第7章傳感器與電路設(shè)計7.1傳感器傳感器技術(shù)是多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，它涉及物理、化工、生物、機械、電子、材料、環(huán)境、地質(zhì)、核技術(shù)等多方面的知識，是一種定要認知自然現(xiàn)象的不可缺少的技術(shù)手段。傳感器（Transducer/Sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。傳感器技術(shù)融合多學(xué)科，推動現(xiàn)代信息采集與智能控制，正朝著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，是物聯(lián)網(wǎng)與人工智能的重要基礎(chǔ)。（1）傳感器跨越物理、電子、生物等領(lǐng)域，是感知自然和工業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。（2）新材料和半導(dǎo)體工藝提升傳感器性能，實現(xiàn)小型化和集成化發(fā)展。（3）傳感器實現(xiàn)模擬量到電信號轉(zhuǎn)換，支持自動檢測和智能控制。（4）按感知功能分為熱敏、光敏、氣敏等十大類，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與醫(yī)療等領(lǐng)域。（5）智能傳感器融合微計算機技術(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)和人工智能提供硬件基礎(chǔ)。（6）傳感器技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷結(jié)構(gòu)型、固體型到智能型三代，性能不斷提升。（7）數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化趨勢顯著，推動遠程數(shù)據(jù)交換與智能化管理。（8）未來傳感器將更加微型、高精度、高可靠，并實現(xiàn)多功能與無維護化。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器設(shè)備按協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，被納入需具備連接性和信息交換能力?！拔铩币獫M足以下條件才能夠被納入物聯(lián)網(wǎng)的范圍：（1）要有相應(yīng)信息的接收器——傳感器。（2）要有數(shù)據(jù)傳輸通路。（3）要有一定的存儲功能。（4）要有CPU。（5）要有操作系統(tǒng)。（6）要有專門的應(yīng)用程序。（7）要有數(shù)據(jù)發(fā)送器。（8）遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議。（9）在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識別的唯一編號。7.1.1傳感器的定義和分類及構(gòu)成日常生活中有各種傳感器，如冰箱溫度傳感器、空調(diào)濕度傳感器和煤氣泄漏傳感器，極大便利生活。傳感器類似人體五官，感知外界信息，傳遞給計算機“大腦”，使機器具備感知功能，被稱為“電五官”。傳感器輸出多樣，有電壓、電阻等形式，信號系統(tǒng)負責(zé)轉(zhuǎn)換并處理，得到可用的數(shù)碼或模擬信號。1. 傳感器的定義和分類傳感器的通俗定義可以說成“信息拾取的器件或裝置”。傳感器的嚴格定義是：把被測量的量值形式（如物理量、化學(xué)量、生物量等）變換為另一種與之有確定對應(yīng)關(guān)系、且便于計量的量值形式（通常是電量）的器件或裝置。工業(yè)測量涵蓋電量和非電量，傳統(tǒng)非電法難滿足自動控制需求，現(xiàn)代傳感器主要以電量輸出，實現(xiàn)精確快速檢測。傳感器按檢測對象分類有力學(xué)、熱學(xué)、流體、光學(xué)、電量、磁學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物及機器人等多種類型。從材料、工藝及應(yīng)用角度也可分類，這些多維分類豐富開發(fā)空間，而被測量分類因簡單實用，應(yīng)用最廣泛。檢測對象的信號形式?jīng)Q定了選用傳感器的類型，傳感器檢測信號大致可以歸類以下不同領(lǐng)域中的不同信號：（1）機械自動化：位移、速度、加速度、扭矩、力、振動。（2）電磁學(xué)：電流、電壓、電阻、電容、磁場。（3）生物化學(xué)：濃度、成分、pH值等。（4）工業(yè)過程控制：流量、壓力、溫度、濕度、黏度等。（5）輻射測量：無線電磁波、微波、宇宙射線，α、γ、X射線。傳感器分類方法較多，常用的有下列幾種：（1）按傳感器檢測的范疇分類，可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器。（2）按傳感器的輸出信號性質(zhì)分類，可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器。