3.6 传感器电路.docx

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1、3.6传感器及其应用电路传感器种类介绍1 .传感器定义传感器是能感受（或响应）规定的被测物理量，并依据肯定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由干脆响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子电路所组成。2 .传感器分类（1）按传感器的机理及转换形式分类有结构型、物性型、数字（频率）型、量子型、信息型和智能型。（2）按敏感材料分类有半导体型（如元素硅或IHV族、IIVI族化合物）、功能陶瓷型（如电子型半导体瓷、压电瓷）、功能高聚物型（如各种高分子有机半导体、压电体）等。（3）按测量对象参数分类有光传感器、湿度传感器、温度传感器、磁传感器、压力（压强）感器、振动传咸

2、器、超声波传感器等。（4）按应用领域分类有机器人传感器、医用（生物）感器、环保传感器、各种过程和检测传感器等。3.6.2霍尔传感器与应用电路1 .基本原理霍尔传感器是利用半导体的磁电效应中的霍尔效应，将被测量转换成霍尔电势。霍尔效应：将一载流体置于磁场中静止不动，若此载流体中的电流方向与磁场方向不相同时，则在此载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电势，此电势称为霍尔电势，此现象称为霍尔效应。霍尔电势UH=BbIZnebd式中：B外磁场的磁感应强度；I通过基片的电流；n-一基片材料中的载流子浓度；e电子电荷量，e=l.602XlO-9C;b基片宽度；d基片厚度。半导体材料的电阻

3、率P和迁移率均高，碎化锢和睇化锢常被大量采纳作为制作霍尔元件的材料。霍尔元件通常被制作成长方形薄片。2 .集成霍尔传感器集成霍尔传感器利用硅集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起，实现了材料、元件、电路三位一体，有线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。基本应用电路，如图所示，限制电流（激励电流）由电源E供应，其大小可由调整电阻R来实现，霍尔片输出端接负载Rf,Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器的内阻。在磁场和限制电流的作用下，负载上就有输出电压。在实际运用中，输入信号可为电JPl4HUOERHRPJE图361霍尔传感器基本应用流I或磁感应强度B,或者两者同时作为输入，则输出

4、信号可正比于I或B,或两者之积。由于建立霍尔效应所需的时间很短（约1O21o4s之间），因此，限制电流用沟通电时，频率可以很高（几千兆赫）。3 .典型应用转速测量霍尔传感器是基于UH=（kHd）IBsina式工作的，如图3.6.2所示的非电量通过弹性元件产生位移便可利用霍尔传感器进行测量。矩要力差力动”压压1振琅图362非电量通过霍尔传感器测量原理（I）转速测量原理应用开关型霍尔传感器检测转速的示意图如图3.6.3所示。在非磁材料的圆盘边缘上粘贴一块磁钢，将圆盘固定在被测转轴上，开关型霍尔传感器固定在圆盘外缘旁边，圆盘每旋霍尔传感器检测转速示意图转一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，用频率计测量这

5、些脉冲，便可知道转速。设频率计的频率为f,粘贴的磁钢数为Z,则转轴转速为n=60fZ(rmin)若Z=60,则n=f,即转速为频率计的示值。但是，粘贴60块磁钢实在麻烦，而且若圆盘很小便装不下这么多。因此，可视状况粘贴适当的块数。例如：可粘贴6块磁钢，则转速为n=10f这样读数与计算都比较便利。(2)测量转速电路测量转速的装置示意图如图3.6.4所示，将霍尔传感器按图3.6.3的方式装成后，再将霍尔传感器H的1脚和3脚间接2K。的电阻，将其输出端接到数字式频率计的输入端，即可依据相应的状况计算出被测机械的转速。图364测量转速的装置详细的转速测量电路如图3.6.5所示。该电路采纳霍尔ICUGN

