传感器原理及应用第十章-集成智能传感器课件

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1、第第1010章章 集成化智能传感器集成化智能传感器 随着科技的发展，传感器也正朝着集成化，智能化的方向发展。集成或者智能传感器越来越多的走入到人们的生活中来。集成/智能传感器也因为其应用方便，测量精度高，性能稳定而被越来越多的工程技术人员青睐。10.1 10.1 集成集成/ /智能传感器的基本概念智能传感器的基本概念一一 集成传感器的基本概念集成传感器的基本概念二二 智能传感器的基本概念智能传感器的基本概念三三 智能传感器的特点智能传感器的特点 10.2 10.2 集成集成/ /智能传感器的分类智能传感器的分类10.3 10.3 常用集成常用集成/ /智能传感器的工作原理智能传感器的工作原理一

2、一 集成温度传感器集成温度传感器二二 集成湿度传感器集成湿度传感器三三 转速传感器转速传感器四四 陀螺仪和加速度传感器陀螺仪和加速度传感器五五 超声波传感器超声波传感器六六 集成电流传感器集成电流传感器七七 磁场传感器磁场传感器八八 编码器编码器10.1.1 10.1.1 集成化传感器的功能与特点集成化传感器的功能与特点 集集成成传感感器器是是采采用用硅硅半半导体体集集成成工工艺而而制制成成的的传感感器器，因因此此亦亦称称硅硅传感感器器或或单片片集集成成传感感器器。集集成成传感感器器的的主主要要特特点点是是功功能能强、测量量误差差小小、价价格格低低、响响应速速度度快快、传输距距离离远、体体积小

3、小、微微功功耗耗等等，适适合合远距距离离测量量、控控制制，不不需需要要进行行非非线性校准，外性校准，外围电路路简单。10.1 10.1 集成集成/ /智能传感器的基本概念智能传感器的基本概念 10.1.2 10.1.2 智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点 所所谓智智能能传感感器器(intelligent (intelligent sensorsensor或或smart smart sensor)sensor)，就就是是一一种种带有有微微处理理器器的的兼兼有有检测、判判断断与与信信息息处理理功功能能的的传感感器器。智智能能传感感器器的的最最大大特特点点就就是是将将传感感器器检测信信息息

4、的的功功能能与与微微处理理器器的的信信息息处理理功功能能有有机机融融合合在在一一起起，从从一一定定意意义上上讲，它它具具有有类似似于于人人工工智智能能的的作作用用。换而而言言之之，智智能能传感感器器就是就是带有智能芯片的集成有智能芯片的集成传感器。感器。 智能智能传感器的功能感器的功能 (1) (1) 数据存数据存储，自，自补偿和和计算算 智智能能传感感器器不不但但可可以以存存储数数据据而而且且可可以以利利用用它它的的计算算功功能能对传感感器器的的零零位位和和增增益益进行行校校正正，对非非线性性和和温温度度漂漂移移进行行补偿。这样，即即使使传感感器器的的加加工工不不太精密，通太精密，通过智能智

5、能传感器的感器的计算功能也能算功能也能获得得较精确的精确的测量量结果。果。 (2) (2) 自校正自校正和自和自诊断断 智智能能传感感器器通通过自自检软件件，能能对传感感器器和和系系统的的工工作作状状态进行行定定期期或或不不定定期期的的检测，诊断断出出故故障障的的原原因因和和位位置置并并作作出出必必要要的的响响应，发出出故故障障报警警信信号号，或在或在计算机屏幕上算机屏幕上显示出操作提示。示出操作提示。 ( (3 3) ) 双向通信双向通信功能功能 由由于于传感感器器中中使使用用了了微微处理理器器，其其接接口口容容易易实现数数字字化化与与标准准化化，可可方方便便地地与与一一个个网网络系系统或或

6、上上一一级计算算机机进行行接接口口，这样就就可可以以由由远程程中中心心计算算机机控控制整个系制整个系统工作。工作。 ( (4 4) ) 具有具有组态功能，使用灵活功能，使用灵活 智能智能传感器可感器可设置多种模置多种模块化的硬件和化的硬件和软件，用件，用户可以通可以通过微微处理器理器发出出指令，改指令，改变智能智能传感器的硬件模感器的硬件模块和和软件模件模块的的组合状合状态，完成不同的，完成不同的测量功量功能。能。（1 1）精度高）精度高 集集成成化化智智能能传感感器器有有多多项功功能能来来保保证它它的的高高精精度度，如如自自动校校零零以以去去除除零零点点误差差；与与标准准参参考考基基准准实时

