常用传感器和其电路应用

常用传感器及其应用主讲 林凡2010 07 传感器简介 传感器定义 传感器是指能感受并响应被测物理量 并按照一定的规律将其转换成为可供测量的输出信号的器件或装置 传感器的组成 并无严格的规定 一般说来 可以把传感器看作由敏感元件 热敏元件 磁敏元件 光敏元件等 和变换元件两部分组成 电量 敏感元件指能直接感受或响应被测量的部分 转换元件指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 传感器的输出信号一般都很微弱 需要有信号调整与转换电路对其进行放大 运算等 有的调整与转换电路与敏感元件集成在同一芯片上 此外 传感器工作必须有辅助的电源 传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术 它与许多学科有关 其种类繁多 有多种分类方法 一 按检测功能分类 温度 光敏 压力 磁敏 声音 湿度 气体等传感器二 按工作原理分类 压电式 光电式 吸附式 压阻式 热点式等传感器三 按制造材料分类 金属 聚合物 半导体 陶瓷 混合物等传感器 四 按制造工艺分类 集成 薄膜 厚膜等传感器 传感器的选用 传感器的种类繁多 相同的物理量可用不同工作原理的传感器 使用时一般考虑如下 一 被测量类型测量目的 测量范围 测量精度 测量时间等二 工作环境环境温度 环境噪声 传递距离等三 传感器性能成本 线性度 稳定性 响应时间 输出方式等 一 温度传感器 1 热敏电阻 半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型 负温度系数热敏电阻 NTC 正温度系数热敏电阻 PTC 临界温度系数热敏电阻 CTR 在某一特性温度下电阻值会发生突变的 CTR主要用作温度开关 在温度测量中 则主要采用NTC 三种类型热敏电阻的典型特性 Rt R0 分别为TK和T0K时的热敏电阻值 B 热敏电阻的材料常数 其值主要取决于热敏电阻的材料 一般情况下 B 2000 6000K 可通过查阅产品资料获得 在高温下使用时 B值将增大 T 被测温度 K NTC热敏电阻的电阻值与温度的关系为 热敏电阻特性曲线及参数 热敏电阻的常见外型及符号 MF58 103 36 热敏电阻基本应用电路 基本测温电路 温差测量电路 NTC 热敏电阻和555构成双限温度控制器 NTC MF58 103 36 555芯片资料 通常采用的热电阻有铂 铜和镍 由于铂具有很好的稳定性和测量精度 故人们主要把它用于高精度的温度测量和标准测温装置 多数热电阻随温度而变化的关系可由下式表示 Rt R0 1 t t0 Rt R0 分别为热电阻在t 和t0 时的电阻值 热电阻的电阻温度系数 1 t 被测温度 2 热电阻 RTD 常用的铂电阻有Pt50 Pt100 Pt300 Pt1000等 下标表示铂电阻在0 时的阻值 铂电阻 铂电阻与温度的关系在0 630 74 以内为 Rt R0 1 At Bt2 190 0 以内为 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 Rt 温度为t 时的电阻值 R0 温度为0 时的电阻值 t 任意温度值 A B C 分度系数 手册查找 如 Pt1000分度常数 A 0 0038623139728 B 0 00000065314932626 铂电阻测温电路 3 热电偶 两种不同的金属A与B形成闭合回路 当两个接点温度不同时回路将产生电势 该电势的方向和大小取决于两导体的材料及两接点之间的温度差 而与导体的粗细 长短无关 这种现象称为热电效应 组成的测量传感器称为热电偶 工作端或热端 T 测量时将它置于被测温度场中 自由端或冷端 T0 一般要求恒定在某一温度 铠装 虽说许多金属相互结合都会产生热电效应 但是能做成适于测温的实用热电偶者为数不多 目前常用的热电偶有铂 铂铑 镍铬 镍硅 镍铬 康铜等 按测温范围又分为K E J T B R S等型 热电偶能直接进行温度 电势转换 而且体积小 测温范围广 热电偶的结构除普通型外 还有具有保护外套的所谓铠装 也有叫缆式 热电偶 薄膜热电偶等 热电偶类型 K J E T型相对冷端 0 的温差电势 K型热电偶电路举例 4 集成温度传感器AD590 AD590 I J K L M 有如下特点 线性电流输出 Io T 1 A K 工作温度范围 55 155 两端器件 电压输入 电流输出 激光微调使定标精度达 0 3 AD590M 整个工作温度范围内非线性误差小于 0 5 AD590M 工作电压范围 4 30V 器件本身与外壳绝缘 在25 时调整电位器使Vo为298 2mV 或0 时调整电位器使Vo为273 2mV 利用这样一个简单的电路 很容易把传感器的电流输出变换为方便的电压输出 由于AD590内阻极高 所以适合远距离测量 可采用一般双绞线 AD590基本应用电路 AD590远距离温度检测电路 其他常用的集成温度传感器 AD2210 22105 AN6071 DS1620 1621 1820 1821LM34 35 50 56 60 65 66 75 78LM135 235 335TC622 623 624TMP03 04 12 35 36 37 各类温度传感器比较 PN结正向压降随温度的升高而减小 温度升高1 C结压降约减小2mV 休息一下 二 光敏传感器 光敏传感器是把光信号转化成电信号的传感器件 广泛应用于自动控制 产品计数 检测 安全报警等电路中 检测的光源为可见光和不可见光 紫外 近红外等 主要类型 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 集成光敏传感器 CCD 光纤传感器 太阳能电池等 1 光敏电阻 光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻 此时流过的电流称为暗电流 光敏电阻受到光照射时的电阻称为亮电阻 