常用传感器及其应用

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。1.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230[1(100)]tRRAtBtCtt20(1)tRRAtBt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。03(1)4.2810/tRRtC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（-40~1700℃。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。TABET0000(,)()()(,)()()ABABABABABETTETETETTETCfTAB0对于已选定的热电偶,E(T)=C是常数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-40~350℃镍铬-铜镍E-40~800℃铁-铜镍J-40~750℃镍铬-镍硅K-40~1000℃铂铑-铂S0~1100℃铂铑30-铂铑6B600~1700℃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Ω至数百KΩ）、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。℃ΩVccGNDVoutRtR1NTC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10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为14.050KΩ。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0～1023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：1A/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：4～30V。–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1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。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3.0~5.5V；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AT89S5x或AT89C2051主控制器DS18B20显示电路扫描驱动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。t0t1t2t3t4400-960us15-60us60-240us480us....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。.t0t160us1us.15-60us15us....t0t160us1us15-60us15us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。t2....t0t160us1us15ust3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6kV～110kV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110kV～500kV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