《3.6 传感器电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3.6 传感器电路.docx（22页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
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：4,8,12,20mmKTq的条件。经近似处理并取对数后得:Vbe=(KTq)In(IeZIse)(3.6-1)由上式可知，温度T与放射结压降Vbe有对应关系，可依据此关系通过测量Vbe来测温度T值。由式3.6-1可知，放射结压降与反向饱和电流ISe有关，而ISe又是一个跟温度有关的常数，为了消退I
9、Se的影响，可以用接成对管方式来解决，电路如图3.6.14所示，在此条件下,Isel=Ise2o在Iel和Ie2比值肯定的条件下，vbc与肯定温度成正比。比例系数是一个常数，与反向饱和电流无关，因此也与三极管的制造工艺条件无关向的测温元件。R2u-图3.6.14对管温度传感器5.集成温度传感器组成的测温电路TO-46TO-220cIO，愧VoutQ)VSUUUvouGND图3.6.151.M35封装形式及管脚图0可见，晶体三极管可以作为志TOO2/VSVbuGND1.J1.J1.JJCc)集成温度传感器1.M35灵敏度为10mvC,即温度为10时，输出电压为100mV。常温下测温精度为+/-0
10、.5C以内，消耗电流最大也只有70nA,自身发热对测量精度影响也只在0.1C以内。采纳+4V以上单电源供电时，测量温度范围为2150C;而采纳双电源供电时，测量温度范围为-55150C（金属壳封装）和-4（MlOC（TO92封装）。外形如图3.6.15所示。（1）-20+100C测温电路利用1.M35或1.M45温度传感器及二极管1N914可以组成单电源供电的测温电路（一般须要正负电源）。输出电压Vo=IOmVXt（t为测量温度值），温度测量范围为-20+100。图3.6.16-20C+100C测温电路电路如图3.6.16所示。（2）温度/频率变更电路利用V/F变换器1.M131芯片、集成温度
11、传感器1.M25或1.M45及光电耦合器4N128组成输入输出隔离的温度/频率变换电路。其温度测量范围为25C100C,响应的频率输出为251000Hzo由5kQ电位器来调整，使Io（TC电路输出为100OHz。利用光电耦合器作为输入输出隔离，进行电平转换。电路如图3.6.17所示。（3） AD590远程测温电路如图3.6.18所示电路可以测量千米之外的温度。当温度为-55+100时，电路的输出电压以100mV/C的规律变更，输出为-5.5+10V0电路中测温元件采纳AD590,其温度变更的输出电流经屏蔽线，并通过屏蔽线两侧的RC环节滤除干扰，再流过IKQ电阻，产生ImV的电压加在放大器的输入
12、正端。AD590干脆输出的为肯定温度，为了以摄氏温度读出，须要在放大器的负端加上273.2InV电压，这一电压由1.M1403经电阻分压产生。实际应用中，屏蔽线只能一端接地，若两端同时着地，将形成噪声电流串至芯线引起干扰。1 .6.5光电传感器与应用电路2 .主要类型光电传感器依据检测模式的不同可分为如下几种：（1）反射式光电传感器将发光器与光敏器件置于一体内，发光器放射的光被检测物反射到光敏器件。（2）透射式光电传感器将发光器与光敏器件置于相对的两个位置，光束也是在两个相对的物体之间，穿过发光器与光敏器件的被检测物体回阻断光束，并启动受光器。（3）聚焦式光电传感器将发光器与光敏器件聚焦于特定
13、距离，只有当被检测物体出现在聚焦点时，光敏器件才会接受到发光器发出的光束。3 .应用举例（1）利用反射式光电传感器检测黑白物体利用反射式光电传感器检测黑白物体的电路如图所示。图3.6.19光电检测电路由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，调整反射式光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管就只能接受到白色物体反射回来的光束。而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的辨别。电路工作过程如下：当被测物体是黑色物体时，红外光电二极管UI放射出的光，被反射回来的很弱，光敏三极管无法导通，所以A点此时
