測(cè)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(hào)調(diào)理電路2.3線性化2.4傳感器接口實(shí)例本章知識(shí)點(diǎn)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(hào)調(diào)理電路及調(diào)頻信號(hào)調(diào)理電路電壓源信號(hào)調(diào)理電路及電流源信號(hào)調(diào)理電路傳感器接口電路的線性化技術(shù)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(shí)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(huì)使式中各參數(shù)發(fā)生變化，可據(jù)此設(shè)計(jì)出反映該變化的電阻式傳感器。例如，當(dāng)電阻受到外力作用而拉長或壓縮時(shí)，其電阻率和形狀尺寸會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值的變化，可以據(jù)此設(shè)計(jì)出力傳感器、轉(zhuǎn)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(duì)位置以及極板間介電常數(shù)有關(guān)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(zhì)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(zhì)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(gòu)成。銜鐵和鐵芯之間有空氣間隙，當(dāng)銜鐵發(fā)生位移時(shí)，由于磁路的變化導(dǎo)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(shí)例電阻式傳感器將應(yīng)變片粘貼在機(jī)械構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，應(yīng)變片隨之發(fā)生形變，應(yīng)變片中傳感金屬絲的形狀（長度、橫截面積）會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，測(cè)量出電阻變化量即可得到形變大小。2.1.2無源傳感器實(shí)例電容式傳感器傳感器主要由彈性敏感元件和差動(dòng)電容傳感器和空腔構(gòu)成。彈性敏感元件作為電容傳感器的活動(dòng)極板，當(dāng)受到壓力時(shí)產(chǎn)生形變，造成電容間的距離發(fā)生改變，使得差動(dòng)電容傳感器的電容發(fā)生變化。通過檢測(cè)電容的變化量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。2.1.2無源傳感器實(shí)例電感式傳感器應(yīng)變平面感受壓力差，并作為銜鐵使用。當(dāng)應(yīng)變平面兩側(cè)的壓力相等時(shí)，兩個(gè)電感的氣隙相等，磁阻相等，其阻抗相等；當(dāng)應(yīng)變平面兩邊產(chǎn)生壓力差時(shí)應(yīng)變平面發(fā)生形變，造成兩個(gè)電感發(fā)生變化，通過電橋電路檢測(cè)出電壓變化的大小即可測(cè)量出壓差的大小。氣隙變化量很小時(shí)，輸出電壓與被測(cè)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(yīng)、霍爾效應(yīng)、電磁效應(yīng)、光伏效應(yīng)等傳感器電流式傳感器主要包括基于光電子效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器2.1.3.1電壓式傳感器熱電效應(yīng)傳感器霍爾效應(yīng)傳感器電磁效應(yīng)傳感器光伏效應(yīng)傳感器1.熱電效應(yīng)傳感器當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體相互緊密連接在一起時(shí)，由于不同導(dǎo)體中自由電子的濃度不同，二者單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到對(duì)方的電子數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)導(dǎo)體失去電子帶正電，另一個(gè)導(dǎo)體獲得電子帶負(fù)電，于是在結(jié)點(diǎn)處會(huì)形成電勢(shì)差，該電勢(shì)稱為接觸熱電勢(shì)。這個(gè)電勢(shì)阻止電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)電子擴(kuò)散能力與電場(chǎng)阻力達(dá)到平衡時(shí)，接觸熱電勢(shì)就會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，電勢(shì)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(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)溫度（K）；nA(T)，nB(T)—材料A，B在溫度T時(shí)的自由電子濃度。將A，B兩種不同導(dǎo)體材料兩端相互緊密連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，這樣就構(gòu)成了一個(gè)熱電偶。當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。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(cè)量端或熱端。通過測(cè)量接觸電勢(shì)的大小推算測(cè)量端的溫度。1.熱電效應(yīng)傳感器霍爾效應(yīng)當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。Ix為電流，Bz為電磁場(chǎng)強(qiáng)度，d為板間距，RH為霍爾系數(shù)，UH為霍爾電動(dòng)勢(shì)2.霍爾傳感器2.1.3.2電流式傳感器光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)的原理為在高于特定頻率電磁波照射下，特定光電材料內(nèi)部的電子會(huì)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(shí)間內(nèi)溢出的電子數(shù)有關(guān)，取決于光電材料自身的性質(zhì)以及入射光的光強(qiáng)和頻率。