測控電路（第7版）課件：傳感器接口

傳感器接口電路2.1傳感器類型2.2信號調理電路2.3線性化2.4傳感器接口實例本章知識點無源傳感器及有源傳感器的基本原理及組成形式電橋信號調理電路及調頻信號調理電路電壓源信號調理電路及電流源信號調理電路傳感器接口電路的線性化技術2.1傳感器類型2.1.1典型無源傳感器2.1.2無源傳感器實例2.1.3有源傳感器2.1.1典型無源傳感器電阻式傳感器：電阻器的阻值由電阻率、電阻長度以及電阻橫截面積決定不同影響因素會使式中各參數(shù)發(fā)生變化，可據(jù)此設計出反映該變化的電阻式傳感器。例如，當電阻受到外力作用而拉長或壓縮時，其電阻率和形狀尺寸會發(fā)生變化，從而導致電阻值的變化，可以據(jù)此設計出力傳感器、轉矩傳感器或位移傳感器。長度為L橫截面積S電阻率ρ電容式傳感器：電容器的電容與其極板面積、相對位置以及極板間介電常數(shù)有關電容式傳感器主要分為平行板式和圓柱同軸式。電容式傳感器根據(jù)變化因素的不同有變面積、變間隙和變介質三類電容式傳感器。C—電容（F）；d—極板間的距離（m）；S—極板間相互覆蓋的面積（m^2）；ε—極板間介質的介電常數(shù)（F/M）； k—靜電力常量（9.0×109N）2.1.1典型無源傳感器電感式傳感器：主要由線圈、鐵芯和銜鐵構成。銜鐵和鐵芯之間有空氣間隙，當銜鐵發(fā)生位移時，由于磁路的變化導致磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化。

