電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新訓(xùn)練(提高)第一章常用傳感器及測(cè)量電路

1、電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新訓(xùn)練(xnlin)（提高）校電工(dingng)電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心梁 偉共四十六頁(yè)課程(kchng)簡(jiǎn)介電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練（提高部分）是針對(duì)電子信息過(guò)程、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子、物理等電子類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)實(shí)踐應(yīng)用類(lèi)課程，適合大三年級(jí)學(xué)生選修。本門(mén)課程是電子類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)的補(bǔ)充，重點(diǎn)是實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)。課程主要內(nèi)容為傳感器與檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)接口技術(shù)等課程相關(guān)的實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)。通過(guò)系統(tǒng)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)接口技術(shù)等實(shí)踐應(yīng)用培訓(xùn)，比較全面地提高學(xué)生在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的能力，使學(xué)生掌握基本的科學(xué)研究方法。實(shí)驗(yàn)室授課，課堂為32學(xué)時(shí)(xush)，課程開(kāi)設(shè)同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室額外提供實(shí)踐環(huán)

2、節(jié)訓(xùn)練機(jī)會(huì)，初步定為兩個(gè)實(shí)踐設(shè)計(jì)活動(dòng)。通過(guò)典型的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、新型器件的應(yīng)用以及新型技術(shù)的應(yīng)用，逐步提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)培訓(xùn)與實(shí)踐訓(xùn)練，力爭(zhēng)使學(xué)生在專(zhuān)業(yè)能力與社會(huì)能力方面獲得全面提高。首先提高學(xué)生的就業(yè)與升學(xué)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，團(tuán)體協(xié)調(diào)、合作的精神，鍛煉獨(dú)立工作能力和自我管理能力，培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)能力，為進(jìn)入社會(huì)打下良好基礎(chǔ)。共四十六頁(yè)每周學(xué)時(shí)：4，具體教學(xué)環(huán)節(jié)安排(npi)如下： 教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)時(shí)數(shù) 課程內(nèi)容講課實(shí)驗(yàn)習(xí)題課討論課上機(jī)課外實(shí)踐其他傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用6C51編程應(yīng)用基礎(chǔ)2常用A/D，D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用介紹4常用

3、典型外設(shè)使用方法與編程技術(shù)6通訊應(yīng)用4系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例(2)10跨越時(shí)段合計(jì)32共四十六頁(yè)第一章 常用(chn yn)傳感器及測(cè)量電路1-1 傳感器的組成和分類(lèi) 傳感器定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 在有些學(xué)科領(lǐng)域, 傳感器又稱(chēng)為敏感元件、檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換器等。這些不同提法, 反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中, 只是根據(jù)器件用途對(duì)同一類(lèi)型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語(yǔ)(shy)而已。 如在電子技術(shù)領(lǐng)域, 常把能感受信號(hào)的電子元件稱(chēng)為敏感元件, 如熱敏元件、磁敏元件、 光敏元件及氣敏元件等, 在超聲波技術(shù)中則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換, 如壓電式換能器。這些提法在含義上

4、有些狹窄, 而傳感器一詞是使用最為廣泛而概括的用語(yǔ)。 無(wú)論檢測(cè)的對(duì)象是電量或者非電量，傳感器的輸出信號(hào)通常是電量, 它便于傳輸、 轉(zhuǎn)換、 處理、 顯示等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。 共四十六頁(yè) 通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 其中, 敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分; 轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱, 因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用, 傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。

5、 此外, 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助(fzh)的電源, 因此, 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。共四十六頁(yè) 傳感器的分類(lèi)：目前一般采用兩種分類(lèi)方法: 一是按被測(cè)參數(shù)分類(lèi), 如溫度壓力、位移、速度等; 二是按傳感器的工作原理(yunl)分類(lèi), 如應(yīng)變式、電容式、壓電式、 磁電式等。 對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人來(lái)說(shuō), 應(yīng)先從工作原理出發(fā), 了解各種各樣傳感器,而對(duì)工程上的被測(cè)參數(shù)應(yīng)著重于如何合理選擇和使用傳感器。 本課程僅介紹幾種常見(jiàn)傳感器及應(yīng)用，大量關(guān)于傳感器方面的指示內(nèi)容請(qǐng)同學(xué)自行查找資料學(xué)習(xí)。具體有的專(zhuān)業(yè)可能在傳感器原理及應(yīng)用、過(guò)程檢測(cè)及儀表和