（3）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類，可分為結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器、復(fù)合型傳感器。（4）按傳感器的功能分類，可分為單功能傳感器、多功能傳感器、智能傳感器。（5）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類，可分為機電傳感器、光電傳感器、熱電傳感器、磁電傳感器、電化學(xué)傳感器。（6）按傳感器的能源分類，可分為有源傳感器、無源傳感器。2．傳感器的構(gòu)成傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和其他輔助件組成，有時也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。如圖7-1所示。圖7-1傳感器組成方框圖7.1.2傳感器的基本性能設(shè)計高性能測控系統(tǒng)需了解傳感器性能，根據(jù)要求選型并設(shè)計可靠信號處理電路，傳感器靈敏度等指標直接影響測量精度。傳感器表現(xiàn)輸入輸出關(guān)系，靜態(tài)特性用于慢變信號，動態(tài)特性用于快變信號，考慮內(nèi)部儲能元件對響應(yīng)的不同影響。1．精確度傳感器的精確度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對誤差相對于傳感器滿量程輸出的百分數(shù)，可表示為式中，A為傳感器的精確度；為測量范圍內(nèi)允許的最大絕對誤差；為滿量程輸出。工程技術(shù)中為簡化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級概念。精度等級以一系列標準百分比數(shù)值分檔表示。如壓力傳感器的精度等級分別為0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，1.5，2.0等。傳感器設(shè)計和出廠檢驗時，其精度等級代表的誤差指傳感器測量的最大允許誤差。2．穩(wěn)定性（1）穩(wěn)定度指傳感器和儀表因隨機、周期性變動及漂移引起的示值隨時間變化的程度。（2）環(huán)境影響是溫度、氣壓、振動、電源等外部因素對傳感器和儀表示值的影響，用影響系數(shù)表示。7.1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域如下。1．生產(chǎn)過程的測量與控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對溫度、壓力、流量、位移、液位和氣體成分等參量進行檢測，從而實現(xiàn)對工作狀態(tài)的控制。2．安全報警與環(huán)境保護利用傳感器可對高溫、放射性污染以及粉塵彌漫等惡劣工作條件下的過程參量進行遠距離測量與控制，并可實現(xiàn)安全生產(chǎn)?？捎糜诒O(jiān)控、防災(zāi)、防盜等方面的報警系統(tǒng)。在環(huán)境保護方面可用于對大氣與水質(zhì)污染的監(jiān)測、放射性和噪聲的測量等方面。3．自動化設(shè)備和機器人傳感器與計算機結(jié)合顯著提升自動化設(shè)備水平，現(xiàn)代機器人廣泛采用力、位移、超聲波等多種傳感器。機器人外部傳感系統(tǒng)包括視覺和平面視覺傳感器，非視覺傳感器有觸覺、熱覺、接近覺等多種類型。4．交通運輸和資源探測傳感器可用于交通工具、道路和橋梁的管理，以保證提高運輸?shù)男逝c防止事故的發(fā)生。還可用于陸地與海底資源探測以及空間環(huán)境、氣象等方面的測量。5．醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器利用傳感器可實現(xiàn)對病患者的自動監(jiān)測與監(jiān)護，可進行微量元素的測定，食品衛(wèi)生檢疫等。傳感器在醫(yī)療診斷、計量測試、家用電器、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用實例不勝枚舉。6.航空航天航空航天領(lǐng)域飛船需傳感器測量速度、加速度、溫度等多參數(shù)，阿波羅10號飛船含數(shù)千傳感器，高性能傳感器構(gòu)成飛船核心。7.樓宇自動化樓宇自動化用多種傳感器控制空調(diào)、水電、照明等，安全防護采用煙霧、紅外等傳感器，門禁系統(tǒng)則依感應(yīng)卡和指紋識別。7.2常見的模擬傳感器電路溫度傳感器（temperaturetransducer）是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號的傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。多用于溫度探測、檢測、顯示、溫度控制、過熱保護等領(lǐng)域。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它與人類生活關(guān)系最為密切，是工業(yè)控制過程中的四大物理量（溫度、壓力、流量和物位）之一，也是人類研究最早、檢測方法最多的物理量之一。