測控電路傳感器接口電路2.1傳感器類型2.2信號調(diào)理電路2.3線性化2.4傳感器接口實(shí)例本章知識點(diǎn)□無源傳感器及有源傳感器的基本原理及組成形式□電橋信號調(diào)理電路及調(diào)頻信號調(diào)理電路□電壓源信號調(diào)理電路及電流源信號調(diào)理電路

口傳感器接口電路的線性化技術(shù)傳感器接口電路》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長度為L橫截面積S電阻率p口不同影響因素會使式中各參數(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

。》

傳感器接口電路□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

。2.1.1典型無源傳感器□電容式傳感器：電容器的電容與其極板面積、相對位置以及極板間介電常數(shù)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(9.0×10?N)》

傳感器接口電路有關(guān)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。W—線圈匝數(shù)；μo—空氣的磁導(dǎo)率

(H/m);

S—?dú)庀兜慕孛娣e

(m2);δ—?dú)庀堕L度(m)?！?/p>

傳感器接口電路線圈

鐵芯△x□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)會發(fā)生

相應(yīng)的變化，測量出電阻變化量

即可得到形變大小。2.1.2無源傳感器實(shí)例》

傳感器接口電路·傳感器主要由彈性敏感元件和差動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，使得差動電容

傳感器的電容發(fā)生變化。通過檢測

電容的變化量就可以實(shí)現(xiàn)對壓力的

測量

。2.1.2無源傳感器實(shí)例□電容式傳感器電容極板引出導(dǎo)線》

傳感器接口電路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

過電橋電路檢測出電壓變化的大小即可

測量出壓差的大小。氣隙變化量很小時(shí)，

輸出電壓與被測壓力差成正比。》

傳感器接口電路p?

中電源激勵(lì)P?線圈銜鐵u。殼體R?R?導(dǎo)磁體2.13有源傳感器口有源式傳感器包括：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)等傳感器傳感器接口電路》2.1.3.1電壓式傳感器口熱電效應(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)傳感器傳感器接口電路1.熱電效應(yīng)傳感器口當(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)散到對方的電子數(shù)不同，會導(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)處會形成電勢差，該電勢稱為接觸熱電勢。這個(gè)電勢阻止電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)電子擴(kuò)散能力與電場阻力達(dá)到平衡時(shí)，接觸熱電勢就會達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，電勢由如下式子得出：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)處的絕對溫度(K);nA(T),nB(T)—

材料A,B在溫度T時(shí)的自由電子濃度?！穫鞲衅鹘涌陔娐?.熱電效應(yīng)傳感器口將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)，回路中就會產(chǎn)生電勢。熱電偶溫度保持不變一端成為自由端或冷端，另一端成為測量端或熱端。通過

測量接觸電勢的大小推算測量端的溫度。Ae??(T)B傳感器接口電路》2.霍爾傳感器口霍爾效應(yīng)·

當(dāng)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)

象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢差也被稱為霍爾電勢差?！?/p>

傳感器接口電路I為電流，

B?為電磁場強(qiáng)度，

d為板間距，RH為霍爾系數(shù)，

UH為霍爾電動勢□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?？梢該?jù)此設(shè)計(jì)出光強(qiáng)傳感器和輻射傳感器。2.1.3.2電流式傳感器傳感器接口電路2.1.3.2電流式傳感器□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?！鯄弘妭鞲衅饕詨弘娦?yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下產(chǎn)生電流，對非電量進(jìn)行測量。傳感器接口電路2.1.3.3.有源傳感器實(shí)例口熱電偶溫度傳感器：·

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)，在回路中就會產(chǎn)生電動勢。其中，直接用作測量介質(zhì)溫度

的一端叫做熱端(也稱為測量端),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，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。A

測量端QB補(bǔ)償導(dǎo)線顯示儀表補(bǔ)償導(dǎo)線參比端熱電勢EAB參比端傳感器接口電路2.1.3.3.有源傳感器實(shí)例□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)生磁場強(qiáng)度與電流

大小成正比的磁場，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，通過導(dǎo)線將電壓信號引出，以供后續(xù)

電路處理。磁芯霍

爾

U。Ip路理傳感器接口電路元

件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)，通過測量壓電晶體產(chǎn)生的電荷量大小即可實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。

引線壓電晶片受壓膜片P傳感器接口電路殼體2.2信號調(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/

√Hz);信號調(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；微小電壓信號放大器；高內(nèi)阻傳感器的測量；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)傳感器信號調(diào)理電路較少采用此類別。2.2.1運(yùn)算放大器選型》

傳感器接口電路2.2.2無源傳感器調(diào)理電路口最簡單的無源傳感器信號調(diào)理電路有分壓電路和電流源電路，可將被測對象的幅值放大后測量。圖2-12電流源電路圖2-11分壓電路?傳感器接口電路》←》

傳感器接口電路2.2.2.1電橋信號調(diào)理電路□電阻電橋電路圖2-13單臂電阻電橋電路圖2-14差動輸入電阻電橋電路探測器2.2.2.1電橋信號調(diào)理電路□電容電橋電路圖2-16差動輸入電容電橋電路圖2-15單臂電容電橋電路》2.2.2.1電橋信號調(diào)理電路□電感電橋電路·

測量高Q值的電感電橋——海氏電橋?！?/p>

電橋平衡條件》

傳感器接口電路

26圖2-17海氏電橋電路2.2.2.1電橋信號調(diào)理電路□電感電橋電路·

測量低Q值電感的電橋——麥克斯韋電橋》

傳感器接口電路圖2-18麥克斯韋電橋電路√

電橋平衡條件2.2.2.2調(diào)頻信號調(diào)理電路口調(diào)頻信號調(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。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。更高頻率的振蕩器電路則通常采用LC振蕩電路。傳感器接口電路》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。Tm=1/fm=2RC

ln(1+2R?/R?)圖2-19

RC振蕩電路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：圖2-21電感三點(diǎn)式振蕩電路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的相對取值。圖2-22電容三點(diǎn)式振蕩電路2.2.3有源傳感器調(diào)理電路□電壓源傳感器調(diào)理電路傳感器

信號調(diào)節(jié)器圖2-23電壓源模型傳感器等效電路圖2-24采用運(yùn)放緩沖的電壓源傳感器傳感器接口電路傳感器2.2.3有源傳感器調(diào)理電路□電流源傳感器調(diào)理電路U。傳感器圖2-27壓電傳感器等效電路傳感器

信號調(diào)理電路圖2-25電流源模型傳感器等效電路圖2-26采用運(yùn)放緩沖的電流源傳感器傳感器接口電路》傳感器2.3線性化2.3.1優(yōu)化傳感電路2.3.2校正輸出信號00R?BE(潛R?R-

△R

R+△Rv.

RR+△RR-△RLAR?等效R?B.

傳感器接口電路2.3.1優(yōu)化傳感電路圖2-

31運(yùn)算放大器改善線性度圖2-32差動電橋改善線性度圖2-29熱敏電阻線性化電路U

N熱敏

電

阻RRRAB.AE》

傳感器接口電路2.3.2校正輸出信號口對數(shù)和指數(shù)轉(zhuǎn)化校正非線性aX

bz

V?？谑褂媚M乘法器進(jìn)行非線性校正圖2-36乘法器校正非線性框圖圖2-33對數(shù)放大器電路2.4傳感器接口實(shí)例2.4.1電阻式應(yīng)變傳感器2.4.2