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）ppt课件.ppt

1TM成都理工大学工程技术学院电子信息工程系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电子系统设计第第2 2章章 常用传感器及其在电子系统中的应用常用传感器及其在电子系统中的应用授课人：石坚授课人：石坚 （讲师）（讲师）2TM2电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 压力传感器压力传感器压阻式压力传感器压阻式压力传感器n利用压阻效应将压力信号变换利用压阻效应将压力信号变换为电阻变化信号的传感器。为电阻变化信号的传感器。n利用检测电路把压阻式压力传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感器的电阻变化转变为电压输出，即可被电子系统处理。出，即可被电子系统处理。n 检测电路通常是采用惠斯通检测电路通常是采用惠斯通电桥构成的。电桥构成的。3TM3电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 压力传感器压力传感器惠斯通电桥构成的恒压源电阻测量电路惠斯通电桥构成的恒压源电阻测量电路结论：结论：恒压源测量电恒压源测量电路输出电压与温度相路输出电压与温度相关，必须进行补偿，关，必须进行补偿，而恒流源测量电路无而恒流源测量电路无需温度补偿，因此采需温度补偿，因此采用恒流源激励是不错用恒流源激励是不错的选择。的选择。可以用恒流源供电！可以用恒流源供电！4TM4电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 几种恒流源参考电路几种恒流源参考电路类型类型1：特征：特征：使用运放，高精度使用运放，高精度输出电流：输出电流：IoutIout= =Vref/RsVref/Rs类型类型2：特征：特征：使用并联稳压器，使用并联稳压器，简单且高精度简单且高精度 输出电流：输出电流：IoutIout= =Vref/RsVref/Rs检测电压：检测电压：根据根据Vref不同不同（1.25V或或2.5V）5TM5电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 几种恒流源参考电路几种恒流源参考电路类型类型3：特征：特征：使用晶体管，简单，低精度使用晶体管，简单，低精度 输出电流：输出电流：IoutIout= =Vbe/RsVbe/Rs检测电压：约检测电压：约0.6V类型类型4：特征：特征：减少类型减少类型3的的Vbe的温度变化的温度变化，低、中等精度，低电压检测，低、中等精度，低电压检测 输出电流：输出电流：IoutIout= =Vref/RsVref/Rs检测电压：检测电压：0.1V0.6V6TM6电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 几种恒流源参考电路几种恒流源参考电路类型类型5：特征：特征：使用使用JEFT，超低噪声，超低噪声 输出电流：输出电流：由由JFET决定决定检测电压：检测电压：与与JFET有关有关类型类型6：特征：特征：消除类型消除类型1基极电流误差基极电流误差 输出电流：输出电流：Is=Is=Iout-IgIout-Ig7TM7电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 压力传感器在低成本电子秤中的应用压力传感器在低成本电子秤中的应用电子秤基本结构电子秤基本结构8TM8电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n电子秤样机电路电子秤样机电路A A：电阻应变式称重传感器：电阻应变式称重传感器 B B：RCRC滤波网络滤波网络 输入模拟信号范围为（输入模拟信号范围为（-AVDD/2-AVDD/2，AVDD/2AVDD/2） SDISDI提供提供SPISPI（串行外设接口）与（串行外设接口）与MCUMCU通信通信9TM9电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n电子秤精度计算及分析电子秤精度计算及分析 设设传感器输出规格为传感器输出规格为1.6mV/V1.6mV/V（即传感器满量程时，电源单（即传感器满量程时，电源单位电压对应的输出电压大小）位电压对应的输出电压大小） 5V 5V电源对应的满量程差分输出电源对应的满量程差分输出信号为：信号为：8mV8mV。由由FS1FS1（电子秤满量程）（电子秤满量程）= = 0.8 * FS0（传感器的传感器的满量程范围满量程范围），得，得传感器的最大可提供信号为：传感器的最大可提供信号为：6.4mV6.4mV。设定设定SDI0818SDI0818内部内部PGAPGA为：为：128128，故故SDI0818SDI0818的最大可用信号为：的最大可用信号为：6.4mV 6.4mV * * 128 = 819.2mV 128 = 819.2mV。 假设电子秤内部精度要做到假设电子秤内部精度要做到1000010000点分度（点分度（d d），则每个分），则每个分度大小为：度大小为：82uV82uV，也就是，也就是SDI0818SDI0818必需能分辨出必需能分辨出82uV82uV的信号。的信号。 SDI0818 SDI0818参考电压参考电压AVDDAVDD为为5V5V，则如果每分度按照，则如果每分度按照82uV82uV来计算来计算的话，则共有约的话，则共有约6097560975个分度值（个分度值（ 216 216），也就是说），也就是说SDI0816SDI0816的不动码要达到的不动码要达到1616位以上才能实现。位以上才能实现。 SDI0816SDI0816在在PGA PGA = 128= 128的情况下，有效位为的情况下，有效位为1616位，不动码也是位，不动码也是1616位，能实现位，能实现1000010000点左右的电子秤。点左右的电子秤。