1.381×10-23J/K；e—电子电荷量，e=1.602×10-19C；T—结点处的绝对温度（K）；nA(T)，nB(T)—材料A，B在温度T时的自由电子浓度。将A，B两种不同导体材料两端相互紧密连接在一起，组成一个闭合回路，这样就构成了一个热电偶。当两节点温度不同时，回路中就会产生电势。热电偶温度保持不变一端成为自由端或冷端，另一端成为测量端或热端。通过测量接触电势的大小推算测量端的温度。1.热电效应传感器霍尔效应当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。Ix为电流，Bz为电磁场强度，d为板间距，RH为霍尔系数，UH为霍尔电动势2.霍尔传感器2.1.3.2电流式传感器光电效应传感器光电效应的原理为在高于特定频率电磁波照射下，特定光电材料内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电流。电流的大小与单位时间内溢出的电子数有关，取决于光电材料自身的性质以及入射光的光强和频率。可以据此设计出光强传感器和辐射传感器。压电效应：为当沿着一定方向产生形变时，特定压电材料内部会产生极化现象，同时在表面产生电荷，当外力去掉后，重新恢复为不带电状态。当作用力的方向改变时，电荷极性也发生改变。压电传感器以压电效应为基础，在外力作用下产生电流，对非电量进行测量。2.1.3.2电流式传感器2.1.3.3.有源传感器实例热电偶温度传感器：工作方式为：将两种热电极两端相接，使其产生闭合回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势。其中，直接用作测量介质温度的一端叫做热端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为参考端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。环式霍尔电流传感器传感器由磁芯、霍尔元件和调理电路构成。磁芯有一开口气隙，霍尔元件放置于气隙处。当导线流过电流时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，通过导线将电压信号引出，以供后续电路处理。2.1.3.3.有源传感器实例压电式压力传感器当受压膜片受到压力P作用时，受压膜片产生形变挤压压电晶体，压电晶体产生电荷，并从引线导出。产生的电荷量与测试环境的压强、膜片的有效面积和压电晶体常数有关，通过测量压电晶体产生的电荷量大小即可实现对压力的测量。2.1.3.3.有源传感器实例2.2信号调理电路2.2.1运算放大器选型2.2.2无源传感器调理电路 2.2.3有源传感器调理电路 2.2.1运算放大器选型类型典型特征典型应用通用型低成本；低电压转换速率（小于10V/μs）；适中的输入偏移电压；适中的输入偏置电流；通用型设计；阻抗缓冲；有源滤波；单位增益跟随；电流转换为电压；高精度型低温度漂移率（小于2μV/℃）；低输入偏移电压（小于1mV）；低输入偏置电流（小于200pA）；高直流增益；高共模抑制比（大于100dB）；低输入噪声（小于15nV/）；信号调理电路接口设计；电桥电路中的放大器；压电式加速度计传感器的电荷型放大器；精密积分器；微小电压信号放大器；高内阻传感器的测量；低功耗、宽供电范围型低输入偏移电压；低输入偏置电流（小于1mA）；较宽的输入和输出电压范围；高开环增益；高共模抑制比；电池供电系统；单电源供电系统；便携设备；导弹，航天器；高速型高电压转换率（小于100V/μs）；高增益带宽（大于10MHz）；低建立时间（小于500ns）。高频有源滤波器；高频振荡器；高速积分器；常规传感器信号调理电路较少采用此类别。2.2.2无源传感器调理电路最简单的无源传感器信号调理电路有分压电路和电流源电路，可将被测对象的幅值放大后测量。2.2.2.1电桥信号调理电路电阻电桥电路电容电桥电路2.2.2.1电桥信号调理电路电感电桥电路测量高Q值的电感电桥——海氏电桥。电桥平衡条件2.2.2.1电桥信号调理电路电感电桥电路测量低Q值电感的电桥——麦克斯韦电桥电桥平衡条件2.2.2.1电桥信号调理电路2.2.2.2调频信号调理电路调频信号调理电路可以将无源传感器的阻抗变化量转换为基于振荡电路的频率变化量。振荡器电路通常根据其电路设计的不同产生特定频率的信号。低频振荡器电路通常以弛张型振荡器作为振荡源，能产生1至20千赫兹的频率信号。更高频率的振荡器电路则通常采用LC振荡电路。低频振荡器电路单运放RC振荡电路是弛张型振荡器的典型代表用敏感元件代替电容C或电阻R，可以制成相应的电容或电阻传感器。

LC振荡电路电感三点式振荡电路，又称哈特莱振荡器，属于电感耦合、频率可调的振荡器，其振荡频率通常在10M~20M赫兹之间。哈特莱振荡器的特点是谐振回路作为晶体管集电极的负载，利用电感L2将谐振电压反馈到基极。这一反馈引起输出信号的电压幅值随共振频率的大小而放大相应倍数。哈特莱振荡器的振荡频率表示为：LC振荡电路电容三点式振荡电路，又称考毕兹振荡器，由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成，因振荡回路两串联电容的三个端点与晶体管三个管脚分别相接而得名。这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达100M赫兹以上。缺点是反馈值大小同时取决于C1与C2的相对取值。2.2.3有源传感器调理电路电压源传感器调理电路电流源传感器调理电路2.2.3有源传感器调理电路2.3线性化2.3.1优化传感电路2.3.2校正输出信号

2.3.1优化传感电路2.3.2校正输出信号对数和指数转化校正非线性使用模拟乘法器进行非线性校正2.4传感器接口实例2.4.1电阻式应变传感器 2.4