7.2.1溫度傳感器1．熱電阻熱電阻材料一般有兩類：貴金屬和非貴金屬。能用于溫度測量的主要有鉑熱電阻（貴金屬類）和鎳、銅熱電阻（非貴金屬類）。它們都具有制成熱電阻的必要特性：穩(wěn)定性好、精度高、電阻率較高、溫度系數(shù)大和易于制作等，在工程中常用的是鉑和銅兩種熱電阻。熱電阻的外形如圖7-2所示，熱電阻的探頭形狀可以定制。圖7-2熱電阻的外形在實際應(yīng)用時，采用兩線、三線或四線制的接線方式。①二線制接法二線制接法如圖7-3所示，該電路是最簡單的測量方式，也是誤差較大的接線方式。圖7-3熱電阻二線制接法R2和R3是固定電阻，電阻值較大，且R2=R3。R1是為保持電橋平衡而選用的調(diào)零電位器，Rt為熱電阻，R4、R5為導(dǎo)線等效電阻。假設(shè)R4=R5=r，，R1與Rt電阻值相對R2、R3電阻值較小，可以認為I1=I2=I（恒流源）。VAC=I1(R4+Rt+R5)=I(r+Rt+r)=IRt+2IrVBC=I2R1=IR1因此，VO=VAB=VAC－VBC=IRt＋2Ir－IR1=I(Rt－R1)＋2Ir當(dāng)不為零時，可能產(chǎn)生較大的誤差。②三線制接法三線制接法如圖7-4所示，該電路是最實用的精確測量方式。圖7-4熱電阻三線制接法R4、R5和R6為導(dǎo)線電阻。假設(shè)R4=R5=R6，I1=I2=I。（恒流源）VAC=I1(R4+Rt)+(I1+I2)R6=I(r+Rt)+(I+I)r=IRt+3IrVBC=I2(R1+R5)+(I1+I2)R6=I(R1+r)+(I+I)r=IR1+3IrVO=VAB=VAC－VBC=IRt+3Ir－IR1－3Ir=I(Rt－R1)上式與導(dǎo)線電阻沒有關(guān)系，實現(xiàn)了精確測量。③四線制接法四線制接法如圖7-5所示，R1、R2、R3和R4為引線電阻和接觸電阻，且阻值相同。該電路用于溫度的精確測量，但一般情況極少使用。圖7-5熱電阻四線制接法當(dāng)要求較高的精度，可采用REF200恒流源電路。采用REF200恒流源的三線制接法如圖7-6所示。圖7-6采用REF200的三線制接法在圖7-6中，r為導(dǎo)線電阻，每一回路電流為100μA，輸出VO=Rt。當(dāng)需要更大的電流時，可用兩片REF200恒流源。2．熱敏電阻熱敏電阻是電阻值隨著溫度的變化而顯著變化的一種半導(dǎo)體溫度傳感器。目前使用的熱敏電阻大多屬陶瓷熱敏電阻。按其阻值隨溫度變化的特性可分為三類：（1）NTC熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻是用一種或一種以上的錳、鈷、鎳、鐵等過渡金屬氧化物按一定配比混合，采用陶瓷工藝制備而成的。NTC熱敏電阻的特點是體積小，熱慣性小，輸出電阻變化大，適合于長距離傳輸。NTC熱敏電阻外形如圖7-7所示，典型應(yīng)用電路如圖7-8所示。圖7-7NTC熱敏電阻外形圖7-8NTC熱敏電阻應(yīng)用電路其輸出為式中R1為固定電阻，RT為熱敏電阻。（2）PTC熱敏電阻具有正溫度特性的熱敏電阻是以具有正溫度系數(shù)的典型材料鈦酸鋇燒結(jié)體為基體，摻入微量的稀釷類元素（如二氧化釔等）作施主雜質(zhì)，使其成為半導(dǎo)體。（3）CTR熱敏電阻CTR也是一種具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與NTC不同的是，在某一溫度范圍內(nèi)，電阻值急劇發(fā)生變化，CTR熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)。3．集成溫度傳感器集成電路溫度傳感器是把溫度傳感器（如熱敏晶體管）與放大電路等后續(xù)電路，利用集成化技術(shù)制作在同一芯片的功能器件。這種傳感器輸出信號大，與溫度有較好的線性關(guān)系、小型化、成本低、使用方便、測溫精度高，因此，得到廣泛使用。（1）常用集成溫度傳感器幾種集成溫度傳感器的特性如表7-1所示。表7-1幾種集成溫度傳感器（2）電壓型集成溫度傳感器的應(yīng)用三端電壓輸出型集成溫度傳感器是一種精密的，易于定標的溫度傳感器，它們是LM135，LM235，LM335等。LM335外形如圖7-9所示，其基本測溫電路如圖7-10所示。圖7-9LM335外形圖7-10基本測溫電路（3）電流型集成溫度傳感器的應(yīng)用電流型集成溫度傳感器，在一定溫度下，它相當(dāng)于一個恒流源。它具有不易受接觸電阻、引線電阻、噪聲的干擾，能實現(xiàn)長距離（如200m）傳輸?shù)奶攸c，同樣具有很好的線性特性。美國AD公司的AD590就是電流型集成溫度傳感器。AD590外形如圖7-9所示。圖7-11AD590外形AD590的典型應(yīng)用電路之一如圖7-12所示。圖7-12AD590典型應(yīng)用電路之一當(dāng)絕對溫度為0oK時，電流為0μA，每升高1oK，電流升高1μA。當(dāng)攝氏溫度為0℃時，電流為273μA，此時讓VO=0V，則有當(dāng)攝氏溫度為50℃時，則有AD590的典型應(yīng)用電路之二如圖7-12所示。圖7-12AD590典型應(yīng)用電路之二在圖7-12中，A點為虛地，則有又因I3=I1+I2所以為溫升（對應(yīng)0oK）所產(chǎn)生的電流（單位mA），則輸出