6、測(cè)試技術(shù)等課程獲得部分相應(yīng)知識(shí) 。 共四十六頁(yè)1-2 常用(chn yn)溫度傳感器 溫度參數(shù)是生活和生產(chǎn)中接觸最多的物理量，它的測(cè)量方法也是非常的多，工業(yè)上的應(yīng)用典型有熱電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器，汽車(chē)和民用行業(yè)上常用熱敏電阻、模擬式半導(dǎo)體測(cè)溫芯片及數(shù)字式測(cè)溫芯片等傳感器。本小節(jié)對(duì)熱電阻溫度傳感器等幾種常見(jiàn)傳感器的簡(jiǎn)單原理及測(cè)量方法做一下簡(jiǎn)潔。 一、 熱敏電阻 熱敏電阻是一種對(duì)熱敏感的電阻元件，一般用金屬氧化物等半導(dǎo)體材料做成。它的主要特點(diǎn)是：靈敏度高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測(cè)出10-6溫度變化；外型小，元件尺寸可做到直徑為0.2mm，能夠測(cè)出一般溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量

7、的空隙、腔體、內(nèi)孔及生物體血管等處的溫度。它一般有正溫度系數(shù)（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）兩種，PTC常用于過(guò)流保護(hù)，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻常用于溫度測(cè)量和控制。目前半導(dǎo)體熱敏電阻還存在一定缺陷，主要是互換性和穩(wěn)定性還不夠理想(lxing)，雖然近年有明顯改善，但仍比不上金屬熱電阻，其次是它的非線性嚴(yán)重，且不能在高溫下使用，因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。共四十六頁(yè)圖1-1 簡(jiǎn)易(jiny)的熱敏電阻控溫電路原理圖 因?yàn)榱畠r(jià)及使用(shyng)方便，熱敏電阻在民用電子產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用，圖1-1就是一個(gè)采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行溫度控制的電路。它使用(shyng)廉價(jià)的運(yùn)放LM358做比較器，調(diào)整R3，使

8、比較器在設(shè)定點(diǎn)溫度處恰好翻轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)方式的溫度控制過(guò)程。電路工作原理如下： 首先選擇合適的熱敏電阻，例如需要控制對(duì)象為恒溫水浴，目標(biāo)溫度為80，則可以選擇在80時(shí)阻值3K左右的熱敏電阻，R3則選擇5K電位器。使用其他方法先獲得穩(wěn)定的80恒溫水浴，在設(shè)備中安置好熱敏電阻，調(diào)整R3并使用萬(wàn)用表檢測(cè)LM358的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)后即調(diào)整完畢。安裝好加熱器后，設(shè)備就可以工作了，當(dāng)水浴溫度低于設(shè)定時(shí)，RT阻值增大，則LM358輸出高電平，固態(tài)繼電器導(dǎo)通，開(kāi)始加熱。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定時(shí)，RT減小，LM358翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，固態(tài)繼電器截至停止加熱。周而復(fù)始，完成了開(kāi)關(guān)式溫度調(diào)節(jié)過(guò)程。需要指出的是，這種控制方式會(huì)有一定

9、的調(diào)節(jié)過(guò)沖，控制精度不高，只適合要求較低的控制場(chǎng)合。共四十六頁(yè) 玻璃封裝NTCPTC（自恢復(fù)(huf)保險(xiǎn)絲） NTC常見(jiàn)熱敏電阻(r mn din z)的形式共四十六頁(yè)二、 熱電阻溫度傳感器應(yīng)用 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類(lèi), 一般把金屬熱電阻稱(chēng)為熱電阻, 而把半導(dǎo)體熱電阻稱(chēng)為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-200+850范圍(fnwi)內(nèi)的溫度，工業(yè)上常用Cu50和Pt100兩種熱電阻，它們?cè)?時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)阻值分別是50和100。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高, 能夠作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻一般采用繞

10、制或者薄膜蒸鍍的方式制作，采用陶瓷或者玻璃等材料進(jìn)行封裝。12345圖1-2 云母骨架電阻體結(jié)構(gòu)(jigu)1云母片骨架； 2鉑絲； 3銀絲引出線；4保護(hù)用云母； 5綁扎用銀帶共四十六頁(yè)圖1-3 帶保護(hù)(boh)套管的熱電阻 由于熱電阻(dinz)要安裝在被測(cè)環(huán)境中，距離電阻(dinz)測(cè)量裝置有一定距離，這樣實(shí)際測(cè)量的時(shí)候就會(huì)帶來(lái)導(dǎo)線電阻(dinz)的誤差，因此實(shí)際使用熱電阻(dinz)的時(shí)候都是采用三線制連接方法。見(jiàn)圖1-4是一個(gè)熱電阻(dinz)檢測(cè)電路，它采用三線制連接，通過(guò)電路處理，剔除了導(dǎo)線電阻(dinz)的影響并獲得了與熱電阻(dinz)阻值成正比的電壓輸出。共四十六頁(yè)圖1-4

