常用传感器及其应用ppt课件

.,常用传感器及其应用,.,传感器,传感器是指测试器系统的检测部分直接与被测对象发生关系，直接感受被测参数的变化，并把被测参数转为易于运输、处理、测量的信号，完成这一任务的装置称为传感器。我们的五官（眼，耳，皮肤，鼻，舌）就是传感器。五官通过五种感觉（视觉，听觉，触觉，嗅觉，味觉）接受来自外界的信号，并将这些信号传递给大脑，大脑对这些信号进行分析处理，然后将指令传给肌体，这是我们常见的一种传感器。,.,人体与机器的对应,外界刺激,人体,人的感官,人脑,机体,机器,传感器,计算机,执行器,.,传感器的种类很多,目前没有统一的分类方法,常采用的分类方法有以下几种:1、按输入量分输入量分别为温度、压力、位移、速度、气体等非电量，则相应的是温度传感器、压力传感器等。2、按测量原理分主要是基于电磁原理和固体物理学理论，根据变电阻的原理，有相应的应变式传感器；根据变磁阻原理，有相应的电感式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，有相应的半导体力敏传感器、气敏传感器等。,.,3、传感器的主要发展方向A、传感器的固体化主要发展半导体传感器，它不仅灵敏度高、响应快、小型轻量、而且便于实现传感器的集成化和多功能化，如压力传感器SP12。B、传感器集成化和多功能化将敏感元件、信号处理或转换单元、电源等部分利用半导体技术将其制做在同一芯片上，如温湿度传感器。,.,C、传感器的智能化它通常将信号检测、信号处理等外围电路全部集成在一块基片上，使它具有自诊断、通信、自动调零功能。D、传感器组网的无线化主要采用2.4GHZ的ZIGBEE技术，它的特点是功耗低、传输可靠、通信距离可达几百米，速率最大可达1MB/S。,.,一、温度传感器温度测量分接触式和非接触式，常用的传感器有：金属热敏电阻主要是铜电阻和铂电阻，测量线性好，信号处理较热电偶简单。但温度范围较热电偶小。热电偶测量温度宽，可靠性高，最高可达1600度，但成本高，信号处理复杂。,.,分立半导体热敏电阻如NTC热敏电阻，线性较差，但成本极低，主要用在小家电上。半导体集成温度传感器主要利用温度越高PN结流过的反向漏电流越大，并通过放大、线性化处理、信号转换等。红外辐射温度传感器非接触高温测量，最高可达数千度，测量距离引起的误差较大，成本高。光纤温度传感器接触式测量，绝缘性能好、抗干扰能力强，测量精度高。,.,金属热敏电阻常见的金属热敏电阻有铂电阻和铜电阻，和铜电阻相比铂电阻的温度范围更宽、线性更好，常用在化工厂等企业生产过程的温度测量。铂电阻铂电阻的测量温度范围为-200+850在-200+0内：在0+850内：式中Rt和R0分别为t度和0度电阻值，A、B、C为常数,.,常用铂电阻有PT100和PT10两种。,.,.,.,铜电阻由于铂是贵金属，在一些测量精度不高且温度较低的场合，可采用铜电阻测量，它的范围为-50+150，铜电阻的阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示：式中Rt和R0分别为T度和0度的铜电阻值。铜电阻有两种分度号Cu50和Cu100。,.,2、热电偶热电偶是工程上应用最广泛的一种温度传感器，它构造简单，使用方便，温度测量范围宽（-401700。两种不同的导体或半导体组成一个闭合回路，当两接触点温度不同时就会产生电动势E。,T,A,B,E,T0,.,目前常用的热电偶有：热电偶名称分度号适用温度铜-铜镍T-40350镍铬-铜镍E-40800铁-铜镍J-40750镍铬-镍硅K-401000铂铑-铂S01100铂铑30-铂铑6B6001700,.,.,3.半导体热敏电阻半导体热敏电阻常用的有PTC和NTC,优点是阻值大（数百至数百K）、价格低，缺点是非线性严重。日本芝蒲公司生产的质量最好。用作温度测量的一般用NTC，NTC还用于开关电源交流输入端的开机浪涌保护。,.,Vcc,GND,Vout,Rt,R1,NTC热敏电阻温度和阻值间存在严重的非线性，因此实际应用时需要用软件进行线性补偿，主要用在对温度测量精度要求不高和一些温度保护的场合。,.,热敏电阻,热敏电阻器用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。,.,热敏电阻,这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25时阻值为10K的电阻，在0时电阻为28.1K，60时电阻为4.086K；与此类似，25时电阻为5K的热敏电阻在0时电阻则为14.050K。图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。,.,热敏电阻,.,热敏电阻计算公式,虽然这里的热敏电阻数据以10为增量，但有些热敏电阻可以以5甚至1为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下：Rt=R*EXP(B*(1/T1-1/T2),.,热敏电阻测温电路,.,建立热敏电阻温度表,电压与温度的关系建立AD采样值与温度的关系10位AD，建立01023的温度表。根据实际应用可以截取一部分建立温度表。