7、对比比以以自自动进行行整整体体系系统校校定定；自自动进行行整整体体系系统的的非非线性性等等系系统误差差的的校校正正；通通过对采采集集的的大大量量数数据据的的统计处理理以以消消除除偶偶然然误差差的的影影响。响。这些措施保些措施保证了智能了智能传感器有很高的感器有很高的测量精度。量精度。（2 2）可靠性与）可靠性与稳定性高定性高 集集成成化化智智能能传感感器器可可以以自自动补偿因因工工作作条条件件与与环境境参参数数发生生变化化后后引引起起的的系系统特特性性的的漂漂移移，如如温温度度补偿；自自动转换量量程程以以适适应被被测参参数数的的变化化；自自我我检验、分分析析、判判断断所所采采集集数数据据的的合

8、合理理性性，并并给出出异异常常情情况况的的应急急处理理（报警警或或故故障障提提示示）等。因此集成化智能等。因此集成化智能传感器具有高可靠性与高感器具有高可靠性与高稳定性。定性。（3 3）信噪比与分辨力高）信噪比与分辨力高 由由于于集集成成化化智智能能传感感器器具具有有数数据据存存储、记忆与与信信息息处理理功功能能，通通过软件件进行行数数字字滤波波、相相关关分分析析等等处理理，可可以以去去除除输入入数数据据中中的的噪噪声声，取取出出有有用用信信号号；通通过数数据据融融合合、神神经网网络等等技技术，可可以以消消除除多多参参数数状状态下下交交叉叉灵灵敏敏度度的的影影响响，从从而而保保证在在多多参参数

9、数状状态下下对特特定定参参数数测量量的分辨力。因此集成化智能的分辨力。因此集成化智能传感器具有高信噪比和高分辨力。感器具有高信噪比和高分辨力。 10.3 10.3 智能传感器的特点智能传感器的特点（5 5）性能价格比高）性能价格比高 集集成成化化智智能能传感感器器所所具具有有的的上上述述高高性性能能，不不是是像像传统传感感器器技技术追追求求传感感器器本本身身的的完完善善、对传感感器器的的各各个个环节进行行精精心心设计与与调试、进行行“手手工工艺品品”式式的的精精雕雕细琢琢来来获得得，而而是是通通过与与微微处理理器器/ /微微计算算机机相相结合合，采采用用廉廉价价的的集集成成电路路工工艺和和芯芯

10、片片以以及及强大大的的软件件来来实现的的，所所以其性能价格比高。以其性能价格比高。（4 4）自适）自适应性性强 由由于于集集成成化化智智能能传感感器器具具有有判判断断、分分析析与与处理理功功能能，它它能能根根据据系系统工工作作情情况况决决策策各各部部分分供供电情情况况、与与上上位位计算算机机的的数数据据传输速率，使系速率，使系统工作在最低功耗状工作在最低功耗状态和和优化化传送效率。送效率。10.210.2集成传感器按传感器的用途分类可以分为集成传感器按传感器的用途分类可以分为: :a.智能化温度传感器b.智能化湿度传感器c.智能化压力传感器和变送器d.集成化角速度传感器e.集成化加速度传感器f

11、.智能超声波传感器g.智能磁场传感器h.指纹传感器i.电流传感器及变送器j.智能混浊度传感器k.其他类型传感器10.3 10.3 常用集成常用集成/ /智能传感器的工作原理智能传感器的工作原理一一 集成温度传感器：集成温度传感器： 最典型的集成化温度传感器是最典型的集成化温度传感器是AD590AD590和和DS18B20DS18B20AD590的外形及符号（a）TO-25封装的外形 （b）符号1正极 2负极 3接管壳DS18B20外部形状及引脚 1）性能特点）性能特点AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。该产品有AD590I/J/K/L/M 5档，以AD590M的性能最佳，其测温范围

