电子系统设计-第2章 传感器（新）

第2章 常用传感器(sensor)及其应用2.1 传感器概述2.1.1 传感器的组成 传感器：指能感受被测(非电)量（包括物理量、化学量、生物量等）并能按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调整与转换电路和辅助电源组成。框图如下：,直接感受和响应被测非电量，并将其送到转换元件。,将转换元件输出的电量转换成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号。,将敏感元件感受和响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号。,2.1.2 传感器的分类 按被测物理量（输入量） 可分为温度传感器、湿度传感器、光传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等； 按工作原理 可分为电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势式传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器和生物传感器。,2.1 传感器概述,2.1.3 传感器的主要参数1、静态参数 指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。,静态特性：,（1）线性度：,指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离理想直线的程度。 定义为在全量程范围内实际特性曲线与理想直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。,2.1.3 传感器的主要参数1、静态参数 表示测量结果与被测量的（约定）真实值之间的一致程度。两者之差称为绝对误差，绝对误差与被测量（约定）真实值之比称为相对误差，精度反映了测量结果中的系统误差与随机误差的综合。 精度常用等级来表示。如0.1、0.6、1.0级的传感器。 传感器的输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。 指传感器对相邻两个输入值有效辨别的能力，即最小检测量。在传感器输入零点附近的分辨率称为阈值。 指在规定条件下，传感器保持其特性恒定不变的能力。,（5）稳定度：,（2）精确度（准确度）：,（3）灵敏度：,（4）分辨率：,传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。,1、静态参数,（6）迟滞/滞后：,对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值的绝对值称为迟滞差值。当输入为零时，传感器输出的值。,（7）零值误差：,2、动态参数 指传感器在输入变化时，它的输出的特性。 时间常数 上升时间tR 稳定时间tS 过冲量 频带宽度BW,动态特性：,一、热敏电阻器（利用对温度敏感的半导体材料制成） 1. 负温度系数热敏电阻器（NTC）,在工作范围内电阻值随着温度的升高而降低。具有灵敏度高、响应快等特点。,2.2 温度传感器,元件符号文字符号,特点：,：RT,电阻-温度特性曲线,2.正温度系数热敏电阻器（PTC） 电阻-温度特性曲线,在工作温度范围内电阻值随着温度的升高而升高。 具有开关特性。,特点：,二、 铂热电阻 铂热电阻(温度传感器)是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好、抗震、耐压、安装方便等优点,被广泛用于中温(-200650)范围的温度测量中。 PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。 由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。,1、组成 将铂电阻感温元件、内引线、绝缘材料等用铜管包装成的坚固组合体。目前热电阻的引线主要有三种方式： 二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制。 特点：方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关。 应用：只适用于测量精度较低的场合。 三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制。这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。 四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。,接受由变送器、转换器、传感器(包括热电偶、热电阻)等送来的电或气信号，并指示所检测的过程工艺参数量值的仪表。,2、TP100 是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数。其电阻和温度变化的关系式：R=Ro(1+T) 其中=0.00392，Ro为100(在0的电阻值),T为摄氏温度。因为用铂作成的电阻式温度传感器，所以称PT100。 Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：A级（0.150.002t）， B级（0.300.005t）；热响应时间30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允通电流5mA。 另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。,2、TP100,计算可知，Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r 当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响。 由分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。,接法（三线制） 要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过,四个桥臂的电阻相等,由串联分压可得：,三、热电偶 两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。 热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端），冷端通常处于某个恒定的温度下 ；冷端与显示,热电效应：,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。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。,四、二极管温度传感器,五、集成温度传感器1、AD590绝对温度（K）电流传感器 AD590是电流型温度传感器。这种器件以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1A/K。它是二端器件，使用非常方便。 作为一种高阻电流源，对于它不需严格考虑传输线上电压信号损失和噪声干扰问题，因此特别适合作远距离测量或控制应用。另外，AD590也特别适用多点温度测量系统 。（1）AD590性能特点线性电流输出：1A/K。测温范围宽：55+150。二端器件：电压输入，电流输出。激光微调使定标精度达0.5（AD590M）。线性度极好：在整个测温范围内非线性误差小于0.3 （AD590M）。,工作电压范围宽：430 V。 器件本身与外壳绝缘。 成本低。（2）基本接法（应用）,电压抵消法 差分电路实现 利用差分电路的特点将R1上得到的的温度信号经运放N1缓冲隔离后，在运放N2的同相端和反相端进行相减，输出与摄氏温度成比例的电压。 