（單位V）。4．熱電偶熱電偶是溫度測量中使用最廣泛地傳感器之一，其測量溫區(qū)寬，一般在－180~2800℃的溫度范圍內(nèi)均可使用；測量的準確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內(nèi)，有較高的精度。把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接，構(gòu)成如圖7-13所示閉合回路，若使兩個結(jié)點保持不同溫度時，將產(chǎn)生熱電動勢，即塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。圖7-13熱電偶工作原理圖7-14熱電偶符號熱電偶符號如圖7-14所示，有時簡稱TC。AB兩端熱電勢EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。令冷端溫度t0固定，則總電勢只與熱端溫度t成單值函數(shù)。輸出靈敏度一般為μV/℃級。當(dāng)t0＝0℃時，C＝0，不用冷端補償。當(dāng)t0≠0℃時，C≠0，需用冷端補償。根據(jù)熱電偶中間溫度定則，有其中：E(t,0)為被測溫度對應(yīng)熱電勢；

E(t,t0)為實測溫度對應(yīng)熱電勢；

E(t0,0)為補償熱電勢。常用的熱電偶有K、E、J、T、B、R、S等。熱電偶傳感器如圖7-15所示。圖7-15熱電偶傳感器7.2.2流量傳感器流量是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵參數(shù)，涉及氣體、液體和固體粉料。流量分瞬時流量（單位時間內(nèi)流體量）和累積流量（時間段內(nèi)總量）。流量計種類多樣，如差壓、轉(zhuǎn)子、容積、渦輪、電磁和超聲波流量計等。1．差壓式流量計在工業(yè)過程的測量與控制中，應(yīng)用最廣泛地是差壓式流量計，在所有測量液體、氣體和蒸汽流量的場合，絕大多數(shù)都選用了差壓式流量計。所有差壓式流量計所依據(jù)的基本原理都是伯努利的能量守恒方程。圖7-16示出了節(jié)流孔板的工作原理圖7-16節(jié)流孔板的工作原理裝在管道中的孔板是一片帶有圓孔的薄板，孔的中心位于管子的中心線上。假定流體是不可壓縮的，其黏性可以忽略不計，而且是穩(wěn)流的，那么，對于通過截面1和截面2的流體，可由伯努利方程和連接方程來表示：式中，為截面1、截面2處的平均流速；為截面1、截面2處的壓力；

A1,A2為截面1、截面2處的橫截面積；為流體密度。一般稱為靜壓，稱為動壓。從上兩式可求出流體體積流量Q：式中，為流量系數(shù)；為膨脹修正系數(shù)或稱壓縮系數(shù)，通常在0.9~1.0之間。由上式可知，只要把節(jié)流機構(gòu)前后的差壓取出來，就可以測出流量，流量與壓差是非線性的平方根關(guān)系。差壓式流量計如圖7-17所示。圖7-17差壓式流量計2．渦輪流量計渦輪流量計能精確測量流量，通過渦輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換流量，輸出脈沖信號，便于遠傳和控制，抗干擾能力強，適用于多種液體。（1）渦輪流量計通過流體推動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，將流量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)數(shù)信號。（2）輸出為脈沖信號，便于遠距離傳輸和定時控制。（3）抗干擾能力強，確保測量穩(wěn)定可靠。（4）適用于純水、輕質(zhì)油、低黏度潤滑油及弱腐蝕性酸堿溶液。渦輪流量計如圖7-18所示。圖7-18渦輪流量計7.2.3熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器（PIR）通過熱電元件感應(yīng)紅外輻射，利用場效應(yīng)管完成阻抗變換，廣泛用于檢測溫度變化和人體紅外信號。（1）PIR傳感器由傳感探測元件、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器組成。（2）熱電元件輸出電荷信號，經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。（3）場效應(yīng)管采用共漏形式完成阻抗變換。（4）傳感元件通過極化處理，制成薄片型高熱電材料。（5）基于物體紅外電磁輻射特性實現(xiàn)紅外感應(yīng)。（6）傳感器有塑封和金屬封裝，結(jié)構(gòu)和性能多樣化。PIR傳感器的外形如圖7-19所示。圖7-19PIR傳感器的外形圖熱釋電紅外傳感器采用高熱電系數(shù)材料制成探測元件，配菲涅爾透鏡提高靈敏度，能被動檢測人體紅外輻射，實現(xiàn)遠距離精確感應(yīng)，廣泛應(yīng)用自動控制和安全防護領(lǐng)域。7.2.4位移傳感器位移傳感器將物理位移轉(zhuǎn)換為電信號，小位移用應(yīng)變、電感等檢測，大位移用光柵、磁柵等技術(shù)，光柵傳感器因高精度和抗干擾被廣泛應(yīng)用。1.