12、是-55+150，最大非线性误差为0.3，响应时间仅20ms，重复性误差低至0.05，功耗约2mW。 2）工作原理）工作原理 AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗10MW，能大大减小因电源电压波动而产生的测温误差。AD590的工作电压为+4+30V，测温范围是-55+150，对应于热力学温度T每变化1K，输出电流就变化1mA。在298.15K（对应于25.15）时输出电流恰好等于298.15mA。这表明其输出电流Io(mA)与热力学温度T(K)严格成正比。电流温度系数KI的表达式为 式中：k为波耳兹曼常数；q为电子电量；R为内部集成化电阻。式中的ln8表示AD590内部电路中晶体管V

13、T9与VT11的发射结等效面积之比r=S9/S11=8倍，然后再取自然对数值。将k/q=0.0862mV/K，R=538W代入式中得到AD590DS18B20DS18B20DS18B20的性能特点的性能特点 DS18B20采用DALLAS公司独特的“单线（1-Wire）总线”专有技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值（9位或12位二进制数据，含符号位）。适配各种单片机或系统机。 测温范围是-55+125，在-10+85范围内，可确保测量误差不超过0.5。温度分辨力可编程。内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码CRC之后，产品序号占48位。用

14、户可分别设定各路温度的上、下限并写入随机存储器RAM中。利用报警搜索命令和寻址功能，可迅速识别出发生了温度越限报警的器件。内含寄生电源。具有电源反接保护电路。DS1820DS1820内部结构图内部结构图它主要包括寄生它主要包括寄生电源、温度源、温度传感器、感器、6464位激光位激光ROMROM单线接口、接口、存放中存放中间数据的高速数据的高速暂存器存器( (内含便内含便笺式式RAM)RAM)，用于存，用于存储用用户设定的温度上下限定的温度上下限值的的THTH和和TLTL触触发器存器存储与控制与控制逻辑、8 8位循位循环冗余冗余检验码(CRC)(CRC)发生器等七部分。生器等七部分。( (1 1

15、) ) 寄生寄生电源源 寄生寄生电源由两个二极管和寄生源由两个二极管和寄生电容容组成。成。电源源检测电路用于判定供路用于判定供电方式。寄生方式。寄生电源供源供电时, ,电源端接地，器件从源端接地，器件从总线上上获取取电源。源。在在I/OI/O线呈低呈低电平平时，改由寄生，改由寄生电容上的容上的电压继续向器件供向器件供电。寄生寄生电源两个源两个优点：点：n检测远程温度程温度时无需本地无需本地电源；源；n缺少正常缺少正常电源源时也能也能读ROMROM。若采用外部。若采用外部电源源, ,则通通过二极管向器件供二极管向器件供电。( (2) 642) 64位激光位激光ROMROM6464位位ROMROM

16、的的结构如下：构如下： 开始开始8 8位是位是产品品类型的型的编号（号（DS1820DS1820为10H10H），接着），接着是每个器件的唯一的序号，共有是每个器件的唯一的序号，共有4848位，最后位，最后8 8位是前位是前5656位的位的CRCCRC校校验码，这也是多个也是多个DS1820DS1820可以采用一可以采用一线进行行通信的原因。主机操作通信的原因。主机操作ROMROM的命令有五种，如表所列的命令有五种，如表所列指指令令说说明明读读ROM（33H）读读DS1820的序列号的序列号匹配匹配ROM（55H）继继读读完完64位位序序列列号号的的一一个个命命令令，用用于多个于多个DS182

17、0时定位时定位跳过跳过ROM（CCH）此此命命令令执执行行后后的的存存储储器器操操作作将将针针对对在线的所有在线的所有DS1820搜搜ROM（F0H）识识别别总总线线上上各各器器件件的的编编码码，为为操操作作各器件作好准备各器件作好准备报警搜索（报警搜索（ECH）仅仅温温度度越越限限的的器器件件对对此此命命令令作作出出响响应应( (3 3) ) 高速高速暂存器存器 由由便便笺式式RAMRAM和和非易失性非易失性电擦写擦写 EERAM EERAM组成，后者成，后者用于存用于存储THTH、TLTL值。数据先写入。数据先写入RAMRAM，经校校验后再后再传给EERAMEERAM。高速暂存RAM结构