11、三線(sn xin)制熱電阻檢測(cè)原理圖 圖1-4中，使用了一片TLC2252運(yùn)算放大器，放大器U1:A設(shè)計(jì)了一個(gè)恒流源，為電阻體提供了一個(gè)I=VR/R2的恒流，其中VR=2.5V。一般情況下，為避免激勵(lì)電流產(chǎn)生的熱量影響測(cè)量精度，每種熱阻都有最低限制，一般要求3mA以下，本例為1mA。電阻體RT采用三線制連接，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，三根導(dǎo)線采用相同規(guī)格，相同的長(zhǎng)度，因此三根導(dǎo)線實(shí)際電阻相等，有RL=RL1=RL2=RL3。運(yùn)放U1:B是一個(gè)差動(dòng)放大器，并有R3=R4=R6=R7=，R5=R8。當(dāng)差動(dòng)放大器的輸入端電阻R3、R4、R6、R7比較大時(shí)，可以忽略熱電阻自身電阻對(duì)放大反饋過(guò)程的影響，簡(jiǎn)單分析會(huì)得

12、到：VO=I*(RT+2*RL)-2*I*RL=I*RT，顯見(jiàn)，運(yùn)算過(guò)程最終結(jié)果剔除了導(dǎo)線電阻的影響，根據(jù)具體量程設(shè)置合適的放大倍數(shù)就能夠得到合適的輸出幅度進(jìn)行(jnxng)后續(xù)處理。共四十六頁(yè) 在上面的例子中，只是獲得了I*RT的結(jié)果，要獲得實(shí)際溫度值，還需要繼續(xù)處理，對(duì)于簡(jiǎn)單的顯示儀表，只需要使用差動(dòng)加法器扣除0時(shí)的電壓輸出值即可，但也只適用于Cu50這樣的阻值線性變化的傳感器，而對(duì)于Pt100，則輸出是非線性的，需要進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)(tngsh)，恒流源本身也存在溫度穩(wěn)定性問(wèn)題。一般情況下，現(xiàn)代的測(cè)量系統(tǒng)都是采用MCU來(lái)做控制核心的，此時(shí)測(cè)量和線性化處理就是一件簡(jiǎn)單的工作了，見(jiàn)圖1-4就是

13、一個(gè)智能的高精度熱電阻測(cè)溫前置電路。 如圖1-5，它是一個(gè)采用恒壓分壓法精密測(cè)量三線制熱電阻阻值的智能檢測(cè)電路。它采用16位的-型AD7705作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)具有雙差動(dòng)輸入通道，低功耗16位的-型高精度A/D轉(zhuǎn)換器，輸入帶有可編程放大器。系統(tǒng)控制CPU采用了PHILIPS公司新型51兼容單片機(jī)P89LPC931，這里沒(méi)有畫(huà)出，整體上是一個(gè)低功耗檢測(cè)系統(tǒng)。它可以嵌入到任何需要高精度溫度測(cè)量及低功耗的智能設(shè)備中，下面對(duì)檢測(cè)原理進(jìn)行逐步介紹。共四十六頁(yè)圖1-5 智能(zh nn)高精度三線制熱電阻前置檢測(cè)電路原理圖共四十六頁(yè) 電阻體RT接成了三線制，RL為三根導(dǎo)線電阻，一般每根導(dǎo)線實(shí)際電阻在

14、5之內(nèi)。電阻體與測(cè)量電路以A、B、C三點(diǎn)連接，實(shí)際上是與電阻R構(gòu)成了對(duì)電壓VREF的分壓電路。當(dāng)在VREF和R是已知的前提下，通過(guò)檢測(cè)VAB和VAC，我們就能夠通過(guò)計(jì)算的方法得到(d do)RT，從而求的實(shí)際溫度。VAB和VAC的檢測(cè)由AD7705完成，這里采用了8倍前置增益，通道1檢測(cè)VAC，通道2檢測(cè)VAB。參見(jiàn)圖1-5，我們很容易可以獲得如下的關(guān)于VAB和VAC的關(guān)系式1和2，它們實(shí)際上是以RT和RL為未知數(shù)的二元一次方程，我們很容易求解出RT，即關(guān)系式3。 VAB=VREF*RL/（R+RT+2*RL） 關(guān)系式1 VAC=VREF*（RT+2*RL）/（R+RT+2*RL） 關(guān)系式2