位移傳感器的定義和分類位移傳感器將物體運動位移轉(zhuǎn)換為電信號，按運動方式、變換形式和材料分類，應(yīng)用廣泛，既測小位移也測大位移。（1）按運動方式分為線位移傳感器和角位移傳感器。（2）按信號形式分為模擬式和數(shù)字式。（3）按材料分為導(dǎo)電塑料式、電感式、光電式等多種類型。（4）小位移通常用應(yīng)變、電感、渦流和霍爾傳感器測量。（5）大位移多采用光柵、容柵、磁柵等傳感器。（6）常用型號有OmegaLD640/LD650系列，KEYENCEGT2系列。2.直線位移傳感器的工作原理直線位移傳感器將機械位移轉(zhuǎn)換成電信號，利用可變電阻滑軌和滑片，通過滑片位置變化測量阻值，電壓與位移成正比。直線位移傳感器外形圖如圖7-20所示。圖7-20直線位移傳感器外形圖3.位移傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域位移傳感器應(yīng)用廣泛，廣泛用于火車輪緣尺寸檢測及各種液罐的液位測量與控制，保障設(shè)備安全和性能穩(wěn)定。（1）檢測火車輪緣高度、寬度和輪輞厚度，確保行車安全。（2）液罐液位測量，實時監(jiān)控儲存液體量。（3）液位控制，防止液體溢出或干涸。（4）廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和設(shè)備維護領(lǐng)域。7.2.5PM2.5傳感器PM2.5是空氣中直徑小于等于2.5微米的細顆粒物，對空氣質(zhì)量和健康影響大。PM2.5傳感器通過光散射原理檢測空氣中顆粒物濃度。（1）PM2.5粒徑小，活性強，易攜帶有害物質(zhì)。（2）在空氣中停留時間長，傳播距離遠。（3）PM2.5含量高代表空氣污染嚴重。（4）傳感器利用光散射檢測顆粒物濃度。（5）入射光被顆粒散射和吸收，光強衰減。PM2.5傳感器如圖7-21所示。圖7-21PM2.5傳感器PM2.5傳感器基于激光散射原理，采集散射光強變化，經(jīng)傅里葉變換和算法計算，得出空氣中顆粒物的粒徑及濃度分布。PM2.5傳感器的工作原理方框圖如圖7-22所示。圖7-22PM2.5傳感器的工作原理方框圖國內(nèi)外已經(jīng)有很多公司生產(chǎn)此類產(chǎn)品。7.2.6紅外傳感器紅外傳感器利用紅外線測量目標輻射，分為光子探測和熱探測，廣泛應(yīng)用于測距和顏色辨別等領(lǐng)域。（1）紅外傳感器分為光子探測器和熱探測器兩類。（2）利用紅外發(fā)射管和接收管協(xié)同工作。（3）測距通過物體反射紅外光強弱判斷距離。（4）顏色辨別基于不同顏色對紅外光的吸收差異。（5）廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技、國防、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。TCRT5000紅外對管的實物圖和引腳圖如圖7-23所示。a）實物圖b）引腳圖圖7-23TCRT5000紅外對管的實物圖和引腳圖如圖7-24所示為采用TCRT5000紅外對管進行測距或黑、白顏色區(qū)分的應(yīng)用電路。TCRT5000紅外對管通過紅外發(fā)射和光敏三極管接收光信號，電阻電壓變化反映光電流大小，從而判斷物體距離。（1）VDD經(jīng)R17給紅外發(fā)光二極管供電，發(fā)出紅外光。（2）光敏三極管接受反射紅外光，產(chǎn)生光電流。（3）光電流流過R16，造成電壓變化。（4）比較器U4A同相端電壓隨光電流變化而變化。（5）通過比較器電壓大小判斷物體距離。圖7-24TCRT5000紅外對管應(yīng)用電路7.2.7氣體傳感器氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。氣體傳感器將氣體濃度轉(zhuǎn)換為電信號，主要用于檢測特定氣體，保障安全。常用恒溫設(shè)計提高精度，輸出需數(shù)字處理。（1）氣體傳感器是化學(xué)傳感器，通過測量材料電參數(shù)變化檢測氣體。（2）探測頭對氣體樣品進行濾除雜質(zhì)和干燥處理。（3）主要用于環(huán)境氣體濃度檢測，尤其是有毒或可燃氣體。（4）集成發(fā)熱裝置實現(xiàn)恒溫，提升檢測精度。（5）大多數(shù)傳感器輸出模擬信號，需要后續(xù)數(shù)字處理。MQ135氣體傳感器外形圖及基本測試原理圖如圖7-25所示。

a）外形圖b）基本測試原理圖圖7-25MQ135氣體傳感器外形圖及基本測試原理圖如圖7-26所示為MQ135氣體傳感器的實用電路原理圖。圖7-26MQ135氣體傳感器的實用電路原理圖圖7-26電路采用LM393比較器和恒溫傳感器，調(diào)節(jié)閾值實現(xiàn)精準檢測，并支持模擬或數(shù)字信號采集。（1）電路由Vcc供電，LED指示電源狀態(tài)。（2）5.1Ω電阻與傳感器發(fā)熱絲串聯(lián)，維持恒溫。（3）1kΩ負載電阻與100nF電容濾波傳感器模擬信號。（4）LM393單門限比較器，VR1調(diào)節(jié)閾值電壓。（5）輸出含10kΩ上拉電阻和二極管指示開關(guān)狀態(tài)。（6）支持ADC采集模擬信號或數(shù)字I/O口采集數(shù)字信號。