14、为高电平，通过反相器7414,FPGA或者微限制器接受到的信号是低电平。当被测物体是白色物体时，红外光电二极管Ul放射的光，被反射回来的很强，光敏三极管导通，所以A点此时为低电平，通过反相器7414,FPGA或者微限制器接受到的信号是高电平；FPGA或者微限制器检测输入的电平，即可以推断此时被检测物体是白色物体还是黑色物体。(2)在应用光电检测电路时应留意：a,发光器的光强度发光器的光强度可以通过选择适当的型号，变更加在发光器的限流电阻，或者在发光器和光敏器件的外面可以加上聚光装置。b.不同物体表面对光线的反射实力不同，应细致调整反射式光电传感器与检测对象之间的距离。c.工作环境条件。由于无法
15、变更工作环境，必需考虑光电传感器的安装位置。(3)在安装中各种不同类型的光电传感器有各自必需首先要留意的问题：a.反射式光电传感器的安装：首先要留意的就是要依据不同的检测材料，确定适当的距离。详细的距离和详细的位置必需在现场调试。b.聚焦式光电传感器的安装：在这种传感器的安装过程中，最主要的就是要确定聚焦点的位置，假如位置选择的不合适的话，就会使传感器失去作用。C.透射式光电传感器的安装：肯定要安装好遮光片，安装时一是要选择好材料，二是要特殊留意其安装的位置。(4)光源检测电路光源检测电路用来推断光源的位置。详细电路如所示。图光源检测电路由光敏二极管D2对光源进行检测，当光敏二极管接收到光源发
16、出的光时，VTl和VT2导通，A点为低电平，VT3不能导通，B点为高电平，此时FPGA或者微限制器接收到的电平为高电平；当光敏三极管未接收到光源时，则VTI和VT2不导通，A点为高电平VT3导通，B点输出低电平，此时FPGA或者微限制器接收到的电平为低电平。FPGA或者微限制器检测输入端电平即可以推断此时间敏二极管是否检测到了光源。4 .集成的光电传感器(1)分类集成的光电传感器主要有反射式光电开关、会聚式光电开关、透射式光电开关、反射板式光电开关、光纤穿透式开关、光纤反射式开关等几种，一般采纳前三种。(2)工作光源采纳的工作光源主要有可见红光(65OnnI)、可见绿光(51Onnl)和红外光
17、(80094Onn1)。不同的光源在详细状况下各有其特长。例如：在不考虑被测物体颜色的状况下，红外光有较宽的敏感范围，而可见红光或绿光特殊适合于反差检测，光源的颜色必需依据被测物体的颜色来选择，红色物体与红色标记宜用绿光(互补色)进行检测。(3)外形依据外壳形态可分为：螺纹圆柱形系列，圆柱形系列，方形系列，槽型贯穿形系列。比较常用的螺纹圆柱形系列外形如图所示。（4）接线图与电感式接近传感器相同。详细型号可进入有关网站查询。蝇仪圜柱形光电开关系列：图螺纹园柱型光电传感器3.6.6超声波传感器与应用电路超声波传感器可以用来测量距离，探测障碍物，区分被测物体的大小。1 .基本原理及其分类超声波检测装
18、置包含有一个放射器和一个接收器。放射器向外放射一个固定频率的声波信号，当遇到障碍物时，声波返回被接收器接收。超声波探头可由压电晶片制成，超声波探头既可以放射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测用，有多种不同的结构。40KHZ超声波探头如图3.6.22所示，型号为TCT40-2F（放射器）和TCT40-2S（接收器），两者外形相同。图3.6.22TCT40超声波探头外形及符号超声探头的构成晶片的材料可以有很多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。超声波传感器的主要性能指标包括:（I）工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到晶片两端的沟通电压的频率和
19、晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高，如图3.6.23所示。（2）工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特殊是诊断用超声波探头运用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。（3）灵敏度灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。/(kHz)图3.6.23超声波放射器的频率特性2 .超声波传感器的放射/接收电路（1）超声波传感器的放射电路超声波放射电路包括超声波放射器、40KHz超音频振荡器、驱动（或激励）电路，有时还包括编码调制电路，设计时应留意以下两点: 一般用的超声波放射器所需电流小，只有几亳安到十几亳安，但激励电压要求在4V以上。