15、RT=R*（VAC-2*VAB）/（VREF-VAC） 關(guān)系式3 求解出RT，就可以根據(jù)阻值與溫度的關(guān)系表間接推算出實(shí)際測(cè)量的溫度。如果采用國(guó)標(biāo)中給出的Rt（t）函數(shù)公式加試差法推導(dǎo)溫度值，并采用浮點(diǎn)運(yùn)算，能夠獲得極高精度，采用C51可以很容易實(shí)現(xiàn)。共四十六頁(yè) 上面求解測(cè)量溫度的過(guò)程中是把R和VREF都作為已知參數(shù)來(lái)處理的。但實(shí)際上，R為高穩(wěn)定性的金屬膜電阻，它的精度為0.1%，VREF取自LM285，它的出廠穩(wěn)定值范圍為1.2350.01V，這樣的誤差對(duì)于高精度測(cè)量是不允許的，解決的辦法就是對(duì)它們進(jìn)行校準(zhǔn)。 解決這個(gè)校準(zhǔn)問(wèn)題也不復(fù)雜(fz)，方法是使用兩個(gè)不同電阻值的模擬電阻來(lái)進(jìn)行兩次測(cè)量，

16、然后求解出R和VREF，模擬的電阻可以使用高精度電阻箱。例如第一次接入R1=100，第二次接入R2=200，會(huì)得到如下的關(guān)系式4、5、6、7，根據(jù)它們，可以求解出關(guān)系式8、9、10，從而獲得校準(zhǔn)后的R和VREF，然后把獲得的校準(zhǔn)值存入系統(tǒng)中的EEPROM，就可以作為正式測(cè)量RT時(shí)的已知參數(shù)了。 共四十六頁(yè)具體(jt)關(guān)系式如下：VAB1=VREF*RL/（R+R1+2*RL） 關(guān)系式4VAC1=VREF*（R1+2*RL）/（R+R1+2*RL）關(guān)系式5VAB2=VREF*RL/（R+R2+2*RL） 關(guān)系式6VAC2=VREF*（R2+2*RL）/（R+R2+2*RL）關(guān)系式7RL=VAB1

17、*R1/(VAC1-2*VAB1) 關(guān)系式8R=(VAB1*(R2+2*RL)*(R1+2*RL)-RL*VAC2*(R2+2*RL)/ (RL*VAC2-VAB1*(R2+2*RL) 關(guān)系式9VREF=VAC1*(R+R1+2*RL)/(R1+2*RL) 關(guān)系式10共四十六頁(yè)三、半導(dǎo)體溫度傳感器 因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)非常普遍使用的環(huán)境參數(shù)，許多半導(dǎo)體生產(chǎn)商設(shè)計(jì)生產(chǎn)了多種芯片級(jí)的溫度傳感器，主要分為模擬輸出(shch)和數(shù)字輸出(shch)兩類(lèi)。后面章節(jié)介紹了幾種數(shù)字式溫度測(cè)量芯片，本小節(jié)僅對(duì)常用的模擬輸出(shch)測(cè)溫芯片AD590及PN結(jié)溫度傳感器做簡(jiǎn)單介紹。1、AD590 AD590是一個(gè)溫

18、度控制恒流源芯片，它是一個(gè)兩端器件，只要提供436V直流電壓，它就輸出一個(gè)電流，I=K（A），其中K為絕對(duì)溫度值。也就是說(shuō)AD590的恒流與絕對(duì)溫標(biāo)溫度成正比對(duì)應(yīng)關(guān)系，每度對(duì)應(yīng)1A。在標(biāo)準(zhǔn)攝氏0時(shí)，它提供275.15A電流。只要在電流回路中串入采樣電阻，就能夠獲得電壓輸出，方便進(jìn)行溫度測(cè)量。如需要更詳細(xì)的資料，請(qǐng)讀者在ADI的網(wǎng)站上下載相應(yīng)資料（）。共四十六頁(yè)2、PN結(jié)溫度傳感器 集成溫度傳感器的測(cè)溫基礎(chǔ)是PN結(jié)的溫度特性。從模擬電子學(xué)可知，硅二極管或三極管的PN結(jié)在結(jié)電流(dinli)ID一定時(shí)，正向電壓降UD以-2mV/ 變化。在激勵(lì)電流(dinli)為零點(diǎn)幾毫安、環(huán)境溫度為20時(shí)，其UD