可以據(jù)此設(shè)計(jì)出光強(qiáng)傳感器和輻射傳感器。壓電效應(yīng)：為當(dāng)沿著一定方向產(chǎn)生形變時(shí)，特定壓電材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷極性也發(fā)生改變。壓電傳感器以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下產(chǎn)生電流，對(duì)非電量進(jìn)行測(cè)量。2.1.3.2電流式傳感器2.1.3.3.有源傳感器實(shí)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(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做熱端（也稱為測(cè)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(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。環(huán)式霍爾電流傳感器傳感器由磁芯、霍爾元件和調(diào)理電路構(gòu)成。磁芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙處。當(dāng)導(dǎo)線流過電流時(shí)，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比的磁場(chǎng)，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(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)，通過導(dǎo)線將電壓信號(hào)引出，以供后續(xù)電路處理。2.1.3.3.有源傳感器實(shí)例壓電式壓力傳感器當(dāng)受壓膜片受到壓力P作用時(shí)，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(dǎo)出。產(chǎn)生的電荷量與測(cè)試環(huán)境的壓強(qiáng)、膜片的有效面積和壓電晶體常數(shù)有關(guān)，通過測(cè)量壓電晶體產(chǎn)生的電荷量大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。2.1.3.3.有源傳感器實(shí)例2.2信號(hào)調(diào)理電路2.2.1運(yùn)算放大器選型2.2.2無源傳感器調(diào)理電路 2.2.3有源傳感器調(diào)理電路 2.2.1運(yùn)算放大器選型類型典型特征典型應(yīng)用通用型低成本；低電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)；阻抗緩沖；有源濾波；單位增益跟隨；電流轉(zhuǎn)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(hào)調(diào)理電路接口設(shè)計(jì)；電橋電路中的放大器；壓電式加速度計(jì)傳感器的電荷型放大器；精密積分器；微小電壓信號(hào)放大器；高內(nèi)阻傳感器的測(cè)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(shè)備；導(dǎo)彈，航天器；高速型高電壓轉(zhuǎn)換率（小于100V/μs）；高增益帶寬（大于10MHz）；低建立時(shí)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(hào)調(diào)理電路較少采用此類別。2.2.2無源傳感器調(diào)理電路最簡單的無源傳感器信號(hào)調(diào)理電路有分壓電路和電流源電路，可將被測(cè)對(duì)象的幅值放大后測(cè)量。2.2.2.1電橋信號(hào)調(diào)理電路電阻電橋電路電容電橋電路2.2.2.1電橋信號(hào)調(diào)理電路電感電橋電路測(cè)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(hào)調(diào)理電路電感電橋電路測(cè)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(hào)調(diào)理電路2.2.2.2調(diào)頻信號(hào)調(diào)理電路調(diào)頻信號(hào)調(diào)理電路可以將無源傳感器的阻抗變化量轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的不同產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)。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(hào)。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(yùn)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(yīng)的電容或電阻傳感器。

LC振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路，又稱哈特萊振蕩器，屬于電感耦合、頻率可調(diào)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(diǎn)是諧振回路作為晶體管集電極的負(fù)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(hào)的電壓幅值隨共振頻率的大小而放大相應(yīng)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(diǎn)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(gè)端點(diǎn)與晶體管三個(gè)管腳分別相接而得名。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好、振蕩頻率可達(dá)100M赫茲以上。缺點(diǎn)是反饋值大小同時(shí)取決于C1與C2的相對(duì)取值。2.2.3有源傳感器調(diào)理電路電壓源傳感器調(diào)理電路電流源傳感器調(diào)理電路2.2.3有源傳感器調(diào)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(hào)

2.3.1優(yōu)化傳感電路2.3.2校正輸出信號(hào)對(duì)數(shù)和指數(shù)轉(zhuǎn)化校正非線性使用模擬乘法器進(jìn)行非線性校正2.4傳感器接口實(shí)例2.4.1電阻式應(yīng)變傳感器 2.4