2.1.1典型無源傳感器2.1.2無源傳感器實例電阻式傳感器將應變片粘貼在機械構件上，當構件受力變形時，應變片隨之發(fā)生形變，應變片中傳感金屬絲的形狀（長度、橫截面積）會發(fā)生相應的變化，測量出電阻變化量即可得到形變大小。2.1.2無源傳感器實例電容式傳感器傳感器主要由彈性敏感元件和差動電容傳感器和空腔構成。彈性敏感元件作為電容傳感器的活動極板，當受到壓力時產(chǎn)生形變，造成電容間的距離發(fā)生改變，使得差動電容傳感器的電容發(fā)生變化。通過檢測電容的變化量就可以實現(xiàn)對壓力的測量。2.1.2無源傳感器實例電感式傳感器應變平面感受壓力差，并作為銜鐵使用。當應變平面兩側的壓力相等時，兩個電感的氣隙相等，磁阻相等，其阻抗相等；當應變平面兩邊產(chǎn)生壓力差時應變平面發(fā)生形變，造成兩個電感發(fā)生變化，通過電橋電路檢測出電壓變化的大小即可測量出壓差的大小。氣隙變化量很小時，輸出電壓與被測壓力差成正比。2.13有源傳感器有源式傳感器包括：電壓式傳感器和電流式傳感器電壓式傳感器主要包括：基于熱電效應、霍爾效應、電磁效應、光伏效應等傳感器電流式傳感器主要包括基于光電子效應、壓電效應等傳感器2.1.3.1電壓式傳感器熱電效應傳感器霍爾效應傳感器電磁效應傳感器光伏效應傳感器1.熱電效應傳感器當兩種不同材料的導體相互緊密連接在一起時，由于不同導體中自由電子的濃度不同，二者單位時間內擴散到對方的電子數(shù)不同，會導致一個導體失去電子帶正電，另一個導體獲得電子帶負電，于是在結點處會形成電勢差，該電勢稱為接觸熱電勢。這個電勢阻止電子的繼續(xù)擴散，當電子擴散能力與電場阻力達到平衡時，接觸熱電勢就會達到一個穩(wěn)定值，電勢由如下式子得出：k—玻爾茲曼常數(shù)，k=1.381×10-23J/K；e—電子電荷量，e=1.602×10-19C；T—結點處的絕對溫度（K）；nA(T)，nB(T)—材料A，B在溫度T時的自由電子濃度。將A，B兩種不同導體材料兩端相互緊密連接在一起，組成一個閉合回路，這樣就構成了一個熱電偶。當兩節(jié)點溫度不同時，回路中就會產(chǎn)生電勢。熱電偶溫度保持不變一端成為自由端或冷端，另一端成為測量端或熱端。通過測量接觸電勢的大小推算測量端的溫度。1.熱電效應傳感器霍爾效應當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發(fā)生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。Ix為電流，Bz為電磁場強度，d為板間距，RH為霍爾系數(shù)，UH為霍爾電動勢2.霍爾傳感器2.1.3.2電流式傳感器光電效應傳感器光電效應的原理為在高于特定頻率電磁波照射下，特定光電材料內部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電流。電流的大小與單位時間內溢出的電子數(shù)有關，取決于光電材料自身的性質以及入射光的光強和頻率。可以據(jù)此設計出光強傳感器和輻射傳感器。壓電效應：為當沿著一定方向產(chǎn)生形變時，特定壓電材料內部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在表面產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，重新恢復為不帶電狀態(tài)。當作用力的方向改變時，電荷極性也發(fā)生改變。壓電傳感器以壓電效應為基礎，在外力作用下產(chǎn)生電流，對非電量進行測量。2.1.3.2電流式傳感器2.1.3.3.有源傳感器實例熱電偶溫度傳感器：工作方式為：將兩種熱電極兩端相接，使其產(chǎn)生閉合回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢。其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做熱端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為參考端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。環(huán)式霍爾電流傳感器傳感器由磁芯、霍爾元件和調理電路構成。磁芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙處。當導線流過電流時，在導體周圍產(chǎn)生磁場強度與電流大小成正比的磁場，磁芯將磁力線集聚至氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應強度成正比的電壓信號，通過導線將電壓信號引出，以供后續(xù)電路處理。2.1.3.3.有源傳感器實例壓電式壓力傳感器當受壓膜片受到壓力P作用時，受壓膜片產(chǎn)生形變擠壓壓電晶體，壓電晶體產(chǎn)生電荷，并從引線導出。產(chǎn)生的電荷量與測試環(huán)境的壓強、膜片的有效面積和壓電晶體常數(shù)有關，通過測量壓電晶體產(chǎn)生的電荷量大小即可實現(xiàn)對壓力的測量。2.1.3.3.有源傳感器實例2.2信號調理電路2.2.1運算放大器選型2.2.2無源傳感器調理電路 2.2.3有源傳感器調理電路 2.2.1運算放大器選型類型典型特征典型應用通用型低成本；低電壓轉換速率（小于10V/μs）；適中的輸入偏移電壓；適中的輸入偏置電流；通用型設計；阻抗緩沖；有源濾波；單位增益跟隨；電流轉換為電壓；高精度型低溫度漂移率（小于2μV/℃）；低輸入偏移電壓（小于1mV）；低輸入偏置電流（小于200pA）；高直流增益；高共模抑制比（大于100dB）；低輸入噪聲（小于15nV/）；信號調理電路接口設計；電橋電路中的放大器；壓電式加速度計傳感器的電荷型放大器；精密積分器；微小電壓信號放大器；高內阻傳感器的測量；低功耗、寬供電范圍型低輸入偏移電壓；低輸入偏置電流（小于1mA）；較寬的輸入和輸出電壓范圍；高開環(huán)增益；高共模抑制比；電池供電系統(tǒng)；單電源供電系統(tǒng)；便攜設備；導彈，航天器；高速型高電壓轉換率（小于100V/μs）；高增益帶寬（大于10MHz）；低建立時間（小于500ns）。高頻有源濾波器；高頻振蕩器；高速積分器；常規(guī)傳感器信號調理電路較少采用此類別。2.2.2無源傳感器調理電路最簡單的無源傳感器信號調理電路有分壓電路和電流源電路，可將被測對象的幅值放大后測量。2.2.2.1電橋信號調理電路電阻電橋電路電容電橋電路2.2.2.1電橋信號調理電路電感電橋電路測量高Q值的電感電橋——海氏電橋。電橋平衡條件2.2.2.1電橋信號調理電路電感電橋電路測量低Q值電感的電橋——麥克斯韋電橋電橋平衡條件2.2.2.1電橋信號調理電路2.2.2.2調頻信號調理電路調頻信號調理電路可以將無源傳感器的阻抗變化量轉換為基于振蕩電路的頻率變化量。振蕩器電路通常根據(jù)其電路設計的不同產(chǎn)生特定頻率的信號。低頻振蕩器電路通常以弛張型振蕩器作為振蕩源，能產(chǎn)生1至20千赫茲的頻率信號。更高頻率的振蕩器電路則通常采用LC振蕩電路。低頻振蕩器電路單運放RC振蕩電路是弛張型振蕩器的典型代表用敏感元件代替電容C或電阻R，可以制成相應的電容或電阻傳感器。

LC振蕩電路電感三點式振蕩電路，又稱哈特萊振蕩器，屬于電感耦合、頻率可調的振蕩器，其振蕩頻率通常在10M~20M赫茲之間。哈特萊振蕩器的特點是諧振回路作為晶體管集電極的負載，利用電感L2將諧振電壓反饋到基極。這一反饋引起輸出信號的電壓幅值隨共振頻率的大小而放大相應倍數(shù)。哈特萊振蕩器的振蕩頻率表示為：LC振蕩電路電容三點式振蕩電路，又稱考畢茲振蕩器，由串聯(lián)電容與電感回路及正反饋放大器組成，因振蕩回路兩串聯(lián)電容的三個端點與晶體管三個管腳分別相接而得名。這種電路的優(yōu)點是輸出波形好、振蕩頻率可達100M赫茲以上。缺點是反饋值大小同時取決于C1與C2的相對取值。2.2.3有源傳感器調理電路電壓源傳感器調理電路電流源傳感器調理電路2.2.3有源傳感器調理電路2.3線性化2.3.1優(yōu)化傳感電路2.3.2校正輸出信號

2.3.1優(yōu)化傳感電路2.3.2校正輸出信號對數(shù)和指數(shù)轉化校正非線性使用模擬乘法器進行非線性校正2.4傳感器接口實例2.4.1電阻式應變傳感器 2.4