19、約600mV。當(dāng)環(huán)境溫度變化100時(shí)，例如從20增加到120時(shí)，其正向電壓降UD約降低了200mV。電路的測(cè)溫范圍取決于二極管許可的工作溫度范圍。大多數(shù)二極管可以在-50到150之間工作。半導(dǎo)體硅材料的PN結(jié)正向?qū)妷号c溫度變化呈線性關(guān)系，所以可將感受到溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化量。 共四十六頁(yè)3、應(yīng)用AD590設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字溫度計(jì)（分立元件） 傳感器采用AD590，A/D采用雙積分DMM用芯片(xn pin)ICL7107。后者為三位半A/D轉(zhuǎn)換器，專(zhuān)用于數(shù)字測(cè)量，直接驅(qū)動(dòng)LED。共四十六頁(yè)設(shè)計(jì)原則：1）、顯示范圍：AD590工作溫度-50150度，分辨率0.1度；2）、支持零點(diǎn)與滿度調(diào)整：（

20、1）基準(zhǔn)源選擇LM385-12，請(qǐng)同學(xué)們自行查閱基準(zhǔn)源資料，了解基準(zhǔn)源與普通電源之間區(qū)別。（2）采樣電阻選擇1K，保證1mv/電壓(diny)變化率，配合7107的0200mv輸入量程（基準(zhǔn)=100mv），同時(shí)最大150 時(shí)采樣電壓=423mv，AD590仍能夠保證超過(guò)4V供電電壓。（3）零點(diǎn)調(diào)整使用標(biāo)準(zhǔn)3296多圈電位器，為降低調(diào)整靈敏度，人為設(shè)定W1=2K，人為規(guī)定電位器上壓降為50mv，據(jù)此計(jì)算出分壓串中其它電阻；同樣，滿度參數(shù)據(jù)此計(jì)算。（4）在冰水中調(diào)零點(diǎn)；在沸水中調(diào)滿度。共四十六頁(yè)四、溫度傳感器應(yīng)用(yngyng)總結(jié)民用、系統(tǒng)內(nèi)測(cè)溫：熱敏電阻、半導(dǎo)體（模擬、數(shù)字）傳感器工業(yè)：熱電阻

21、、熱電偶等。檢測(cè)電路器件：運(yùn)算放大器：同相、反相、差動(dòng)電路；恒流電路。運(yùn)放參數(shù)：?jiǎn)坞娫?、失調(diào)電壓、共模抑制比、速度（帶寬）。精密電阻：精度、溫度穩(wěn)定性等。基準(zhǔn)源：溫度穩(wěn)定性（ppm/）、初始精度等。傳感器檢測(cè)電路技巧：熱阻三線(sn xin)制（非電量電量轉(zhuǎn)換方法）。共四十六頁(yè)1-3 常用(chn yn)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)傳感器 民用設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)及軍事上經(jīng)常需要進(jìn)行位置、速度、計(jì)數(shù)等參數(shù)檢測(cè)，因此產(chǎn)生了大量的數(shù)字信號(hào)檢測(cè)傳感器。其中應(yīng)用(yngyng)比較廣泛的有霍爾傳感器（開(kāi)關(guān)式）和光電傳感器（開(kāi)關(guān)式）。一、開(kāi)關(guān)式霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它

22、的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí), 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì), 這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)。 目前霍爾傳感器主要分為數(shù)字開(kāi)關(guān)量傳感器和模擬輸出傳感器兩類(lèi)，霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、位移及脈沖計(jì)數(shù)等方面的測(cè)量。本節(jié)主要介紹數(shù)字開(kāi)關(guān)量傳感器。共四十六頁(yè)1、典型芯片UGN3120及原理框圖 在脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器獲得了大量應(yīng)用，它也是采用單電源(dinyun)供電，外形一般也采用TO-245AA三腳封裝，如圖1-6，是Allegro公司的霍爾傳感器UGN3120的原理框圖，性能指標(biāo)如下：電源電壓：4.524V電源電流：5mA/5V輸出結(jié)

23、構(gòu)：OC門(mén)輸出濾波：斯密特觸發(fā)器有效低電平輸出：150mV翻轉(zhuǎn)靈敏度：最大350G/25使用溫度：-40150僅支持單向磁場(chǎng)檢測(cè)。共四十六頁(yè)在有些特殊場(chǎng)合下，需要極低功耗的開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，例如在使用電池供電的智能(zh nn)煤氣表應(yīng)用設(shè)計(jì)中。這時(shí)可以采用極低功耗的A3120，它的性能指標(biāo)如下：電源電壓：2.53.5V電池供電電源電流：典型8.8A /2.75V輸出結(jié)構(gòu)：OC門(mén)，低電平檢測(cè)有效，無(wú)磁場(chǎng)為高阻狀態(tài)輸出濾波：斯密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)靈敏度：最大70G，支持雙極性磁場(chǎng)使用溫度：-4085共四十六頁(yè)2、應(yīng)用 如圖1-7，是UNG3120在出租車(chē)計(jì)價(jià)器中的一個(gè)具體應(yīng)用。一般情況，計(jì)價(jià)器全部采用