,.,集成单片温度传感器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：430V。器件本身与外壳绝缘。成本低。,.,注意：测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量不准。,AD590的引脚排列及基本连接方法,第3个脚可以不接，是接外壳作屏蔽用的,说明：其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。,.,AD590的三种连接方法之比较,.,AD590的两种I/V变换电路,.,AD590温度传感器应用电路之一,.,AD590温度传感器应用电路之二,.,集成单片温度传感器DS18B20,性能特点独特的单线接口通过并联可实现多点组网功能；无需外部器件供电电压范围为3.05.5V；零待机功耗温度以9或12位数字量读出用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件负电压特性，电源极性接反时，温度计不会烧毁,.,总体电路结构框图,按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路和显示电路。,DS18B20应用实例数字温度计的设计,.,总线t0时刻发送一复位脉冲（最短为480us的低电平信号），接着在t1时刻释放总线并进入接收状态，DS18B20在总线的上升沿之后等待15-60us，然后在t2时刻发出存在脉冲（低电平持续60-240us），单片机接收到低电平脉冲说明复位成功，否则需重新进行复位操作。,DS18B20复位时序,.,DS18B20复位函数,注：复位函数必须严格按照时序图编写，尤其应注意延时时间的准确性。,.,当主机总线t0时刻从高拉至低电平时就产生写时间间隙。从t0时刻开始15us之内主机应将所需写的位送到总线上，DS18B20在t0后15-60us内对总线电平采样。连续写2位的间隙应大于1us。,DS18B20写0和写1时序,DS18B20写0时序,DS18B20写1时序,.,DS18B20写字节函数,.,主机总线t0时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平1-4us，之后在t1时刻将总线拉高产生读时间隙，读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效，t2距t015us，也就是说t2时刻前主机必须完成读位并在t0后的60-120us内释放总线。连续读2位的间隙应大于1us。,DS18B20读字节时序,.,DS18B20读字节时序,.,电流互感器的作用,为了保证电力系统安全经济运行,必须对电力设备的运行情况进行监视和测量。但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备,而需要将一次系统的大电流按比例变换成小电流,供给测量仪表和保护装置使用。电流互感器除了可以将线路上大小不一的电流变成一定大小的电流，以便于测量之外，还可以起到与线路绝缘的作用，以保证操作人员和仪表的安全。,.,定义与基本结构,定义：电流互感器是一种专门用作变换电流的特种变压器。基本结构：主要由一次绕组、二次绕组和铁心构成，一次、二次和铁心之间都有绝缘。,.,原理图,.,CT按用途分类,按用途分：1、测量用将任一数值的交流电流转换为用标准仪器可以直接测量的交流电流值；使高压回路与维护人员可以接近的测量仪表绝缘。2、保护用将任一数值的交流电流转换成可以供给继电保护装置的交流电流值；使高压回路与维护人员可以接近的继电器绝缘。,.,.,直流电流检测方法,电阻法：小电流的测量，可在被测量回路，接入一小的精密电阻Ro，该电阻上的压降，跟回路电流成正比，即Vo=I*Ro。测出了Vo，然后通过计算，转换成电流。康铜丝：这个方法跟电阻法类似。分流器：大电流，通过分流器测量。霍尔传感器，专用的电流测量仪器，直流、交流都可以测量。,.,电阻法,.,电阻的选择,阻值的选择电阻功率的选择电阻的精度选择,.,康铜丝、锰铜丝,本质与电阻采样方式相同通过电流能力大内阻小、适用于电流较大的场合温度漂移量非常小与铜导线连接时热电势小（锰铜丝）过电流能力强（大约5A每平方毫米）,.,.,分流器,200A/75MV,.,霍尔传感器,不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。精度相对较低,.,电压互感器,电压互感器的作用是隔离高电压，并把高电压变为低电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次侧电压信息。按工作原理，电压互感器可分为：1、电磁式电压互感器电力变压器型，原理和普通变压器相似；适用于6kV110kV系统；价格贵，容量大，误差小(相对于后者)2、电容式电压互感器(CVT-capacitancevoltageT)电容分压型；适用于110kV500kV系统；价格低，容量小，误差大(相对于前者),.,电磁式电压互感器的工作原理,电磁式电压互感器的工作原理，构造和连接方法都和普通电力变压器相同。其主要区别在于电压互感器的容量很小，通常只有几十到几百伏安。