7.2.8壓力傳感器壓力傳感器(PressureTransducer)是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成。按不同的測試壓力類型，壓力傳感器可分為表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器。壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。如圖7-27所示為某種電阻應(yīng)變片的實物外形圖。圖7-27電阻應(yīng)變片的實物外形圖那么該如何對微小的阻值變化進行測量呢？答案就是使用惠斯通電橋電路?；菟雇姌蚴怯?個電阻組成的電路，因為其電路拓撲非常像在4個電阻之間搭了一個橋，所以又稱為電橋電路。如圖7-28所示為惠斯通電橋電路原理圖。圖7-28惠斯通電橋電路原理圖7.3常見的數(shù)字傳感器電路數(shù)字傳感器通過I2C、SPI等接口與微控制器通信，穩(wěn)定可靠。需編寫驅(qū)動函數(shù)，按接口規(guī)范讀寫傳感器寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。本節(jié)將對一些常用的數(shù)字傳感器進行介紹。7.3.1數(shù)字式氣流傳感器HoneywellHAF系列數(shù)字氣流傳感器，采用MEMS熱傳輸原理，提供高精度數(shù)字接口，適用于空氣及非腐蝕性氣體流量測量。（1）具多種安裝方式，適應(yīng)不同應(yīng)用。（2）配備絕熱加熱器和溫度感應(yīng)元件，實現(xiàn)快速響應(yīng)。（3）測量空氣和非腐蝕性氣體的質(zhì)量流量。（4）內(nèi)置ASIC電路板進行溫度補償和校準。（5）采用MEMS微橋結(jié)構(gòu)，確保重復(fù)性氣流響應(yīng)。例如：HAFUHM0020L4AXT是一種霍尼韋爾ZephyrTM氣體質(zhì)量流量傳感器，如圖7-29所示。圖7-29HAFUHM0020L4AXT氣體質(zhì)量流量傳感器ZephyrTM系列傳感器的有多種可選安裝方式，如圖7-30所示。圖7-30ZephyrTM系列傳感器的多種可選安裝方式ZephyrTM系列傳感器可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域⑴醫(yī)療：麻醉機、心室輔助裝置（心臟泵）、醫(yī)院診斷（光譜、氣相色譜）、噴霧器、制氧機、患者監(jiān)測系統(tǒng)（呼吸監(jiān)測）、睡眠呼吸機、肺活量計和呼吸機。⑵工業(yè)：空氣-燃料比、分析儀器（光譜、氣相色譜）、燃料電池、氣體泄漏檢測、煤氣表、暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）過濾器、暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）上的變風(fēng)量（VAV）系統(tǒng)。SensirionSDP500系列差壓傳感器基于CMOSens技術(shù)，集成信號處理與數(shù)字標定，提供高精度、穩(wěn)定的氣體流量測量，支持I2C接口。（1）傳感器集成元件、信號處理及數(shù)字標定于一芯片。（2）具長期穩(wěn)定性和高重復(fù)性，量程比寬廣。（3）SDP510型號工作電壓3.3V，測量范圍±500Pa。（4）分辨率7-16位可調(diào)，默認12位。（5）通過I2C接口方便與控制器通信。SDP510與STM32F103的接口電路如圖7-31所示。圖7-31SDP510與STM32F103的接口電路7.3.2數(shù)字攝像頭電路數(shù)字攝像頭利用光電技術(shù)直接將像素點電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，避免了模擬采集和后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，便于計算機處理。在電子系統(tǒng)設(shè)計中常用的數(shù)字攝像頭有3種，下面分別介紹這3種攝像頭的電路。1. 線性CCD攝像頭電路CCD攝像頭電路本質(zhì)上是一種光電采集器件，這里以TSL1401傳感器為例。它的核心是一片具有128像素的線性CCD，可以直接連接到微控制器上進行數(shù)據(jù)采集和處理。TSL1401線性CCD具有如下特性：（1）像素為128×1。（2）400點／英寸傳感器間距。（3）高線性度和均勻分布。（4）寬動態(tài)范圍4000:1（72dB）。（5）輸出參考GND。（6）圖像滯后低（典型值0.5％）。（7）傳輸時鐘最快可達到8MHz。（8）沒有外部負載電阻要求。如圖7-32所示為TSL1401線性CCD實物與芯片引腳定義。a）CCD實物b）芯片引腳定義圖7-32TSL1401線性CCD實物與芯片引腳定義從圖7-32中可以看到，TSL1401線性CCD芯片僅具有5個有效連接端口，分別為SI、CLK、AO、VDD、GND。如圖7-33所示為TSL1401線性CCD芯片的應(yīng)用電路。圖7-33TSL1401線性CCD芯片的應(yīng)用電路2.OV7725攝像頭電路OV7725攝像頭電路是一款集成了OmniVision公司生產(chǎn)的1/4英寸的CMOSVGA（640x480像素）圖像傳感器的數(shù)字攝像頭模塊，其主要特性如下。