24、開(kāi)關(guān)量霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)數(shù)，以此推算行走里程，具體可以在速度表線或者主軸上貼裝一片高強(qiáng)永久磁鐵，然后在適當(dāng)位置固定傳感器，這樣主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周傳感器就可以獲得一個(gè)低電平脈沖輸出。具體電路中，UGN3120與檢測(cè)系統(tǒng)之間使用了光電隔離方式，主要考慮避免電瓶供電的其它電路系統(tǒng)對(duì)計(jì)價(jià)器的干擾。此電路配合軟件控制能夠有效防止(fngzh)人為給傳感器附加脈沖的方法來(lái)加快計(jì)價(jià)器的作弊行為，電路具體工作原理分析如下：圖1-7 計(jì)價(jià)器里程(lchng)檢測(cè)傳感器電路共四十六頁(yè) 理論上，只要給UGN3120提供一個(gè)電源，就可以直接把它的輸出引入到控制MCU的一個(gè)計(jì)數(shù)器輸入端進(jìn)行計(jì)數(shù)，電路(dinl)

25、非常簡(jiǎn)單，但是這樣就給了一些希望靠欺騙手段騙取錢(qián)財(cái)?shù)娜艘粋€(gè)可乘之機(jī)，他們通過(guò)在UGN3120的輸出上附加額外的脈沖就可以給計(jì)價(jià)器加速！因此一個(gè)實(shí)際的電路不僅要考慮完成給定的任務(wù)，還需要能夠完成必要的附加任務(wù)。本電路設(shè)計(jì)中，計(jì)價(jià)器的MCU控制系統(tǒng)使用一根I/O口通過(guò)U1來(lái)控制UGN3120的電源，低電平有效。不是使用MCU的計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)，而是使用了一個(gè)外部中斷接口接收檢測(cè)的脈沖輸入，每中斷一次，累計(jì)量加一，就可以獲得里程參數(shù)。具體防作弊的方法是：每檢測(cè)到一個(gè)脈沖，在中斷服務(wù)子程序里立即關(guān)閉UGN3120的電源，正常情況因?yàn)閁GN3120的輸出關(guān)閉，OUT應(yīng)該變?yōu)楦唠娖剑@時(shí)馬上再檢測(cè)UGN31

26、20的輸出，如果此時(shí)輸出變?yōu)楦唠娖?，說(shuō)明當(dāng)前檢測(cè)到的脈沖確實(shí)是UGN3120產(chǎn)生的，是真實(shí)的計(jì)數(shù)輸入，則予以確認(rèn)，累計(jì)加一。但如果檢測(cè)到OUT繼續(xù)為低電平，只能說(shuō)明有額外的低電平脈沖加載在UGN3120的輸出OC門(mén)上，是作弊，系統(tǒng)則不進(jìn)行累加，因此就能夠防止作弊。中斷服務(wù)子程序處理完畢后重新打開(kāi)UGN3120的電源，就可以準(zhǔn)備檢測(cè)下一個(gè)脈沖了。 共四十六頁(yè)圖1-9 無(wú)附加脈沖與有附加脈沖的CP波形圖A：正常波形(b xn)B：附加了3個(gè)脈沖的波形（無(wú)防作弊處理）圖1-8 安裝了附加脈沖開(kāi)關(guān)的計(jì)價(jià)器里程檢測(cè)傳感器電路（可以使用直流電機(jī)電刷作為附加開(kāi)關(guān)，CTL=0，無(wú)防作弊(zu b)控制）共四十

27、六頁(yè)圖1-10 安裝了附加脈沖開(kāi)關(guān)的計(jì)價(jià)器里程(lchng)檢測(cè)傳感器電路（可以使用直流電機(jī)電刷作為附加開(kāi)關(guān)，使用CTL控制功能）圖1-11 使用(shyng)防作弊控制后CP波形圖如圖1-11，A為正常檢測(cè)輸出；B為加防作弊控制后波形；C作弊脈沖；D為防作弊處理后波形（含作弊脈沖）?？梢?jiàn)作弊脈沖中沒(méi)有被加入添加的高電平識(shí)別信號(hào)，因此不會(huì)被控制器認(rèn)可為傳感器輸出，被舍棄。共四十六頁(yè)圖1-12 智能作弊裝置的檢測(cè)與控制(kngzh)電路（脈沖檢測(cè)與脈沖控制(kngzh)使用MCU控制(kngzh)）共四十六頁(yè)圖1-13 圖1-12縮小(suxio)示意圖圖1-14 智能(zh nn)作弊波形圖

