传感器及其电路的应用重点.docx
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传感器及其电路的应用重点
传感器及其应用（一
传感器简介
压力
磁
位置
温度气体光
声音湿度
传感器转换电压电流
传感器定义
传感器是指能感受并响应被测物理量,并按照一
定的规律将其转换成为可供测量的输出信号的器件或装置。
传感器的组成,并无严格的规定。
一般说来,
可以把传感器看作由敏感元件（热敏元件、磁敏元件、光敏元件等和变换元件两部分组成。
电量敏感元件变换元件
非电量
传感器
敏感元件指能直接感受或响应被测量的部分;
转换元件指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
传感器的输出信号一般都很微弱,需要有信号调整与转换电路对其进行放大、运算等。
有的调整与转换电路与敏感元件集成在同一芯片上。
此外,传感器工作必须有辅助的电源。
传感器的分类
传感器技术是一门知识密集型技术,它与许多学科有关。
其种类繁多,有多种分类方法。
一、按检测功能分类:
温度、光敏、压力、磁敏、声音、湿度、气体等传感器
二、按工作原理分类:
压电式、光电式、吸附式、压阻式、热点式等传感器
三、按制造材料分类:
金属、聚合物、半导体、陶瓷、混合物等传感器;
四、按制造工艺分类:
集成、薄膜、厚膜等传感器。
传感器的选用
传感器的种类繁多,相同的物理量可用不同工作原理的传感器,使用时一般考虑如下:
一、被测量类型
测量目的、测量范围、测量精度、测量时间等二、工作环境
环境温度、环境噪声、传递距离等
三、传感器性能
成本、线性度、稳定性、响应时间、输出方式等
一、温度传感器
温度传感器接
触
式
非
接
触
式
热电阻
热敏电阻:
NTC,PTC,CTR:
-200~300oC
热电偶
辐射式温度计
量子温敏传感器
铜热电阻-50~200oC
铂热电阻-180~600oC
镍热电阻-50~100oC
K型:
0~1000oC
R型:
200~1400oC
J型:
0~600oC
E型:
-200~700oC
半导体温度传感器:
-100~220oC
集成温度传感器:
-55~150oC
1、热敏电阻
半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型:
负温度系数热敏电阻（NTC
正温度系数热敏电阻（PTC
临界温度系数热敏电阻（CTR:
在某一特性温度下电阻值会发生突变的。
CTR主要用作温度开关,在温度测量中,则主要采用NTC。
三种类型热敏电阻的典型特性
048121620t×10/℃
101102
103
104
105
106
CTR
PTC
NTCρ/（Ω·cm
Rt、R0——分别为TK和T0K时的热敏电阻值;
B——热敏电阻的材料常数,其值主要取决于热
敏电阻的材料。
一般情况下,B=2000~6000K,可通过查阅产品资料获得,在高温下使用时,B值将增大;
T——被测温度（K。
]11（exp[0
0TTBRRt−=NTC热敏电阻的电阻值与温度的关系为:
热敏电阻特性曲线及参数
热敏电阻的常见外型及符号MF58-103-36
热敏电阻基本应用电路
NTC
基本测温电路温差测量电路
热敏电阻和555构成双限温度控制器
NTCCCtwtoCCtwto
VUKRRKRCVUKRRKRC326.528.260318.2216.5406221========时时NTC-103-36
555芯片资料
通常采用的热电阻有铂、铜和镍。
由于铂具有很好的稳定性和测量精度,故人们主要把它用于高精度的温度测量和标准测温装置。
多数热电阻随温度而变化的关系可由下式表示:
R
t=R
[1+α（t-t
]
R
t,R
——分别为热电阻在t℃和t
℃时的电阻值;
α——热电阻的电阻温度系数（1/℃; t——被测温度（℃。
2、热电阻（RTD
常用的铂电阻有Pt
50、Pt
100、
Pt
300
、Pt
1000
等,下标表
示铂电阻在0℃时的阻值。
铂电阻
铂电阻与温度的关系在0~630.74℃以内为
R
t
=R0（1+At+Bt2
-190~0℃以内为
R
t
=R0[1+At+Bt2+C（t-100t3]
Rt——温度为t℃时的电阻值;
R0——温度为0℃时的电阻值;
t——任意温度值;
A,B,C——分度系数,手册查找。
（如,Pt1000分度常数:
A=0.0038623139728,
B=-0.00000065314932626
铂电阻测温电路
tKRVRRURRUVRRtUtrefOOUTrefO86.312
413411+=−−=−=
3、热电偶
两种不同的金属A与B形成闭合回路,当两个接点温度不同时回路将产生电势,该电势的方向和大小取决于两导体的材料及两接点之间的温度差,而与导体的粗细、长短无关。
这种现象称为热电效应,组成的测量传感器称为热电偶。
T
T0A
B工作端或热端（T,测量时将它置于被测温度场中;自由端或冷端（T0,一般要求恒定在某一温度。
铠装
热电偶类型
虽说许多金属相互结合都会产生热电效应,但是能做成适于测温的实用热电偶者为数
不多。
目前常用的热电偶有铂-铂铑、镍铬-镍硅、镍铬-康铜等。
按测温范围又分为K、E、J、T、B、R、S等型。
热电偶能直接进行温度-电势转换,而且体
积小、测温范围广。
热电偶的结构除普通型外,还有具有保护外套的所谓铠装（也有叫缆式热电偶、薄膜热电偶等。
K、J、E、T型相对冷端（0℃的温差电势
K型热电偶电路举例
A1
+
-
8R2Rw13k
120kR1510
（增益240.9445倍
Rw220k
10mV/℃