此时电流称为亮电流 亮电流与暗电流之差称为光电流 一般暗电阻越大 亮电阻越小 灵敏度越高 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级 亮电阻在几千欧以下 暗电阻与亮电阻之比一般在102 106之间 光敏电阻特性 光敏电阻伏安特性曲线 光敏电阻的光照特性曲线 几种常用光敏电阻材料的光谱特性曲线 光敏电阻基本应用电路 适当选取R1的阻值 处于暗环境时 光敏电阻阻值较大 VT截止 输出为零 当光照时 光敏电阻阻值迅速减小 VT饱和导通 输出为高电平 2 光敏二极管 三极管 光敏二极管 三极管基本应用电路 光电耦合器件是由发光元件 如发光二极管 和光电接收元件合并使用 以光作为媒介传递信号的光电器件 根据其结构和用途不同 它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关 3 光电耦合器件 光电耦合器组合形式 实现电平转化 信号隔离的光电耦合器 发光器件采用砷化镓发光二极管 随正向电压的增大 正向电流增加 产生的光通量也增加 光电接收元件可以是光敏二极管 光敏三极管或达林顿光敏管 为保证较高的灵敏度 应使发光元件和接收元件的波长匹配 1 光耦隔离器 TLP521输出电流约20mA TLP113输出电流约150mA 光耦隔离器基本应用电路 12V 5V反相隔离电平转换 CON低 OUTPUT高 5V 12V同相隔离电平转换 CON低 OUTPUT低 光耦隔离器应用电路 强弱电隔离电子开关 输入高 电灯亮 光耦隔离器应用电路 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收 并进行光电转换 同时加以某种形式的放大和控制 从而获得最终的控制输出 开 关 信号的器件 2 光电开关 光电开关外型 光电开关基本电路 光电开关应用电路举例 插卡式电源开关 转速测量 三 磁敏传感器 磁敏传感器是利用导体 半导体的磁电效应制成的 能把磁场信号转换成电信号的传感器 磁敏传感器主要的作用是检测磁场信号 最大优点是非接触检测 根据材料不同主要有 磁敏电阻 磁敏晶体管 霍尔传感器 干簧管等 广泛应用于自动控制 速度 位移 转速等 电磁测量 高斯计 电流检测等 生物医学等领域 1 干簧管 干簧管是最简单的磁控机械开关 由带磁性和不带磁性的两个触点构成 在没有外加磁场作用时 这两个触点是断开 常开型 或接通 常闭型 在外加磁场作用下闭合或断开 常应用于简易报警 保温 照明电路 2 霍尔传感器 置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体两个面之间产生电动势 这种现象称霍尔效应 该电势称霍尔电势 根据霍尔效应制作的传感器称为霍尔传感器 霍尔传感器具有体积小 输出动态范围宽 频响范围宽 可靠性高 无接触检测等优点 广泛应用于自动控制 无接触检测中 式中KH RH d称为霍尔片的灵敏度 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度 其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比 为了提高灵敏度 霍尔元件常制成薄片形状 霍尔电动势表达式为 霍尔传感器外型和符号 霍尔传感器特性曲线 开关型霍尔传感器特性曲线 A44E集成霍尔开关由稳压器A 硅霍尔片B 差分放大器C 施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成 几种霍尔式转速传感器的结构 霍尔式测速电路 四 压力和振动传感器 某些电介质 石英晶体 钛酸钡 锆钛酸铅 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就产生极化现象 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复到不带电状态 这种现象称压电效应 压力和振动传感器就是利用压电效应制造的 在气压 液压监测 加速度 电子称重 报警等方面有着广泛应用 1 集成压力传感器MPX10 3V 集成压力传感器采样电路 集成压力传感器MPX5700 5V 五 气敏传感器 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度 非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应 使电流或电压发生变化 来对气体进行直接或间接的检测 气敏传感器的整体结构 气敏传感器的结构与外型 气敏传感器MQ3 符号 气敏传感器TGS2602 六 湿敏传感器 金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两类 离子型湿敏元件 由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用 毛细凝聚作用 在潮湿气氛中呈现出H 离子 使元件的电导率增加 电子型湿敏元件是利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变的原理制成的 符号 一种氧化锆 氧化镁陶瓷湿敏传感器 陶瓷湿敏传感器 高分子聚合膜电容式湿敏元件 电容式湿敏元件 休息一下 七 话筒及超声波传感器 机械振动在弹性介质内的传播称为波动 简称为波 人能听见声音的频率为20Hz 20kHz 即为声波 超出此频率范围的声音 即20Hz以下的声音称为次声波 20kHz以上的声音称为超声波 一般说话的频率范围为100Hz 8kHz 声波为直线传播方式 频率越高 绕射能力越弱 但反射能力越强 驻极体话筒 符号 驻极体话筒接法 1 外壳2 金属丝网罩3 锥形共振盘4 压电晶体片5 引脚6 阻抗匹配器7 超声波束 超声波发射和接收器 符号 超声波发射和接收器 超声波发射和接收电路 训练单元