6、3040检测磁性转子的转数。UGN3040是集电极开路元件，外接上拉电阻。当磁性转子转动时，霍尔Ie的输出也随之变更，B点是经过三极管反相后的输出。后续电路可用计数器记录转速。KcGND图365转数检测电路开关型霍尔传感器还可选用UGN-3020,UGN-3O3O型，其电源电压为4.525V,对磁感应强度B的大小要求不严格，当电源电压为12V时，其输出截止电压的幅值Uo12Vo亦可选用国产CS837,CS6837型，其电源电压为10V；CS839,CS6839其电源电压为18V。但应留意的是，CS型开关集成霍尔传感器为双端输出，也属于集电极开路输出级。不管是单端输出还是双端输出，电源和集电极间

7、必需接上负载电阻才能正常工作。3. 6.3金属传感器与应用电路1 .集成金属传感器的分类集成金属传感器包括两种类型：电容式接近开关和电感式接近开关。(I)电感式接近开关电感式接近开关是建立在电磁场的理论基础上而工作的。由电磁场理论可知，在受到时变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。成块的金属置于变更的磁场中，或者在固定的磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的磁力线在金属内是闭合的，所以称为涡流。导体影响使线圈的阻抗发生变更，这种变更称为反阻抗作用。该传感器利用受到交变磁场作用的导体中产生的电涡流，调整线圈原有阻抗。因此电感式接近开关可以作为金属探测器。几种常用的电感式接近开关

8、的外形如图3.6.6所示。*齐平安装：检测距离：3,5,IOmm*非齐平安装；检测距离：8,12,20mm（八）带螺纹塑料圆柱形检测距离：3,5,IOmm*齐平安装；检测距离：1.5,3,5,IOmm*齐平安装;*非齐平安装；检测距离:8,12,20mm（b）镀格黄铜圆柱外壳*非齐平安装;检测距离：4,8,12,20mmc）不锈钢圆柱外壳图366常用电感式接近开关（2）电容式接近开关电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很像“打开的”电容器的电极，如图3.6.7所示。电极A和电极B连接在高频振子的反馈回路中。该富频振子无测试目标时不感应。当测试目标接近传感器表面时，测试目标就进入了由这

9、两个电极构成的电场，引起A、B之间的偶合电容增加，电路起先振荡。该振荡信号由电路检测，并形成开关信号。电容式接近开关主要由振荡电路、检波、整形电路、开关电路等几部分组成，如图367所示。O+O-T图367电容器的极板位置常用的电容式接近开关的外形如图3.6.8所示；外形、安装方式、接线方式、检测距离图3.6.8常用电容式接近开关等参数与电感式接近开关基本相同。2 .自制简易金属传感器电路竞赛时也可以自制金属传感器。由电磁场理论可知，在受到时变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围是与线圈产生的磁场强度和分布状况有关，磁场沿径向分布范围大，则线性范围就大，轴向磁

10、场梯度大，则灵敏度就高。它们与传感器线圈的尺寸和形态有关。依据这种关系就可以确定线圈的形态和尺寸参数。当X小时（被测物体靠近线圈），线圈半径Fb小，则产生的磁感应强度大。当X大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，且半径小的变更梯度大，线圈半径大的变更梯度小。对涡流传感器通常设计为截流扁平线圈，产生的磁场可以视为由相应的单匝线圈的磁场叠加而成。a.线圈外径大时，传感器敏感范围大，线性范围相应也大，但敏感度低。b.线圈外径小时，线性范围相应小，但敏感度增大。c.线圈薄时，灵敏度高。d.线圈内径变更时，只有被测体与传感器距离近时，灵敏度略有变更。e.设计时，传感器的线性范围一般取为线圈外径的1315