18、DS1820DS1820存贮控制命令存贮控制命令指指 令令说说 明明温度转换（温度转换（44H）启动在线启动在线DS1820做温度做温度A/D转换转换读数据（读数据（BEH）从高速暂存器读从高速暂存器读9bits温度值和温度值和CRC值值写数据（写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第将数据写入高速暂存器的第0和第和第1字节中字节中复制（复制（48H）将将高高速速暂暂存存器器中中第第2和和第第3字字节节复复制制到到EERAM读读EERAM（B8H）将将EERAM内内容容写写入入高高速速暂暂存存器器中中第第2和和第第3字节字节读电源供电方式（读电源供电方式（B4H）了解了解DS1820的供电方式

19、的供电方式DS18B20的测温过程 DS1820DS1820单线通信功能是分通信功能是分时完成的，它完成的，它有有严格的格的时隙概念。因此系隙概念。因此系统对DS1820DS1820的各的各种操作必种操作必须按按协议进行。行。DS1820DS1820工作工程中工作工程中的的协议：初始化、：初始化、ROMROM操作命令、存操作命令、存储器操器操作命令、作命令、处理数据。理数据。温度温度/输出的二进制码输出的二进制码对应的十六进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H00

20、0000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820DS1820温度与数字量对应关系表温度与数字量对应关系表 二二 集成湿度传感器：集成湿度传感器：湿度传感器是根据某种物质从其周围空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，从而获得该物质的吸水量和周围空气的湿度。1)HM1500和HM1520是美国Humire公司于2002年新推出的两种电压输出式集成湿度传感器。它们的共同特点是将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中封装而成，集成度较高

21、。该传感器使用时，不需要外围元件，使用非常方便。二者的区别是测量范围及Uo-RH响应曲线不同。2)SHT11和SHT15湿度传感器是瑞士森士瑞(Sensirion)公司于2002年推出的两种超小型、高精度、自校准、多功能式智能传感器.一一 HM1500/1520 HM1500/15201 1）HM1500/1520HM1500/1520的性能特点的性能特点 内部包含由HS1101型湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70W，适配带ADC的单片机。 HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围是（0100%）RH，输出电压范围是14V。

22、相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。测量精度为3%RH，灵敏度为25mV/RH，温度系数为0.1%RH/，响应时间为10s。 HM1520是专为测量低湿度而设计的，适合测量霜点或微量水分调节环境中的相对湿度。其测量范围一般规定为（020%）RH，输出电压范围是11.6V。相对湿度为55%时的标称输出电压为1.24V。其测量精度为2%RH，灵敏度为26mV/RH，温度系数小于0.1%RH/，响应时间为5s。HM1520属于比例输出式，其输出电压与供电电压成正比。 产品的互换性好，抗腐蚀性强，采用管状结构，不受水凝结的影响。 采用+5V电源（允许范围是+4.75+5.25V），工作电流为

23、0.4mA（典型值），漏电流300mA。工作温度范围是-30+60。2 2）HM1500/1520HM1500/1520的外形的外形3 3）HM1500/1520HM1500/1520的响应曲线的响应曲线二二 SHT11/15 SHT11/15型单片智能化湿度型单片智能化湿度/ /温度传感器温度传感器 SHT11SHT11和和SHT15SHT15是瑞士森是瑞士森士瑞士瑞(Sensirion)(Sensirion)公司于公司于20022002年推出的两种超小型、高精年推出的两种超小型、高精度、自校准、多功能式智能度、自校准、多功能式智能传感器，可以用来感器，可以用来测量相量相对湿度、温度和露点等

24、参数。湿度、温度和露点等参数。SHT11/15SHT11/15的外形尺寸的外形尺寸仅为7.627.62mmmm5.085.08mmmm2.52.5mmmm，质量只有量只有0.1g0.1g，其体，其体积与一个大火柴与一个大火柴头相近，如相近，如图所示。所示。1.SHT11/SHT151.SHT11/SHT15原理与结构原理与结构 SHT11/15SHT11/15采采用用表表面面安安装装式式LCC-8LCC-8封封装装，引引脚脚排排列列如如图所所示示。在在0.80.8mmmm厚厚的的基基座座上上有有一一个个用用液液晶晶聚聚合合物物(LCP)(LCP)制制成成的的帽帽，上上面面开开着着传感感器器窗窗