（1）支持VGA、QVGA，以及從CIF到4030分辨率的各種尺寸輸出。（2）支持RawRGB，RGB（GBR4:2:2、RGB565/RGB555/RGB444），YUV（4:2:2）和YCbCr（4:2:2）輸出格式。（3）自動圖像控制功能：自動曝光（AEC）、自動白平衡（AWB）、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準（ABLC）和自動帶通濾波器（ABF）等。（4）支持圖像質(zhì)量控制：色飽和度調(diào)節(jié)、色調(diào)調(diào)節(jié)、Gamma（Gamma源于CRT（顯示器/電視機）的響應(yīng)曲線，即其亮度與輸入電壓的非線性關(guān)系）校準、銳度和鏡頭校準等。（5）支持圖像縮放、平移和窗口設(shè)置。（6）標準的SCCB接口（SCCB是歐姆尼圖像技術(shù)公司（OmniVision）開發(fā)的一種總線，并廣泛地應(yīng)用于OV系列圖像傳感器上。SCCB是一種3線的總線，它由SCCB_E、SIO_C、SIO_D組成。在為了減少引腳的芯片上縮減為2根線，SIO_C和SIO_D）。（7）高靈敏度、低電壓適合嵌入式應(yīng)用。如圖7-34所示為OV7725數(shù)字攝像頭的實物與芯片引腳定義。a）實物b）芯片引腳定義圖7-34OV7725數(shù)字攝像頭的實物與芯片引腳定義如圖7-35所示為OV7725數(shù)字攝像頭應(yīng)用電路原理圖。圖7-35OV7725數(shù)字攝像頭應(yīng)用電路原理圖OV7725攝像頭應(yīng)用電路簡單，時鐘、控制和數(shù)據(jù)接口可直接連微控制器I/O口，實現(xiàn)數(shù)字通信后實時采集圖像。3.OPENMV介紹OpenMV是基于Python的嵌入式機器視覺模塊，低成本且易擴展，支持圖像處理與I/O控制，簡化機器視覺項目開發(fā)。（1）解決傳統(tǒng)攝像頭圖像處理難題，適合性能有限微控制器。（2）基于MicroPython，支持硬件資源和I/O控制。（3）小巧低功耗，適合常見機器視覺任務(wù)。（4）高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)便于處理復(fù)雜輸出。（5）用戶可編程，縮短圖像處理項目開發(fā)周期。如圖7-36所示為OPENMV實物圖。圖7-36OPENMV實物圖OPENMV4采用高性能STM32H7處理器，集成豐富圖像算法，支持多任務(wù)圖像處理，助力電子系統(tǒng)中的視覺設(shè)計。（1）處理器主頻480MHz，CoreMark達到2400分，高于部分樹莓派。（2）內(nèi)置多種圖像處理算法，如CNN、笑臉檢測和二維碼識別。（3）支持紅外熱成像、目標追蹤、機器人巡線等多種應(yīng)用。（4）具繪圖寫字、視頻錄制及無線圖像傳輸功能。（5）極大便利圖像處理相關(guān)電子系統(tǒng)設(shè)計。7.3.3數(shù)字電感傳感器LDC1314LDC1314是TI的4通道12位數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器，支持寬頻率傳感器，低功耗、低成本，適合高性能電感感測應(yīng)用。（1）支持多通道和遠程感測，降低系統(tǒng)成本和功耗。（2）傳感器頻率范圍1kHz～10MHz，支持小型PCB線圈。（3）提供匹配通道，實現(xiàn)差分與比率測量。（4）支持環(huán)境補償，如溫度、濕度和機械漂移。（5）提高感測性能、可靠性和設(shè)計靈活性。LDC1314外形如圖7-37所示。圖7-37LDC1314外形LDC1314具有如下特性：（1）易于使用，配置要求極低。（2）多達4個具有匹配傳感器驅(qū)動器的通道。（3）多個通道支持環(huán)境和老化補償。（4）大于20cm的遠程傳感器位置支持在嚴苛的環(huán)境下運行。（5）支持1kHz～10MHz的寬傳感器頻率范圍。（6）2.7～3.6V工作電壓。（7）抗直流磁場和磁體干擾。如圖7-38所示為LDC1312芯片的工作框圖，LDC1312與LDC1314的區(qū)別僅為通道數(shù)不同，LDC1312芯片只有2個測量通道。LDC1312芯片支持內(nèi)外時鐘，建議用高精度外部晶振。其2通道測量通過連接LC振蕩電路，感應(yīng)電感L變化引起的諧振頻率變化，精確測量電感絕對值或相對變化，實現(xiàn)電感感測。圖7-38LDC1312芯片的工作框圖（與LDC1314芯片類似）如圖7-39所示為LDC1314應(yīng)用電路圖。LDC1314使用外部晶振時鐘和LC濾波電源，支持最高10MHz測量頻率，具數(shù)字處理核心和中斷接口，便于微控制器控制。（1）外部有源晶振供時鐘，電源采用LC濾波。（2）I2C地址接地為0X2A。（3）測量通道并聯(lián)43.9μH電感與100pF電容，振蕩頻率約2.4MHz。（4）建議工作頻率不超過振蕩頻率的80%。（5）內(nèi)部數(shù)字處理，支持SD信號控制使能與INT中斷通知。圖7-39LDC1314應(yīng)用電路圖LDC1314通過I2C與微控制器通信，應(yīng)用于小車尋跡傳感器設(shè)計。