在0C时调整R2，使Vo=0，可扣除273.15的常数项，从而实现摄氏温度的测量。,校准：,（3）典型应用 摄氏温度的测量,（3）典型应用,摄氏温度的测量电流抵消法（典型接法） 利用运放的虚地概念，将AD590电流输出支路与产生273.15的常数支路在虚地点叠加变换绝对温度T（K）为摄氏温度（C）。,电路图如右上图所示，MC1403输出2.5V电压基准，通过R1与R2的和（9.157k欧）得到273.15uA，可在运放反相端与AD590在0C时产生的273.15uA相互抵消，从而得到灵敏度为100mV/C的摄氏温度输出。 在0C时，调整R1，使Vo=0；在1C时，调整R4，使Vo=100mV。,设计思想：,校准：,参考电压法,测量两点间的温差 电路如右图所示，在反馈电阻为100kW的情况下，设1#和2# AD590处的温度分别为t1（）和t2 （）。电位器R2用于调零，电位器R4用于调整集成运放的增益。A点，由KCL得：I+I2=I1+I3+I4 （1）由运算放大器的特性知：I3=0 （2）调节调零电位器R2使：I4=0（3）由（1）、（2）、（3）可得： I=I1-I2设R4=90kW,则有:Vo=I(R3+R4)=(I1-I2)(R3+R4) =(t1-t2)100mV/C （4）,其中，t1-t2为温度差，单位为。由式（4）知，改变R3+R4的值可以改变VO的大小。,2、LM35/45摄氏温度（oC）电压传感器 LM35/45是精密摄氏温度-电压传感器，其输出电压正比于摄氏温度，灵敏度为10mV/。由于芯片采用曲率补偿电路，其输出电压的线性得到了改善，在45+150范围内最大非线性误差仅为0.2。它的输出阻抗很低，又可采用单电源或双电源工作（电压范围为520V），所以很容易地读出或控制电路接口。（1）性能特点输出电压与摄氏温度成正比。精度高，不需校准，在室温下典型值为0.2，全量程范围内典型值为0.4。工作电压范围宽：520V。可采用单电源或双电源工作耗电小，造成自然升温小于0.1。测温范围宽：45+150。输出灵敏度：10mV/。三端器件，成本低。,（2）基本接法,以上介绍的都是模拟温度传感器，也有数字温度传感器，如DS1820、DS18B20和DS1822等。,3、DS18B20（单总线数字温度传感器） （1）特点：独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯测温范围宽，为-55125（67257）测温精度高，在1085范围内精确度为5无需外部器件支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中可通过数据线供电。供电范围为3.0V到5.5V温度计分辨率可以通过编程选择为912位测量速度快，最多在750ms内将温度转换为12位数字。掉电保护功能。DS18B20 内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。与DS1822兼容的软件,3、DS18B20（单总线数字温度传感器）（2）引脚,1. GND为电源 地；2. DQ为信号输入输出端，对于单线操作：漏极开路（见“寄生电源”模式）；3. VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）,3、DS18B20（单总线数字温度传感器）（3）结构 主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。,3、DS18B20（单总线数字温度传感器）（4）应用,寄生电源模式,外接电源供电模式,注意：温度高于100时，不推荐使用寄生电源。因为此时器件的漏电流比较大，会使总线不能可靠检测高低电平，从而导致数据传输误码率的增大。,2.3 光传感器一、光敏器件 ：通常是指能将光能转变为电信号的器件，其中半导体传感器件的应用最为广泛。常用的半导体光敏器件有光敏电阻器、光敏二极管与光敏三极管。 1. 光敏电阻器 光敏电阻器又称光导管，是利用半导体的光电效应制成的，电阻值随入射光强弱变化而明显变化的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。 2. 光敏二极管 光敏二极管也叫光电二极管，它与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性。因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。,光敏器件,3. 光敏三极管 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电流控制，同时也受光辐射的控制。 光敏三极管由光窗、集电极和发射极的引出脚等组成，制作材料多为半导体硅。相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。原理结构如下图,光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍，因此输出电流要比光敏二极管大得多，一般为毫安级。但其他特性不如光敏二极管好，在强光照射下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度特性也较差，故光敏三极管多用作光开关或光逻辑元件。 一般光敏三极管是两个输出引脚，与光敏二极管输出引脚相同。4.光耦合器 光耦合器又称光电耦合器，是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。具有体积小、寿命长、抗干扰强以及无触点输出（在电气上完全隔离）等优点。可以替代继电器、变压器等。,特点：（1）输入端相连的电路与输出端相连的电路完全隔开，并且在这两个电路之间，可以安全地存在成百上千伏的电位差而不影响光电耦合器的正常工作。 因此光电耦合器又叫做光电隔离器，可应用于低压到高压（或高压到低压）信号的耦合。如计算机输出信号与外部电子电路或电动机的接口，以地位基准的低电压电路和用于主干线交流电源等直接供电的浮置高压电路之间的连接，还可以替代低功率的继电器和脉冲变压器。（2）用IF控制 ，且信号的传递是单向的，输出端即使有很强的干扰和噪声，也不会影响到输入端。,二、热释电人体红外传感器 研究表明，热释电电路只与热释电材料的温度变化有关，与温度本身无关，适于对人体和运动目标的检测和跟踪，对温度变化率进行测量。 在恒定的辐射作用下输出的电压信号为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。 热释电人体红外传感器一般都采用差动平衡结构，由敏感元件、场效应管、高值电阻和滤光片等组成。,特点：,组成：,（1）敏感元件（2）场效应管和高阻值电阻Rg 由于热释电的输出阻抗很高，可达1012以上，输出电压信号有非常微弱，因此需要用场效应管来进行阻抗变换和信号放大。 高阻值Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全工作。（3）滤光片,（4）菲涅耳透镜 镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR（被动红外线探测器）上产生变化热释红外信号。 一般热释电信息转换器前面都安装有菲涅尔透镜，能增加热释电的探测距离（可达10米以上）。 热释电人体红外传感器的应用 采用热释电人体红外传感器制造的被动红外探测器，用于控制自动门、自动灯及高级光电玩具等。,2.4 其他传感器一、压敏电阻器（VSR） 具有非线性伏安特性并有抑制瞬态过电压作用的固态电压敏感元件。压敏电阻器（VSR）是电压灵敏电阻器的简称，它是一种新型的以氧化锌（ZnO）为主要材料而制成的金属-氧化物-半导体陶瓷过压保护元件。 当端电压低于某一阈值时，压敏电阻器的电流几乎等于零；超过此阈值时，电流值随端电压的增大而急剧增加。压敏电阻器的非线性伏安特性是由压敏体（或称压敏结）电压降的