10TM10电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 霍尔传感器霍尔传感器n根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。n霍尔效应：如果把通有电流的导体放在垂直于霍尔效应：如果把通有电流的导体放在垂直于它的它的磁场磁场中，则在导体的两侧会产生一电势差中，则在导体的两侧会产生一电势差，它与，它与电流电流及磁感应强度成正比，与导体及磁感应强度成正比，与导体厚度厚度成反比。成反比。11TM11电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 霍尔传感器的基本应用电路霍尔传感器的基本应用电路控制电流（激励电流）由电源控制电流（激励电流）由电源E E供给，其大小可由调节电阻供给，其大小可由调节电阻RPRP来来实现，霍尔片输出端接负载实现，霍尔片输出端接负载RjRj，RjRj可以是一般电阻，也可以是可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器的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内阻。在磁场和控制电流的作用下，负载上就有输出电压。用下，负载上就有输出电压。在实际使用中，输入信号可为电在实际使用中，输入信号可为电流流I I或磁感应强度或磁感应强度B B，或者两者同，或者两者同时作为输入，则输出信号可正比时作为输入，则输出信号可正比于于I I或或B B，或两者之积。，或两者之积。12TM12电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 霍尔传感器的典型应用霍尔传感器的典型应用测量转速测量转速在非磁材料的圆盘边缘上粘在非磁材料的圆盘边缘上粘贴一块磁钢，将圆盘固定在被贴一块磁钢，将圆盘固定在被测转轴上，开关型霍尔传感器测转轴上，开关型霍尔传感器固定在圆盘外缘附近，圆盘每固定在圆盘外缘附近，圆盘每旋转一周，霍尔传感器便输出旋转一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，用频率计测量这些一个脉冲，用频率计测量这些脉冲，便可知道转速。脉冲，便可知道转速。设频率计的频率为设频率计的频率为f f，粘贴的，粘贴的磁钢数为磁钢数为Z Z，则转轴转速为，则转轴转速为n=60f/Zn=60f/Z（r/minr/min），若），若Z=60Z=60，则则n=fn=f，即转速为频率计的示值，即转速为频率计的示值。若粘贴若粘贴6 6块磁钢，则转速为块磁钢，则转速为n=10fn=10f，这样读数与计算都比较，这样读数与计算都比较方便。方便。 （1 1）转速测量原理）转速测量原理13TM13电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 霍尔传感器的典型应用霍尔传感器的典型应用测量转速测量转速（2 2）测量转速电路）测量转速电路测量转速的装置测量转速的装置UGN3040UGN3040是集电极开路元件，外接是集电极开路元件，外接上拉电阻。当磁性转子转动时，霍上拉电阻。当磁性转子转动时，霍尔尔ICIC的输出也随之变化，的输出也随之变化，B B点是经点是经过三极管反相后的输出。后续电路过三极管反相后的输出。后续电路可用计数器记录转速。可用计数器记录转速。 14TM14电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 光电传感器光电传感器n将被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光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。电元件进一步将光信号转换成电信号的传感器。n按光电元件输出量性质可分为模拟式光电传感器和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。脉冲（开关）式光电传感器两类。15TM15电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 光电传感器光电传感器常用光敏器件常用光敏器件光敏电阻器光敏电阻器n一结构与原理一结构与原理n 光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子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。者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。n 二光敏电阻有以下优点二光敏电阻有以下优点n 1.1.光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。n 2.2.所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应。光响应。n 3.3.无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。n 4.4.灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。16TM16电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光敏电阻的符号和连接电路光敏电阻的符号和连接电路17TM17电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n此电路在实际应用中还需改进，如楼道照明增加声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。控开关、路灯控制增加抗干扰附加电路。