利用電感變化引起LC振蕩頻率變動實現(xiàn)循線，推薦外部晶振和高精度元件提高測量精度。7.3.4數(shù)字電容傳感器FDC2214FDC2214是高分辨率電容測量芯片，具抗EMI能力，支持寬頻率，適用于非接觸電容傳感和多種工業(yè)應(yīng)用。（1）專用于電容測量，低功耗低成本非接觸感測技術(shù)。（2）傳感器可用任意導(dǎo)體，設(shè)計靈活。（3）創(chuàng)新抗EMI架構(gòu)，保證高噪聲環(huán)境下性能穩(wěn)定。（4）支持高速、高分辨率測量。（5）寬激勵頻率范圍，適合導(dǎo)電液體感測等復(fù)雜應(yīng)用。FDC2214外形如圖7-40所示。圖7-40FDC2214外形FDC2214芯片具有如下特性：（1）抗EMI架構(gòu)。（2）最高輸出速率（每個有源通道）：4.08ksps。（3）最大輸入電容：250nF（10kHz頻率，1mH電感）。（4）傳感器激勵頻率：10kHz～10MHz。（5）分辨率：高達28位。（6）系統(tǒng)噪聲：100sps時為0.3fF。（7）電源電壓：2.7～3.6V。（7）功耗：2.1mA（有源）。（8）關(guān)斷電流：200nA。如圖7-41所示為FDC2214芯片的工作框圖。圖7-41FDC2214芯片的工作框圖FDC2214芯片結(jié)構(gòu)類似LDC1314，建議用高精度外部晶振。其4通道通過LC振蕩電路感知并聯(lián)電容變化，精確測量電容絕對值或相對變化，實現(xiàn)電容感測。如圖7-42所示為FDC2214應(yīng)用電路圖。圖7-42FDC2214應(yīng)用電路圖FDC2214采用外部晶振提供高精度時鐘，支持I2C通信，具數(shù)字處理和中斷功能，應(yīng)用于手勢識別等高精度電容測量。（1）外部有源晶振供時鐘，電源采用LC濾波，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）I2C地址可配置，芯片通過I2C與微控制器通信。（3）測量通道配18μH電感與33pF電容，振蕩頻率約6.5MHz，建議工作頻率不超80%。（4）內(nèi)置數(shù)字核心，支持SD信號使能和中斷通知。（5）應(yīng)用于手勢識別，感知寄生電容變化實現(xiàn)多通道檢測。（6）建議使用COG/NPO高精度電容，降低機械振動影響，保障電感穩(wěn)定性。7.3.5數(shù)字溫濕度傳感器溫濕度傳感器測量環(huán)境及物體溫濕度，常用于電子設(shè)計競賽輔助功能。包括模擬NTC電阻傳感器和數(shù)字測量芯片兩類。1.DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一款高精度單總線溫度傳感器，支持寬溫度范圍和多設(shè)備并聯(lián)，具備報警與存儲功能，適合分布式測溫系統(tǒng)。（1）測溫范圍－55～＋125℃，最高誤差±0.5℃（－10～＋85℃）。（2）支持配置數(shù)字轉(zhuǎn)換精度和測溫速度。（3）內(nèi)置4字節(jié)非易失性存儲，用于報警和用戶數(shù)據(jù)。（4）支持電源供電和寄生供電模式。（5）單總線接口可掛載多個設(shè)備，便于分布式測溫。DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有如下特性：（1）單總線接口，節(jié)約布線資源。（2）應(yīng)用簡單，無須額外器件。（3）轉(zhuǎn)換溫度時間為500ms。（4）可編程9～12位數(shù)字輸出。（5）寬供電電壓范圍2.7～5.5V。（6）每顆芯片有可編程的ID序列號。（7）用戶可自行設(shè)置報警值。（8）超強ESD保護能力（HBM＞8000V）。（9）典型待機電流功耗1μA@3V。（10）典型換電流功耗0.6mA@3V。DS18B20的TO-92封裝與引腳分布如圖7-43所示。a）TO-92封裝b）引腳分布圖7-43DS18B20的TO-92封裝與引腳分布從圖7-43中可以看到，DS18B20芯片僅有3個連接引腳，其中兩個引腳為芯片供電，所以僅使用一根DQ數(shù)據(jù)線便可以與微控制器進行數(shù)字通信，這樣的設(shè)計可以大大簡化硬件電路的設(shè)計。DS18B20芯片的應(yīng)用電路如4344所示。圖7-44DS18B20芯片的應(yīng)用電路圖7-44所示，DS18B20使用5V電源供電，信號腳經(jīng)4.7kΩ上拉電阻接微控制器，微控制器通過單總線協(xié)議讀取溫度數(shù)據(jù)。2.HDC2080數(shù)字溫濕度傳感器HDC2080為小型DFN封裝的高精度低功耗溫濕度傳感器，集成數(shù)字功能和加熱元件，具可編程中斷和采樣間隔，支持1.8V電源，適合電池供電系統(tǒng)。HDC2080芯片具有如下特性：（1）相對濕度范圍：0～100％。（2）濕度精度：±2％（典型值），±3％（最大值）。（3）溫度精度：±0.2℃（典型值），±0.4℃（最大值）。（4）睡眠模式電流：50nA（典型值），100nA（最大值）。（5）平均電源電流（每秒測量1次）：①300nA：僅RH％（11位）；②550nA：RH％（11位）＋溫度（11位）；（6）溫度范圍：①運行溫度：－40～85℃