,.,一次绕组并联在所测量的一次回路中。一次绕组电压等于电网电压，不受二次回路负荷的影响。接在二次绕组的负荷是仪表和继电器的电压线圈，它们的阻抗很大，通过的电流很小，因此，电压互感器正常工作时，二次绕组接近于空载状态。此时，二次电压接近于二次电势，并决定于一次电压值。即有：额定电压比,.,在二次电压一定的情况下，阻抗越小则电流越大。当电压互感器二次回路短路时，二次回路的阻抗接近为0，二次电流I2将变得非常大，如果没有保护措施，将会烧坏电压互感器。所以电压互感器的二次回路不能短路。,.,.,压阻式压力传感器,利用压阻效应将压力信号变换为电阻变化信号的传感器。利用检测电路把压阻式压力传感器的电阻变化转变为电压输出，即可被电子系统处理。检测电路通常是采用惠斯通电桥构成的。,.,惠斯通电桥构成的恒压源电阻测量电路,结论：恒压源测量电路输出电压与温度相关，必须进行补偿，而恒流源测量电路无需温度补偿，因此采用恒流源激励是不错的选择。,可以用恒流源供电！,.,几种恒流源参考电路,类型1：特征：使用运放，高精度输出电流：Iout=Vref/Rs,类型2：特征：使用并联稳压器，简单且高精度输出电流：Iout=Vref/Rs检测电压：根据Vref不同（1.25V或2.5V）,.,几种恒流源参考电路,类型3：特征：使用晶体管，简单，低精度输出电流：Iout=Vbe/Rs检测电压：约0.6V,类型4：特征：减少类型3的Vbe的温度变化，低、中等精度，低电压检测输出电流：Iout=Vref/Rs检测电压：0.1V0.6V,.,几种恒流源参考电路,类型5：特征：使用JEFT，超低噪声输出电流：由JFET决定检测电压：与JFET有关,类型6：特征：消除类型1基极电流误差输出电流：Is=Iout-Ig,.,压力传感器在低成本电子秤中的应用,电子秤基本结构,.,电子秤样机电路,A：电阻应变式称重传感器B：RC滤波网络输入模拟信号范围为（-AVDD/2，AVDD/2）SDI提供SPI（串行外设接口）与MCU通信,.,电子秤精度计算及分析,设传感器输出规格为1.6mV/V（即传感器满量程时，电源单位电压对应的输出电压大小）5V电源对应的满量程差分输出信号为：8mV。由FS1（电子秤满量程）=0.8*FS0（传感器的满量程范围），得传感器的最大可提供信号为：6.4mV。设定SDI0818内部PGA为：128，故SDI0818的最大可用信号为：6.4mV*128=819.2mV。假设电子秤内部精度要做到10000点分度（d），则每个分度大小为：82uV，也就是SDI0818必需能分辨出82uV的信号。SDI0818参考电压AVDD为5V，则如果每分度按照82uV来计算的话，则共有约60975个分度值（216），也就是说SDI0816的不动码要达到16位以上才能实现。SDI0816在PGA=128的情况下，有效位为16位，不动码也是16位，能实现10000点左右的电子秤。,.,什么是MEMS传感器?,微机电系统（MicroelectromechanicalSystems，MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。MEMS（微机电系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。,.,MEMS使玩家动起来MEMS运动控制式用户界面,.,iPhone,目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重力加速计和陀螺仪的功能，例如被用在iPhone中。通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。iPhone4到底用上了哪些传感器呢？,.,iPhone4中的传感器,1)影像传感器简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件也过大，不到微的地步，所以此属于光电半导体，属于光学、光电传感器。2)亮度传感器外界并不清楚iPhone4用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，iPhone4直接用影像传感器充当亮度侦测，也是可行。无论如此，此亦不带机械成份，属于光电类传感器，甚至可能不是微型的，只是一般光学、光电传感器。3)磁阻传感器简单讲就是感测地磁，这样讲还是太学名，感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针（DigitalCompass）。老实说，数字指南针技术比较偏玩具性，因为用来感测地磁的磁阻传感器，很容易受环境影响（如高压电塔旁、马达旁），必须时时校正才有用。,.,iPhone4中的传感器,4)近接传感器近接传感器的实现技术非常多种，可以是红外线（例如便利商店的自动门、公共厕所的自动冲水器），可以是超音波、雷射等。同样的，Apple没讲，我们只能乱猜或尽可能网搜，不过，近接传感器也没有迫切微型化的需要，不在热门MEMS组件之列。5)声波传感器学名声波传感器，俗名麦克风。