n光敏电阻的应用电路光敏电阻的应用电路照明灯自动控制电路照明灯自动控制电路18TM18电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 光敏二极管又称光电二光敏二极管又称光电二极管，其原理是利用极管，其原理是利用PNPN结施加反向电压时，在结施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由光线照射下反向电阻由大变小进行工作的。大变小进行工作的。光敏二极管使用时要反光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电接电源负极，负极接电源正极。源正极。常用光敏器件常用光敏器件光敏二极管光敏二极管19TM19电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n运放运放A1A1构成光电流构成光电流/ /电压变换器，电压变换器，A2A2构成电压构成电压/ /电电流变换器；该电路可构成光控装置。流变换器；该电路可构成光控装置。n光敏二极管的应用电路光敏二极管的应用电路照度计照度计20TM20电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 白天，亮度大于一定程度时，光敏二极管白天，亮度大于一定程度时，光敏二极管D D呈现低阻状态呈现低阻状态1K1K，使三极，使三极管管V V截止，其发射极无电流输出，单向可控硅截止，其发射极无电流输出，单向可控硅VSVS因无触发电流而阻断。此因无触发电流而阻断。此时流过灯泡时流过灯泡H H的电流的电流2.2mA,2.2mA,灯泡灯泡H H不能发光。电阻不能发光。电阻R1R1和稳压二极管和稳压二极管DWDW使三使三极管极管V V偏压不超过偏压不超过6.8V6.8V，对三极管起保护作用。夜晚，亮度小于一定程度，对三极管起保护作用。夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管时，光敏二极管D D呈现高阻状态呈现高阻状态 100K100K，使三极管，使三极管V V正向导通，发射极正向导通，发射极约有约有0.8V0.8V的电压，使可控硅的电压，使可控硅VSVS触发导通，灯泡触发导通，灯泡H H发光。发光。RPRP是清晨或傍晚实是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。现开关转换的亮度选择元件。 n光敏二极管的应用电路光敏二极管的应用电路光控电子开关光控电子开关此处光敏二此处光敏二级管的连接级管的连接还待斟酌还待斟酌21TM21电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 常用光敏器件常用光敏器件光敏三极管光敏三极管22TM22电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光敏三极管受光面通过电流，使光敏三极管受光面通过电流，使T T饱和，饱和，74HC409374HC4093输出高电平输出高电平，圆盘转动输出脉冲序列，测得脉冲个数和圆盘每周孔数，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。即可算出旋转的转速及转角。n光敏三极管的应用电路光敏三极管的应用电路光电测速装置光电测速装置23TM23电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 光电传感器光电传感器常用光敏器件常用光敏器件光电耦合器光电耦合器 在光电耦合器输入端加电在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一端引出，这样就实现了电一光一电的转换。光一电的转换。n 功能：功能：隔离、控制作用隔离、控制作用接口电路接口电路构成逻辑电路构成逻辑电路24TM24电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光耦器件应用电路举例光耦器件应用电路举例（1 1）机械有触点开关量输入接口电路）机械有触点开关量输入接口电路25TM25电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光耦器件应用电路举例光耦器件应用电路举例（2 2）电子无触点开关量输入接口电路）电子无触点开关量输入接口电路26TM26电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光耦器件应用电路举例光耦器件应用电路举例（3 3）直流继电器接口电路）直流继电器接口电路27TM27电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光耦器件应用电路举例光耦器件应用电路举例（4 4）交流接触器接口电路）交流接触器接口电路28TM28电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光耦器件应用电路举例光耦器件应用电路举例（5 5）固态继电器接口电路）固态继电器接口电路29TM29电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n光耦器件应用电路举例光耦器件应用电路举例（6 6）交流电源过零检测器）交流电源过零检测器30TM30电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 光电传感器光电传感器补充：热释电人体红外传感器补充：热释电人体红外传感器基本原理：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0.110Hz，1mV左右的微弱信号。31TM31电子系统设计电子系统设计 成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 石坚石坚 n热释电人体红外传感器应用电路热释电人体红外传感器应用电路报警电路报警电路图图+ +、- -标反标反！