第三章 传感器应用技术

本章主要内容 一、传感技术概述 八、常用运算放大器 二、传感器的定义 九、比较器 三、传感器的分类 十、传感器的选择 四、传感器的应用 十一、传感器的正确使用 五、常用传感器 十二、传感放大器设计注意事项 六、传感信号处理流程 十三、调试注意事项 七、传感器的放大电路 十四、光电编码器

一、传感技术概述 传感技术是实现自动化的关键技术之一。 传感器已广泛地应用到了工业、农业、环境保护、交通运输、国防以及日常工作与生活等各个领域中。 开发新的敏感材料是研制新型传感器的关键。功能陶瓷材料、高分子有机敏感材料、生物活性物质（如酶、激素等）和生物敏感材料（如微生物、组织切片）都是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料。 微型化、多维多功能化、集成化、数字化及智能化是传感器的发展方向。

二、传感器的定义 定义：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 定义包含的意思 传感器是测量装置，能完成检测任务 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量 输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度

二、传感器的定义 传感器基本组成 输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。 敏感元件 调理电路 转换元件 被测量 中间量 输出电量 转换元件： 将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有些敏感元件和转换元件的功能由一个元件（敏感元件）实现的。 调理电路： 将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。 敏感元件： 它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

三、传感器的分类 按工作机理分类 结构型传感器： 利用传感器的结构参数变化来实现信号转换的传感器 物性型传感器： 在实现转换的过程中，传感器的结构参数基本不变，而是依靠传感器中敏感元件内部的物理或化学性质的变化来实现检测功能的。

三、传感器的分类 按能量转换情况分类 能量控制型传感器。如电阻式、电感式、电容式等传感器。 能量转换型传感器。如基于光电效应等的传感器。 按用途分类 按电信号类型分类 位移传感器 压力传感器 振动传感器 温度传感器 速度传感器等 模拟量传感器 数字量传感器 开关量传感器

位移、速度、力、力矩、压力、真空、流速、液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、射线、气体成分、粘度、浓度等 三、传感器的分类 根据输出量分类 位移、速度、力、力矩、压力、真空、流速、液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、射线、气体成分、粘度、浓度等

四、传感器的应 家用电器 ——节能 汽车电子控制 ——节能 机器人 ——完成复杂工作 航空航天技术 ——陀螺仪，加速计 生物医学领域 ——各种治疗仪，诊视仪 军事领域 ——无线传感（zigbee）

五、常用传感器 直接： 光电、压力应变、红外、温度、超声波、霍尔、气体等 间接： 速度、加速度、码盘、称重、测距、感 应等

五、常用传感器 利用温度敏感元件制成的传感器 电阻式—变化量大、非线性 金属铂—线性度好、测量范围大、 精度高、需精密放大器 集成式温度传感器： ad590、ds1820 将被测物体的应变量转换为可测值（电流、电压）的装置 金属栅格、表面膜、半导体材料 应用在称重、加速度、拉力、力矩等 利用红外光线敏感器件制作的传感器 红外发射管、红外接收管 阻断检测、反射检测 工作原理：利用光电效应 主要变换器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 传感器种类：光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等 利用霍尔效应制作的传感器。 区别于磁敏电阻(半导体的磁阻效应制造的 ) 用途：测速、路径、铁磁性金属探测 利用超声波检测技术，实现被测量的转换。 常用在距离测量、无损检测 引申断面、裂缝测量分析 1）光电式 2）压力应变 3）红外传感器 4）温度传感器 5）超声波传感器 6）霍尔传感器 7）气敏传感器 工作原理：利用光电效应 主要变换器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 传感器种类：光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式等

六、传感信号处理流程

七、传感器的放大电路 电桥，差动放大器，光电变换器，电容变换器，移相器，相敏检波器，电荷放大器，涡流变换器，电压放大器，低通滤波器 。

八、常用运算放大器 普通运算放大器： lm324、op07、tl084、ne5532； 组合放大器：上述一种或几种放大器组合； 集成精密仪表放大器： ad620、ad526、ad624。

八、常用运算放大器 LM324 反相交流放大电路 同相交流放大电路 直流放大电路

八、常用运算放大器 NE5532 NE5534

八、常用运算放大器 AD620

九、比较器LM139、239、339

十、传感器的选择 1.测试要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。 2.传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。 3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。

十一、传感器的正确使用 1.线性化处理与补偿 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。 2.传感器的标定 传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。

十一、传感器的正确使用 3.抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。

十一、传感器的正确使用 1）屏蔽 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。

十一、传感器的正确使用 2）接地 电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。

十一、传感器的正确使用 3）隔离 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。

十一、传感器的正确使用 4）滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。

十二、传感放大器设计注意事项 放大器噪声 工频噪声（注意地线、信号线走向） 非屏蔽引线噪声（尽量使用屏蔽线） 宽带自激噪声（反馈回路加电容） 电流噪声（电阻大小选择、静态电流） 感应噪声（调整电位器时采用无感应调节棒）

十二、传感放大器设计注意事项 注意事项 在传感信号的输入端设置可调电位器 运放单级放大倍数不宜太高，可采用多级放大 同一芯片上不用的放大器输入端接地

十三、调试注意事项 对原理理解透彻的情况下做到细致、耐心。 对遇到的偶发问题一定要找到具体原因，不能存侥幸心理。 分离元件驱动电路调试中注意驱动逻辑可能带来器件损坏。 功率器件接口时必须考虑接口的可靠性，保证线径。

十四、光电编码器 1.增量式编码器结构

十四、光电编码器 2.增量式编码器工作原理 鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。

十四、光电编码器 3.绝对式编码器原理 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码

十四、光电编码器 黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。

十四、光电编码器 工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。

十四、光电编码器 4.绝对式编码器非单值性误差的消除 这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。 (1)循环码盘(或称格雷码盘) 右图所示为四位二进制循环码。

十四、光电编码器 (2)带判位光电装置的二进制循环码盘 该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。

附：TTL与CMOS的区别 74LS是TTL电路的一个系列，TTL电路以双极型 晶体管为开关元件所以以称双极型（电子和空穴）集成电路。 74HC是CMOS电路，CMOS电路是MOS电路中的主导产品。MOS电路以绝缘栅场效应晶体管为开关元件。所以又称单极型集成电路。按其导电沟道的类型，MOS电路可分为PMOST 、NMOS和CMOS电路。CMOS电路沿着4000A--4000B/4500B（统一称为4000B）--74HC--74HCT系列高速发展。 HCT系列还同TTL电平兼容，扩大了应用范围。 CD代表标准的4000系列CMOS电路，我国生产的CMOS电路系列为“CC4000B”

附：TTL与CMOS的区别 电压：TTL工作电压范围为5V正负左右。CMOS为3--18V左右。 频率特性：标准TTL电路在5MHZ以下，一般COMS在100KHZ以下。 速度*功耗积：（在100KHZ时，单位为PJ）标准TTL电路和为100。标准CMOS为11。 最小输出的驱动电流（单位MA，输出低电平0.4V）标准输出：标准TTL系列为16。标准COMS（4000系列为16，74系列为4）。

附：TTL与CMOS的区别 大电流输出：标准TTL为48。标准COMS（4000为16，74系列为6）。 扇出能力：标准TTL为系列为40（大电流输出为120）。标准COMS（4000系列为4，74系列为10，大电流输出为4，15）。 最大输入电流（单位MA，输出低电平4V）：标准TTL系列为-1.6。COMS（4000系列为正负0.001，74系列为负0.001）。 输入阻抗：COMS可达10M，TTL为5M。

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