25、口口，以以便便与与空空气气接接触触。另另外外有有一一块环氧氧树脂脂起起到到粘粘接接作作用用。UDDUDD、GNDGND端端分分别接接电源源和和公公共共地地。DATADATA为串串行行数数据据输入入/ /输出出端端(I/O)(I/O)。SCKSCK为串串行行时钟输入入端端，当当U UDDDD+4.5+4.5V V时，最最高高时钟频率率为1010MHzMHz；当当U UDDDD4.54.5V V时，最高，最高时钟频率率为1MHz1MHz。SHT11/15SHT11/15型湿度型湿度/ /温度传感器的内部电路框图温度传感器的内部电路框图 SHT11/15SHT11/15的的 测 量量 参参 数数 指

26、指 标 如如 下下 ： ( (1 1) ) 测量范量范围：0%0%100%RH100%RH； 测量精度：量精度：2%RH2%RH； 分辨力：分辨力：0.01%RH0.01%RH。(2) (2) 温度温度 测量范量范围：-40-40+123.8+123.8； 测量精度：量精度：11； 分辨力：分辨力：0.010.01。(3) (3) 露点露点 测量精度：量精度：11； 分辨力：分辨力：0.010.01。2. SHT11/152. SHT11/15输出特性输出特性 SHT11/15SHT11/15可可通通过 I2CI2C总线直直接接输出出数数字字量量湿湿度度值，其其相相对湿湿度度数数字字输出出特特

27、性性曲曲线如如图所所示。示。SHT15SHT15智能传感器的应用智能传感器的应用三三 集成转速传感器：集成转速传感器： 由飞利浦（Philips）公司生产的KMI15/16系列磁阻式集成转速传感器，包括KMI15-1、KMI15-2、KMI15-4、KMI16-1等型号。1 1）KMI15-1KMI15-1传感器的性能特点传感器的性能特点芯片内部高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。利用IC来完成信号变换功能，输出的方波电流信号的频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为714mA。外围电路简单，很容易配二次仪表测量转速。测量范围宽，灵敏度高。测量频率的范围是025kHz，即使转动频率接近于零，也

28、能够测量转速。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。抗干扰能力强。该传感器具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰（EMI）滤波器、电压控制器及恒流源，使其工作特性不受外界因素的影响。体积小，最大外形尺寸为8mm（长）6mm（宽）21mm（高），便于固定在齿轮附近。采用12V电源供电（典型值），最高不超过16V。工作温度范围宽（-40+85）。2 2）KMI15-1KMI15-1传感器的工作原理传感器的工作原理传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形，获得控制信号

29、UK，加到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7mA恒定电流IH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK。它们之间的关系为当控制信号UK=0（低电平）时，该电流源关断，IK=0，ICC=IH=7mA。当UK=1（高电平）时，电流源被接通，IK=7mA，ICC=IH+IK=7+7=14mA。当U-端输出的方波电流信号的波形如图10.13所示，其高电平持续时间为t1，周期为T。输出波形的占空比D=t1/T=50%20%。上升时间和下降时间分别为0.5、0.7s。 KMI15-1型转速传感器电路原理图（a）内部电路框图；（b）

30、简化电路四四 陀螺仪和加速速传感器：陀螺仪和加速速传感器：1.陀螺仪陀螺仪（gyroscope，缩写为gyro）是一种转动装置，它在旋转时能保持转动轴的方向不变，具有定向作用，目前已被广泛用于航空、航天、航海和军事领域。ENC-03是日本村田陀螺仪传感器，它在全国大学生飞思卡尔杯智能车比赛中的平衡车上经常使用。2.加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。MMA7361LC是

31、Motorola（Freescale）公司生产的3轴小量程单片加速度传感器ENC-03MB传感器的特点测量偏航角速度（以下简称为角速度）的范围是300/s，灵敏度为0.67mV/s，零位输出电压为1.35V。非线性误差为5%FS，其响应频率最大为50Hz。抗振动、抗冲击能力强。超小型、超轻薄化，质量为0.4g，电源电压允许范围为2.75.25V。MMA7361LC的性能特点MMA7361LC是低功耗、低轮廓电容、微机械型加速度计，具有信号调节，一级低通滤波器，温度补偿，自我测试，0g-Detect检测线性自由落体，G-Select允许选择两种敏感度。零偏移和灵敏度是出厂设置，不需要外部设备。M