是的，iPhone4为了强化声音质量，使用2组麦克风与相关运算来达到降噪（降低噪音）的效果，这种技术称为数组麦克风（ArrayMIC），事实上早在Apple实行之前，2004年Wintel就已经在PC上提出过，差别是Apple用于手机，Wintel用于PC。麦克风需要微型化吗？是的，需要，相当需要，且使用一个以上的麦克风，麦克风的体积缩小需求就更迫切，麦克风也牵涉到机械（声波会使微型机械振动），并将机械振动转换成电子信号，因此微型化的麦克风，是个不折不扣的MEMS传感器。,.,iPhone4中的传感器,6)加速度传感器俗称加速规、G-Sensor，可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器的实现方式也是许多种，MEMS只是手法之一，用MEMS实现加速度传感器确实是目前的趋势。加速度传感器一般有X、Y两轴与X、Y、Z三轴两种，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多说，Wii遥控器也是用三轴，iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面，也是靠这个传感器。7)角加速度传感器更简单讲就是陀螺仪，陀螺仪实现技术有机械式与光学（红外线、雷射）式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心，进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好，所以许多应用多半是混何使用加速度传感器与陀螺仪，而今iPhone4也从善如流。不过，iPhone4确实是率先使用陀螺仪的手机。说了这么多，真的称得上MEMS传感器的，其实只有麦克风、加速度传感器、陀螺仪三个，其他的传感器多是夸大延伸，不是不用微型化，就是根本没用及机械技术。,.,根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应：如果把通有电流的导体放在垂直于它的磁场中，则在导体的两侧会产生一电势差，它与电流及磁感应强度成正比，与导体厚度成反比。,.,霍尔传感器的基本应用电路,控制电流（激励电流）由电源E供给，其大小可由调节电阻RP来实现，霍尔片输出端接负载Rj，Rj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。在磁场和控制电流的作用下，负载上就有输出电压。在实际使用中，输入信号可为电流I或磁感应强度B，或者两者同时作为输入，则输出信号可正比于I或B，或两者之积。,.,霍尔传感器的典型应用测量转速,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附近，圆盘每旋转一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，用频率计测量这些脉冲，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=60f/Z（r/min），若Z=60，则n=f，即转速为频率计的示值。若粘贴6块磁钢，则转速为n=10f，这样读数与计算都比较方便。,（1）转速测量原理,.,霍尔传感器的典型应用测量转速,（2）测量转速电路,测量转速的装置,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IC的输出也随之变化，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。,.,光电传感器,将被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号的传感器。按光电元件输出量性质可分为模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器两类。,.,常用光敏器件光敏电阻器,一结构与原理光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。二光敏电阻有以下优点1.光谱响应相当宽。2.所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。3.无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。4.灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。,.,光敏电阻的符号和连接电路,.,此电路在实际应用中还需改进，如楼道照明增加声控开关、路灯控制增加抗干扰附加电路。,光敏电阻的应用电路照明灯自动控制电路,.,光敏二极管又称光电二极管，其原理是利用PN结施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小进行工作的。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。,常用光敏器件光敏二极管,.,运放A1构成光电流/电压变换器，A2构成电压/电流变换器；该电路可构成光控装置。,光敏二极管的应用电路照度计,.,白天