20、 激励沟通电压的频率必需调整在放射器中心频率f。上，才能得到高放射功率和高效率。图3.6.24三极管组成的超声波放射电路图3.6.24（八）所示电路，用两只低频小功率三极管2SC9013组成的振荡器、驱动电路。三极管Tl和T2构成两级放大器，又由于超声波放射器ST的正反馈作用，使这个原本是放大器的电路变成了振荡器，同时超声放射器可以等效为1个串联1.C谐振电路，具有选频作用；电路不须要调整，超声波放射器在电路中同时担当电能转换为机械能、选频、正反馈三个任务。图3.6.24(b)中用电感取代（八）图中的R3,这样可以增大激励电压。白输入图3.6.25与非门组成的超声波放射电路图3.6.26555
21、定时器组成的超声波放射电路图3.6.25中运用与非门组成了超声波放射电路，其中G3为驱动器，电路的振荡频率f近似等于1/(2.2RC),调制信号由G2输入。在图3.6.26所示电路中，555定时器、R1、R2和CI组成多谐振荡器，当调制信号为高电平常，启动振荡器输出40KHZ的频率信号。图3.6.271.M1812组成的超声波放射电路1.M1812组成的超声波放射电路如图3.6.27所示。1.M1812为一种专用于超声波收发的集成电路，它既可以用作放射电路，又可以用于接收放大电路，它主要确定于引脚8的接法。第1脚接1.kCl并联谐振槽路以确定振荡器频率。输出变压器接在6、13脚间，电容C2起退
22、耦、漉波、信号旁路作用。C3应与变压器副边绕组谐振于放射载频，变压器的变比大致为N1.N2=l：2,当然超声波放射器也可接在6、13脚间，但放射功率小。(2)超声波传感器的接收电路由1.Ml812组成的接收电路如图3.6.28所示。引脚8接地，使芯片工作于接收模式。输出信号可以从第16脚输出或从14脚输出，留意第14脚输出是集电极开路形式，结构形式与放射电路的功率输出级相同。图3.6.281.M1812组成的超声接收电路由三极管构成的超声接收放大器如图3.6.29所示，Tl、T2和若干电阻电容组成两级阻容耦合沟通放大电路，最终从C3输出。图3.6.29三极管组成的超声接收电路图3.6.30运放
23、组成的超声波接收电路由运算放大器组成的超声放大电路如图3.6.30所示，Rl.R2组成分压电路，使同相端的电位为1/2电源电压。图3.6.31CMOS非门电路组成的超声接收电路图3.6.31所示电路中运用CMOS非门当作放大器，它具有输入阻抗高、功耗低、成本低、电路简洁等优点，Cf为防止高频自激而设，容量约取100OPF,详细视调整时而定。3 .由FPGA或者微限制器驱动的超声波放射电路也可以采纳FPGA或者微限制器来产生40kHz频率的方波，而且精度和稳定度都比较roFPGA或者微限制器的时钟频率是由晶振产生,频率为40kHz的方波可以通过分频得到。FPGA或者微限制器输出的40kHz方波，
24、通过74HC14功率放大加在放射管的两端，电路如图3.6.32所示。图超声波放射电路4 .集成的超声传感器应用集成的超声波传感器将放射和接收部分集成在一起,，由放射器发出的一个超声波脉冲作用到物体的表面上，经过一段时间后，被反射的声波（回声）又重新回到接收器上，依据声速和时间就可以计算超声波传感器到反射物之间的距离。集成的超声波传感器主要有两种外形，如图3.6.33所示，一个是长方六面体的塑料外壳，二是螺纹管M30类型。它们都具有开关量和模拟量两种信号输出类型，下面以图尔克（天津）传感器有限公司的RUloO-M30-AP8X-Hl141为例来说明其主要参数性能。开关距离：20100Cnl连续可
25、调标准检测物体：2X2c/工作电压：2030VDC输出状态：NO外部接线如图3.6.34所示图RU100-M30-P8X-H1141超声波传感器接线图5 .趣声传感器应用留意事项（1）干扰的抑制选择最佳的工作频率，外加干扰抑制电路或者用软件来实现抗干扰。削减金属振动，空气压缩等外部噪声对信号探测产生的影响。（2）环境条件超声波适合在“空气”中传播，不同的气体中会有不同程度的影响，空气的湿度和温度都对超声波的传播也有影响。要留意防水，一般的雨和雪等不会对超声波传感器有多大的影响，但是要防止水干脆进入传感器内。超声波传感器的探测对象很多，但是被探测物体的温度对探测结果有很大的影响，一般探测高温物体时距离会减小。（3）安装由于超声波传感器是由两部分组成，所以安装是一个很大的问题，假如放射器和接收器安装不够平行，就会减小探测距离，安装的过接近，接收器会干脆收到放射器发出的信号的影响，而不是被测物体反射的信号。假如安装的很远，就会减小探测距离，会形成很大的死区。一般取安装距离为2cm3c11为最佳距离。