32、MA7361LC具有睡眠模式，使得它非常适合用于手持蝙蝠电池供电的电子产品。3mm5mm1.0mmLGA14脚封装。运行电压：2.2V3.6V；低电流消耗：400A，睡眠模式：3A。两种灵敏度可选（1.5g，6g），在1.5g时，其灵敏度可达800mV/g。各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g），其输出为1.65V。如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向.启动时间较短：0.5ms。ENC-03MB传感器的工作原理 ENC-03MB系列传感器采用金属壳表贴式

33、封装，其引脚排列的底视图如图10.14所示。图中Vref为参考电压；Gnd为地；VCC是电源电压；Output是传感器输出端。 其工作原理是当物体在转动时会产生一个科里奥利力。该力是因转动而产生的偏向力，它与转动速度成正比并且垂直于转动方向。在科里奥利力的作用下，角速度传感器的转动方向不变，而旋转方向可以是顺时针，也可以是逆时针，由转动物体而定。此陀螺仪输出一个和角速度成正比的模拟电压信号。为了减少温度变化的影响，其输出端必须接一个高通滤波器以消除直流成分。同时，为了抑制传感器的噪声（大约2225kHz），其输出必须再接一个低通滤波器。其典型的应用电路如图10.15所示。 图10.14 ENC

34、-03MB 金属壳表贴式封装尺寸图10.15 ENC-03MB典型应用电路MMA7361 LC的工作原理 MMA7361 LC的引脚排列如图10.16所示。VDD和VSS分别接电源和地。g-Select功能允许选择两个不同的敏感性，根据g-Select逻辑输入引脚电平的高低，它的功能将改变器件的内部增益（1.5g或6g灵敏度）。当一个产品需要两个不同的灵敏度时，通过该选择功能可以获得最佳的性能，而且灵敏度在操作过程中可随时改变。 0g-Detect 功能提供一个0g检测，当X、Y、Z三路都处于0g时产生一个高电平，此功能在线性自由落体保护应用中可以连接到中断的输入口上。图10.16 MMA73

35、61管脚图 加速度传感器是采用硅半导体材料制成的电容传感器，它有三个极板，能构成两只背靠背的电容。 上下两个极板是固定的，分别接m、n端，中间极板为可动的，接O端。当受到振动或冲击时，中心极板就发生移位，电容量C1、C2随极板之间距离的变化而改变（图10.17中所示为受到向左的加速度时，中心极板在惯性力的作用下使得C1，C2），从中可获取加速度信号。 该信号经过积分器和放大器，送至贝塞尔滤波器。贝塞尔滤波器的特点是能提供一个最大化的平坦延迟响应，可保证脉冲波形的完整性。由于该滤波器采用了开关电容技术，因此不需要接外部阻容元件即可设置滤波器的截止率。1 1）HY-SRF05HY-SRF05超声波

36、传感器的性能特点超声波传感器的性能特点工作中心频率：40.01.0Hz。射程范围：2cm4.5m。测量范围：15输入触发信号：10s的TTL脉冲，输出回响信号：输出TTL电平信号，与射程成比例。规格尺寸：45*20*15mm。2 2）HY-SRF05HY-SRF05超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理 超声波传感器亦称超声波换能器或超声波探头。它主要是由压电晶片构成的，既可发射超声波，也可接收超声波。压电晶片可采用石英晶片或压电陶瓷（如钛酸钡）片。压电陶瓷片的灵敏度高，但热稳定性不及石英晶片。压电效应具有可逆性，给压电晶片施加周期性变化的电压时就会发生形变，产生振动，发出超声波。反之，

