电子系统设计——第2章常用传感器及其在电子系统中的应用(讲稿)2

1TM成都理工大学工程技术学院电子信息工程系《电子系统设计》第2章常用传感器及其在电子系统中的应用授课人：石坚（讲师）2TM2《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚压力传感器压阻式压力传感器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。3TM3《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚压力传感器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！！！4TM4《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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）5TM5《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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：0.1V—0.6V6TM6《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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-Ig7TM7《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚压力传感器在低成本电子秤中的应用电子秤基本结构8TM8《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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9TM9《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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（2^16），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。10TM10《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚霍尔传感器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。11TM11《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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。12TM12《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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13TM13《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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。14TM14《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光电传感器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。15TM15《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光电传感器常用光敏器件——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。16TM16《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光敏电阻的符号和连接电路17TM17《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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18TM18《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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19TM19《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚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20TM20《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚白天，亮度大于一定程度时，光敏二极管D呈现低阻状态≤1KΩ，使三极管V截止，其发射极无电流输出，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。此时流过灯泡H的电流≤2.2mA,灯泡H不能发光。电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过6.8V，对三极管起保护作用。夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态≥100KΩ，使三极管V正向导通，发射极约有0.8V的电压，使可控硅VS触发导通，灯泡H发光。RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。光敏二极管的应用电路——光控电子开关此处光敏二级管的连接还待斟酌21TM21《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚常用光敏器件——光敏三极管22TM22《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光敏三极管受光面通过电流，使T饱和，74HC4093输出高电平，圆盘转动输出脉冲序列，测得脉冲个数和圆盘每周孔数，即可算出旋转的转速及转角。光敏三极管的应用电路——光电测速装置23TM23《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光电传感器常用光敏器件——光电耦合器在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。功能：隔离、控制作用接口电路构成逻辑电路24TM24《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光耦器件应用电路举例（1）机械有触点开关量输入接口电路25TM25《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光耦器件应用电路举例（2）电子无触点开关量输入接口电路26TM26《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光耦器件应用电路举例（3）直流继电器接口电路27TM27《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光耦器件应用电路举例（4）交流接触器接口电路28TM28《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光耦器件应用电路举例（5）固态继电器接口电路29TM29《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光耦器件应用电路举例（6）交流电源过零检测器30TM30《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚光电传感器补充：热释电人体红外传感器基本原理：利用人体发出的红外线进行检测，产生电信号输出。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。采用热释电元件制成的红外感应源在接收到人体红外辐射温度发生变化时输出0.1~10Hz，1mV左右的微弱信号。31TM31《电子系统设计》成都理工大学工程技术学院石坚热释电人体红外传感器应用电路——报警电路图+、-标反！