28、如圖1-12，通過(guò)T3，使用MCU檢測(cè)計(jì)價(jià)器的傳感器CP脈沖，檢測(cè)到CP后開(kāi)始跟蹤檢測(cè)它的上升沿。這里可以通過(guò)類(lèi)似延時(shí)去抖動(dòng)的方法剔除防作弊功能產(chǎn)生的窄高電平脈沖，依據(jù)是：CP的寬度為毫秒級(jí)，防作弊功能產(chǎn)生的窄高電平脈沖寬度為微秒級(jí)。如果需要作弊，檢測(cè)到CP下降沿后即可通過(guò)T2，人為控制加入脈沖，系統(tǒng)防作弊功能檢測(cè)到此脈沖后需要關(guān)POWER來(lái)進(jìn)行判斷，但是因?yàn)镻OWER同時(shí)控制T1作為T(mén)2的接地開(kāi)關(guān)，此時(shí)T2的接地被關(guān)斷，T2失去下拉作用，出現(xiàn)認(rèn)證脈沖，作弊成功。共四十六頁(yè)二、數(shù)字光電傳感器 光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 在光線作用下, 物體的電導(dǎo)性能改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng), 如光敏電

29、阻等就屬于這類(lèi)光電器件。在光線作用下, 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng), 如光電管、光電倍增管就屬于這類(lèi)光電器件。在光線作用下, 能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng), 即阻擋層光電效應(yīng), 如光電池、 光敏晶體管等就屬于這類(lèi)光電器件。 本節(jié)介紹數(shù)字式光電傳感器應(yīng)用，主要以光敏晶體管為核心。1、光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)關(guān)是一種利用(lyng)感光元件對(duì)變化的入射光加以接收, 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換, 同時(shí)加以某種形式的放大和控制, 從而獲得最終的控制輸出“開(kāi)”、 “關(guān)”信號(hào)的器件。一般使用紅外光。 共四十六頁(yè) 圖1 - 15為典型的光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖（a）是一種透射式的光電開(kāi)關(guān), 它的發(fā)

30、光元件和接收元件的光軸是重合的。 當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過(guò)它們之間時(shí), 會(huì)阻斷光路, 使接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光, 這樣起到檢測(cè)作用。 圖（b）是一種反射式的光電開(kāi)關(guān), 它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。 當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí), 接收元件將接收到從物體表面反射的光, 沒(méi)有(mi yu)物體時(shí)則接收不到。光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸, 而且與TTL、 MOS等電路容易結(jié)合。圖1-15 遮擋(zhdng)型與反射性光電開(kāi)關(guān)共四十六頁(yè) 光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。可在自控系統(tǒng)中用作物體檢測(cè)， 產(chǎn)品計(jì)

31、數(shù), 料位檢測(cè)，尺寸控制，安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。（介紹應(yīng)用(yngyng)電路：交流放大、施密特整形抗背景光干擾） 2、38KHz調(diào)制光電傳感器 普通開(kāi)關(guān)式光電器件在使用中會(huì)受到環(huán)境光線的干擾，在一些特殊場(chǎng)合中，較強(qiáng)背景光可能造成接收方誤動(dòng)作。 例如：紅外線遙控場(chǎng)合。紅外遙控使用的接收器件被設(shè)計(jì)成只對(duì)38KHz調(diào)制的紅外光信號(hào)敏感，如芯片DX2000L38，能消除環(huán)境可見(jiàn)光和紅外光的影響 。共四十六頁(yè)3、編碼器 將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出形式的電信號(hào)的傳感器稱(chēng)為編碼器。角編碼器又稱(chēng)碼盤(pán)，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)軸連接，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，它能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成

32、二進(jìn)制編碼或一串脈沖。角編碼器有兩種基本類(lèi)型：絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。按照結(jié)構(gòu)劃分，有機(jī)械式（電刷觸點(diǎn)）、光電式和電磁式，其中光電方式應(yīng)用比較廣泛。 每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)單位，編碼器就輸出一個(gè)脈沖，故稱(chēng)之為增量式；它一般還提供(tgng)輔助方向輸出和零位輸出。可以通過(guò)累計(jì)獲得轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速并計(jì)算相對(duì)位置。（簡(jiǎn)單應(yīng)用：鼠標(biāo)滾輪）共四十六頁(yè) 以某一點(diǎn)為參考原點(diǎn)，數(shù)據(jù)線始終輸出編碼器軸的當(dāng)前位置偏離原點(diǎn)的距離的數(shù)據(jù)信息，是稱(chēng)絕對(duì)式編碼器。比如，一款10位BCD碼輸出的編碼器分辨率為360C/T，那么(n me)每個(gè)單位對(duì)應(yīng)1，如果軸偏離原點(diǎn)一個(gè)單位，也就是處在1的位置，那么(n me)輸出000000000

