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1、,传感器及其接口电路,王丽佳,信息工程与自动化系,任务描述,教学目标,一、传感器组成,敏感元件：传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成被测量有确定关系、更易于转换的非电量。转换元件：将敏感元件感受的被测量转换为易于传输和测量的电信号转换电路：将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流、频率。 有一些传感器的敏感元件和转换元件是二者合一的。热电偶、压电晶体，光电器件。,定义 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示:,二.传感器的分类,11,三、传感器的应用,工业生产 倍增器,科学研究 先行官,社 会 物化法官,军
2、事 战斗力,12,工业生产倍增器,检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%,13,检测技术在工业生产领域的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.,14,15,检测技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、 尺寸与形位公差、 品质参数作 用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占 5070%,16,检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通
3、轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,17,18,无人驾驶汽车：演示雷达传感器录像机激光测距仪,19,检测技术在日常生活中的应用与日俱增,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换
4、-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测 - 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器,智能家居演示 WigWag演示，手机中的传感器,20,科学研究的先行官,诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”,俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”,近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人,21,军事战斗力,1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占
5、8%,2003年伊拉克战争 90%,1994年美国防部建立自动测试系统执行局,立体作战,22,检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。,23,美国国家导弹防御计划-NMD,检测技术在国防领域的应用,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,24,检测技术在航天领域举足轻重,飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,火箭测控 - 检测火箭状况
6、、姿态、轨迹,25,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器，,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、,神州飞船：,185台（套）仪器装置,26,“物化法官”,检查产品质量,监测环境污染(PM2.5振荡天平技术、Beta射线技术、Beta射线光浊度技术和光散射技术为主),识别指纹假钞,查服违禁药物(毒品：激光拉曼光谱检测仪)；酒精探测器,侦破刑事案件,27,教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、,涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空,四、传感器的主要特性参数 1）.灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变
7、化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：,3）. 线性度与非线性误差 线性度是用实测的检测系统输入输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的，如下图所示。 线性度可用非线性误差来表示，计算式为：,4）. 迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间，输入输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程输出YFS的百分数表示，如下式：,五、传感器接口电路,1 输出信号的特点 1）由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。 例如，尽管都是力传感器，随作用外力变化,电阻应变片输出的是不同的电阻，压电传感器输出
8、不同的电荷,电容传感器输出变化的电容,电感传感器输出变化的电感量.表1列出了传感器的一般输出形式。,表1 传感器的输出信号形式,2）.传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1V。3）.传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。 4）.传感器的输出信号动态范围很宽。5）.传感器的输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。6）.传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。,2 输出信号的处理方法目的： 1）提高测量系统的测量精度， 2）提高测量系统的线性度， 3）抑制噪声。 4）由传感器的接口电
9、路处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。 5）完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。典型的应用接口电路，如表2所示。,表2 典型的传感器接口电路,常用接口电路1）.阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。 半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。 场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上，可作阻抗匹配器。,2） .电桥电路 直流电桥,直流电桥的基本电路,电桥的输出电压可由下式给出，即：,UOU
10、T =,电桥的平衡条件为： R2R4= R1R3,当电桥平衡时，输出电压为零。,当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为：,UOUT =,若取,则：,UOUT,当a=1时，输出灵敏最大，此时：,UOUT =,如果R1=R2=R3=R4时，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而非线性误差最小， 因此在传感器的实际应用中多采用四等臂电桥。,交流电桥 如下图所示。其中Z1和Z2为阻抗元件，它们同时可以为电感或电容，电桥两臂为差动方式，又称为差动交流电桥。在初始状态时，Z1=Z2=Z0电桥平衡，输出电压等于UOUT =0。 测量时一个元件的阻抗增加，
11、另一个元件的阻抗减小，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，则电桥的输出电压为：,电感式传感器配用的交流电桥,3）.放大电路 传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。 目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。A 反相放大器 反相放大器的输出电压，可由下式确定，即：,UOUT = -,Uin,放大电路,B 同相放大器 同相放大器的输出电压为：,UOUT = (,)Uin,输出电压与输入电压同相,而且其绝对值也比反相放大器多1。C 差动放大器 差动放大器的输出电压为：,UOUT =,(U2-U1),差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。,3.传感器与放大电路配接的示例 应变式传感器作为电桥的一个桥臂，在电桥的输出端接入一个输入阻抗高、共模抑制作用好的放大电路。 当被测物理量引起应变片电阻变化时，电桥的输出电压也随之改变，以实现被测物理量和电压之间的转换。,谢谢!,