37、当压电晶片受力后会产生电荷，形成电压，因此它也可以接收超声波。 超声波传感器的典型结构如图10.18所示。它是把呈正方形的两个压电晶片（亦称双晶振子）按照相反的极性粘贴在一起，再引出两个电极。压电晶片上面有金属振动板和圆锥型振子。圆锥型振子具有很强的方向性，便于发送或接收超声波。超声波传感器采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。五五 超声波传感器超声波传感器HY-SRF05超声波传感器（a）正视图 图10.18 超声波传感器的典型结构 超声波传感器有两种工作方式：直射式和反射式。直射式超声波传感器的工作原理如图10.19所示。首先由振荡器产生40kHz方波信号，再经过放大器来驱动超声波发送器，使

38、之发出40kHz超声波并以疏密波的形式向外传播。超声波接收器接收到上述信号后，就通过放大器和滤波器得到控制信号，送至控制器。图中的a、b构成双晶体片，在方波驱动下，发送器中的双晶体片在不同方向被压缩或拉伸就形成了超声波。 图10.19 直射式超声波传感器的工作原理（b）立体图图10.19直射式超声波传感器的工作原理 ACS750集成电流传感器 ACS750是美国快捷微系统公司（Allegro MicroSystems.Inc.）新推出的由精密线性霍尔集成电路构成的隔离式电流传感器。ACS750分ACS750LCA-075、ACS750ECA-100两种产品，二者可检测的最大电流分别为75A（1

39、50）、100A（85）。它适用于汽车及工业系统中的电流检测、电机控制、过程控制、伺服系统、电源转换、电池监控、过电流保护等领域。六六 集成电流传感器集成电流传感器1 1）ACS750ACS750集成电流传感器的性能特点集成电流传感器的性能特点 ACS750属于工作在开环状态下的精密线性霍尔集成电路，内含霍尔元件和信号调理器，其输出电压与一次侧电流成正比，可直接配数字电压表测量电流。 输出电压灵敏度为19.75mV/A，输出阻抗为1（均为典型值）。采用5V电源时的静态输出电压为2.5V。ACS750LCA-075和ACS750ECA-100的非线性失真分别为1.3%、2.4%，在25环境温度下

40、的满量程精度分别为1.0%、2.0%。ACS750LCA-075在-40+85温度范围内的满量程精度为2.4%，ACS750ECA-100在-40+85温度范围内的满量程精度为4.9%。 具有自校准和电流隔离功能，使用时不需要对增益及偏移量进行微调。超低功耗，其一次侧的电流检测电阻仅为120，即使测量100A的大电流，所产生的功耗仅为12mW。 采用+5V电源供电，电源电压的允许范围是+4.5+5.5V。电源电流的典型值为7mA，最大不超过10mA。图10.20 ACS750外形图及实物图2 2）ACS750ACS750集成电流传感器的工作原理集成电流传感器的工作原理 ACS750的外形如图1

41、0.20所示。UCC、GND分别为电源端和地。Uo为电压输出端。IP+与IP-为一次侧引脚，测量电流时这两脚应串入被测线路中。ACS750的内部电路框图如图10.21所示。芯片中包含一次侧的电流检测电阻RSENSE、二次侧的霍尔元件、自动补偿电路、前置放大器（A1）、滤波器和输出电流放大器（A2）。开环霍尔电流传感器是由磁心和放置在磁心开口空气隙上的霍尔元件所组成的。当载流导线穿过磁心中心孔时就产生一个与导线电流成比例的磁场。这个磁场被磁心所集中并被霍尔元件检测到。ACS750含有温度补偿电路，它输出一个经过校正的电压，在不同温度下，一次侧电流与输出电压的关系曲线如图10.22所示，图中分别绘

42、出了当环境温度分别为25、85和150时的三条曲线。由图可见，在-80+80A的测量范围内这三条曲线基本重合，并且Uo与I呈线性关系。图10.21 ACS750的内部电路框图图10.22在不同温度下一次电流与输出电压的关系曲线七七 磁场传感器磁场传感器 HMC系列集成磁场传感器 HMC系列是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司生产的单片集成化磁场传感器，简称MR（磁敏电阻）传感器。该系列产品有6种型号：HMC1001、HMC1002、HMC1021D、HMC1021S、HMC1021Z、HMC1022。其中，HMC1001、HMC1021D、HMC1021S和HMC1021Z均为单轴磁场传感