33、1，如果偏離50，也就是在50的位置，那么(n me)輸出就是0001010000。絕對(duì)式編碼器總是輸出當(dāng)前位置信息。（機(jī)器人手臂當(dāng)前位置反饋）圖1-16 四位(s wi)分辨率碼盤(pán)示意共四十六頁(yè)幾種(j zhn)很常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)量傳感器共四十六頁(yè)三、總結(jié)1、開(kāi)關(guān)量傳感器是工作與模擬式器件的基礎(chǔ)上，指示設(shè)置了工作點(diǎn)（比較點(diǎn)）。2、開(kāi)關(guān)量傳感器信號(hào)處理中也需要采用模擬電路。如：反射式光電傳感器需要抗背景光干擾。使用交流放大、施密特整形。3、傳感器的應(yīng)用與控制器結(jié)合，能夠(nnggu)實(shí)現(xiàn)許多靈活復(fù)雜應(yīng)用（計(jì)價(jià)器作弊與反作弊）4、使用同種傳感器原理，配合不同機(jī)構(gòu)，能夠組成不同用途的新傳感器。例如：阻擋

34、式光電開(kāi)關(guān)、反射式光電開(kāi)關(guān)、碼盤(pán)等。共四十六頁(yè) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱(chēng)為波動(dòng), 簡(jiǎn)稱(chēng)波。頻率在162104 Hz之間, 能為人耳所聞的機(jī)械波, 稱(chēng)為聲波; 低于16 Hz的機(jī)械波, 稱(chēng)為次聲波; 高于2104 Hz的機(jī)械波, 稱(chēng)為超聲波。 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等, 而以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷, 這種傳感器統(tǒng)稱(chēng)(tngchng)為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的: 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng), 從而產(chǎn)生超聲波, 可作為發(fā)射探頭; 而利用正壓電效應(yīng), 將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 可用為

35、接收探頭。 利用聲波在界面的反射特性，典型應(yīng)用：測(cè)距、測(cè)厚、探傷。 1-4 超聲波傳感器共四十六頁(yè)一、超聲波測(cè)距圖1-17 超聲波測(cè)距模板(mbn)S=2vtS：被測(cè)距離；v：空氣中聲速(shn s)t：超聲波往返時(shí)間。A：發(fā)射波，B：發(fā)射干擾，實(shí)際測(cè)量需要躲避，C：障礙回波共四十六頁(yè) 電路由：發(fā)射、接收、放大、鑒頻、控制MCU等組成。 發(fā)射：測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行程序來(lái)產(chǎn)生。測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管T進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，驅(qū)動(dòng)超聲波

36、發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，具體分發(fā)射控制周期個(gè)數(shù)與測(cè)量(cling)距離相關(guān)。 共四十六頁(yè)圖1-19 加裝升壓(shn y)變壓器發(fā)射驅(qū)動(dòng) 發(fā)射波形周期個(gè)數(shù)越少，發(fā)射與接收的脈沖(michng)越窄，容易精確測(cè)量時(shí)間。但是同時(shí)也使接收獲得的激勵(lì)能量小，測(cè)量距離短。 如果發(fā)射周期個(gè)數(shù)多，能夠獲得較大的接收回波。但是這樣使發(fā)射激激帶來(lái)較大的接收干擾，控制電路必須設(shè)置較大的盲區(qū)時(shí)間。即：發(fā)射后需要延時(shí)等待干擾波結(jié)束，然后才能接收可能的真實(shí)回波。這段等待時(shí)間就造成了測(cè)量上的盲區(qū)，在小的距離內(nèi)無(wú)法使用超聲波進(jìn)行測(cè)量。 發(fā)射強(qiáng)度與盲區(qū)的矛盾可以通過(guò)使用升壓變壓器來(lái)解決。一般使用鐵氧體高頻磁芯變壓器。能夠數(shù)十倍提高發(fā)射電壓峰值，唯一的限制就是傳感器本身的耐壓。共四十六頁(yè) 接收及放大：接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。許多時(shí)候，接收傳感器原則上可以使用與發(fā)射傳感器同型號(hào)的傳感器。超聲波傳感器用于空氣中距離測(cè)量(cling)時(shí)，一般固定使用40KHz的工作頻率，故此接收傳感器也僅對(duì)40KHz的頻率敏感（共振效應(yīng)）。 放大電路采用了兩級(jí)級(jí)聯(lián)的電容耦合放大器，每級(jí)的放大倍數(shù)一般最大可以設(shè)置到100倍（普通LM358低速運(yùn)放可能只能放大10倍），可以因測(cè)量距離靈敏度決定。