11、0当有金属时，影响线圈1.l的阻抗，从而影响振荡电路的输出幅值，经过比较器进行比较,比较后的输出信号经整形电路整形，可干脆输入到限制电路进行检测状态的推断。3 .6.4温度传感器与应用电路1 .分类温度传感器的数量在各种传感器中占据首位。其中将温度转换为电阻变更的称为热电阻和热敏电阻传感器；将温度转换成电势变更的称为热电偶传感器。2 .热电偶温度传感器(1)基本原理热电偶传感器能将温度变更量转换为热电势，理论是建立在热电效应基础上。热电效应：将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，假如两个结点的温度不同，则回路中将产生肯定的电流(电势)，其大小与材料性质及结点温度有关，这种物理现象即为热电效应。

12、(2)应用电路如图所示的热电偶报警信号电路。在AD594/AD595的应用中，13脚应受肯定的限制，它的电压不能超过-4V。这一点只要招13脚连接到4脚的公共端，或连到7脚的V-就简洁办到。电路在正常工作时报警晶体管断开，20K。的上拉电阻使12脚输出为高电平。假如热电偶的一个头或两个头断开，12脚将输出低电平，从而输出报警信号。图3.6.10热电偶报警信号电路3 .热电阻温度传感器利用热电阻和热敏电阻的温度系数制成的温度传感器，均称为热电阻式温度传感器。（1）金属热电阻工作原理由物理学可知，对于大多数金属导体的电阻，都具有随温度变更的特性，其特性方程满意下式：Rt=R01+（t-to）式中，

13、Rt,Ro分别为热电阻在tC和OC时的电阻；为热电阻的温度系数（1/）。对于绝大多数金属导体，值并不是一个常数，而是随温度而变更，但在肯定温度范围内，可近似视为一个常数，不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围也不同。（2）金属热电阻种类伯热电阻：测温复现性好，被广泛应用于作温度的基准，标准的传递。铜电阻：灵敏度高，但易于氧化，一般只用于150C以下的低温测量和没有水及无侵蚀性的介质中的温度测量。电阻：电阻温度系数大、电阻率也大，可制成体积小、灵敏度高的电阻温度计；易于氧化、化学稳定性差、不易提纯、复制性也差，而且电阻-温度特性线性差。因此，目前用的比较少。（3）热电阻传感器的测量电路热电阻传

14、感器的测量电路最常用的是电桥电路，精度要求高的采纳自动电桥，为了消退由于连接导线电阻随环境温度变更而造成的测量误差，常采纳三线和四线制连接方法。在此不再详述。4 .半导体热敏温度传感器（1）半导体热敏温度传感器的分类用半导体制成的热敏元件。一般来说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半导体热敏电阻可分为：正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻等几类。PTC：主要用于彩电消磁、各种电器设备的过热爱护、发热源的定温限制，也可作限流元件运用。CTR：主要用作温度开关。NTC：在点温、表面温度、温差、温度场等测量中得到广泛的应用，还广泛应用在自动限制及电子线路的热

15、补偿电路中。是运用最为广泛的热敏电阻。（2）半导体热敏温度传感器的应用热敏电阻可以和一般的电阻一样运用，只是热敏电阻的阻值是随着温度的变更而变更的。可组成如图3.6.11所示应用电路。图3611热敏电阻温度测量电路这是一个非对称式多谐振荡器电路。R4为热敏电阻，当温度变更时，其阻值将会随着发生变更。此变更将会影响振荡电路的振荡频率。将振荡电路的输出信号，输入到限制电路(如FPGA或单片机限制系统)中，便可以通过计频率的变更而显示出对应的温度。须要留意的是，图中的Ul必需是MoS反相器，否则可能会不起振。振荡电路的振荡周期为(推导过程略)：T=2.2C(R2+R3+R4)由热敏电阻组成的温度限制器，其电路如图3612所示。温度传感器采纳在25C为IOK。的负温度系数热敏电阻，电路由两个比较器组成。比较器Al为温控电路，比较器A2为热敏电阻损坏或接线断开指示电路，调整WI可设定限制温度，调整R5可调整电路翻转延时时间，以免继电器频繁通断。(3)二极管PN结这类温度传感器是利用晶体管半导体材料的PN结的伏安特性与温度之间的