43、器，HMC1002和HMC1022属于双轴磁场传感器。这种传感器具有灵敏度高、可靠性好、体积小、价格低等优点，可作为磁场测量仪（如特斯拉计）的探头，用于地球磁场探测仪、导航系统、磁疗设备及自动化装置中，还可构成高灵敏度的接近开关。1 1）HMCHMC系列磁场传感器的性能特点系列磁场传感器的性能特点 传感器内部有一个由4只半导体磁敏电阻构成的MR电桥。当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使MR电桥输出一个差分电压信号。 采用专利技术制成的带绕式线圈（补偿线圈和置位/复位线圈），可实现多种功能。不仅能消除环境磁场对测量的影响，达到高灵敏度指标，还能自动校准，减小温漂、非线性误差及铁磁性失真。

44、上述产品在技术指标上存在着差异。HMC1001/1002的桥臂电阻均为850（典型值，下同），可测磁通密度范围是-210-4210-4T（T代表特斯拉，110-4T=1Gs），可承受极限磁通密度为310-4T，灵敏度为3.2mV/V/10-4T，分辨力为2.7nT，非线性误差为0.1%FS。HMC1021/1022的桥臂电阻为1100，测量范围扩展到-610-4610-4T，灵敏度为1.0mV/V/10-4T，分辨力为8.5nT，非线性误差为0.05%FS。 灵敏度极高（对磁场的敏感程度可达3nT），测量范围宽，体积小，便于安装。 HMC1001/1002、HMC1021/1022的最高电源电

45、压分别为12、25V。通常选5V电源供电。2 2）HMCHMC系列磁场传感器的工作原理系列磁场传感器的工作原理 HMC系列磁场传感器有5种封装形式，引脚排列如图10.23所示。如图12.23(c)为例，UBR为供桥电压端，接+5V电源，GND为公共地。OUT+、OUT-为差分电压输出端。OFFSET+、OFFSET-为内部补偿线圈的引出端，+、-号代表电流极性。S/R+、S/R-置位/复位线圈的引出端、改变脉冲电流的极性可分别实现置位、复位功能。图中的小箭头代表MR传感器灵敏轴的方向。图12.23(e)、(f)是两种双轴磁场传感器的引脚端，芯片内部有A、B两组MR传感器，适合测量平面磁场。八八

46、 编码器编码器 编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。Mini1024J编码器是广州展昌自动化科技有限公司生产的一款编码器，下面以Mini1024J为例进行介绍。

47、Mini1024JMini1024J编码器的性能特点编码器的性能特点 分辨率高。10 位/1024 份，分辨率可达0.35； 旋转速度高，最高转速可达10000rpm； 宽广的工作温度范围：-40 +125，抗扰性好； 体积小巧。直径D：15mm 高H：18mm 轴径：3mm； 重量轻。除转轴外，全铝合金构造，净重11.5 克。 抗抖动性好。增量式编码器都存在抗抖动性差的问题，而绝对式编码器刚好克服了这个问题， Mini1024J 型10 位精度无限角度绝对式编码器能很好的克服抖动问题。 节省更多处理器资源。使用绝对式编码器，处理器无需时刻记录编码器输出的脉冲数，只需定时访问传感器即可。此外，

48、绝对式编码器在断电期间也能准确检测旋转角度偏移量。2）Mini1024J绝对式编码器的工作原理 绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。 Mini1024J将360分成1024份，转轴shaft无论在哪个位置，读取到的数据都在01023之间。绝对编码器在每个位置上读取数值都是唯一的，断电数据也不会丢失。因此，此类编码器的抗干扰特性、数据的可靠性远远高于增量式编码器。 增量式编码器及其工作原理增量式编码器及其工作原理 增量式编码器在结构上较绝对式编码器简单，其内部一般采用霍尔传感器或者光电传感器，当旋转轴旋转时，信号端输出TTL脉冲信号。增量式编码器有单线、两线两种类型。单线编码器仅能进行速度测量而无法进行转速方向测量。两线编码器测速原理与单线编码器测速原理相同，但是由于两个信号有相位差，所以利用两个信号相位的不同，可以进行速度正反的测量。 需要说明的是，在具体使用时，由于不同厂家的编码器内部电路不同，所以有些编码器的信号输出端需要加上拉电阻，而有些则不需要。