Uo（0~6V+15V
放大电路输入滤波器
R31k
+
C14.7μ
+-
K型
T
使T0为0℃
元器件名称运算放大器电阻电位器电容
符号
A1R1~R3Rw1,Rw2
C1
型号
ADOP072%,1/4W10圈型20%,50V
说明金属膜电阻金属陶瓷多圈类型电解电容（低漏电型
生产厂家模拟设备公司
4、集成温度传感器AD590
AD590（I、J、K、L、M有如下特点:
①线性电流输出:
I
/T=1μA/K
o
②工作温度范围:
-55~155℃
③两端器件:
电压输入,电流输出
④激光微调使定标精度达±0.3℃（AD590M
⑤整个工作温度范围内非线性误差
小于±0.5℃（AD590M
⑥工作电压范围:
4~30V
⑦器件本身与外壳绝缘
在25℃时调整电位器使Vo为298.2mV;或0℃时调整电位器使Vo为273.2mV;利用这样一个简单的电路,很容易把传感器的电流输出变换为方便的电压输出。
由于AD590内阻极高,所以适合远距离测量,可采用一般双绞线。
R2950
R1
100
+
-AD590+15V
Vo1mV/K
AD590基本应用电路
+-1
2
AD590
R
1k
+5V
U
o
（1mV/K
AD590
1
23
3
AD590远距离温度检测电路
其他常用的集成温度传感器AD2210/22105、AN6071、
DS1620/1621/1820/1821
LM34/35/50/56/60/65/66/75/78LM135/235/335
TC622/623/624
TMP03/04/12/35/36/37
量测范围窄、多点测量
较好
较好
较低
低
-55~150°C
集成温度传感量测范围窄
较好中等低低-50~150°C
PN结温敏
量测范围窄或单点温度低中等中等低-80~200°C热敏电阻
Thermistor高温量测、工业应用中等低较高中等-270
~1600°C热电偶Thermocouple量测范围广且精确度需求高之应用高高中等较高-200~650°C铂电阻Pt-RTD
最适使用范围
线性度
稳定性
系统成本
价格
量测范围
各类温度传感器比较
PN结正向压降随温度的升高而减小（温度升高1°C结压降约减小2mV
传感器及其应用（二
二、光敏传感器
光敏传感器是把光信号转化成电信号的传感器件,广泛应用于自动控制、产品计数、检测、安全报警等电路中。
检测的光源为可见光和不可见光（紫外、近红外等。
主要类型:
光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、集成光敏传感器、CCD、光纤传感器、太阳能电池等。
1、光敏电阻
光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为
暗电流。
光敏电阻受到光照射时的电阻称为亮电阻,此时电流称为亮电流。
亮
电流与暗电流之差称为光电流。
一般暗电阻越大,亮电阻越小,灵敏度越高。
光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级,亮电阻在几千欧以下。
暗
电阻与亮电阻之比一般在102~106之间。
光敏电阻特性
光敏电阻伏安特性曲线
I/μA
6543210
50
100
硫
化铅硫化铊
U/V
光敏电阻的光照特性曲线
0.61.2
光通量/lm
0.3
0.25
0.200.150.10光电流/mA
0.05
几种常用光敏电阻材料的光谱特性曲线
2040
6080100
400~700（可见光
X射线紫外线红外线硫化镉
硫化铊硫化铅0
50015000
30000A/入射光波长相对灵敏度/%1000°
光敏电阻基本应用电路
适当选取R1的阻值,处于暗环境时,光敏电阻阻值较大,VT截止,输出为零;当光照时,光敏电阻阻值迅速减小,VT饱和导通,输出为高电平。
2、光敏二极管、三极管
-
+
光敏二极管、三极管基本应用电路
3、光电耦合器件
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。
根据其结构和用途不同,它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。
光电耦合器组合形式输入
输出
输入
输出
（a（b
实现电平转化、信号隔离的光电耦合器,发光器件采用砷化镓发光二极管,,随正向电压的增大,正向电流增加,产生的光通量也增加。
光电接收元件可以是光敏二极管、光敏三极管或达林顿光敏管。
为保证较高的灵敏度,应使发光元件和接收元件的波长匹配。
1光耦隔离器
TLP521输出电流约20mA
TLP113输出电流约150mA
光耦隔离器基本应用电路
12V-5V反相隔离电平转换（CON低,OUTPUT高5V-12V同相隔离电平转换（CON低,OUTPUT
低
光耦隔离器应用电路
强弱电隔离电子开关
（输入高,电灯亮
光耦隔离器应用电路
R1610/1W
R493K
R27200R30200
C23
104/400VC24104/400VTR9
BTA41Port
Port
6
4
21
IC6
MOC3061LED7
220AC220AC
+5V
I/O
2
光电开关
光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收,并进行光电转换,同时加以某种形式的放大和控制,
从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。
光电开关外型
光电开关基本电路
光电开关应用电路举例
插卡式电源开关转速测量
三、磁敏传感器
磁敏传感器是利用导体、半导体的磁电效应制成的,能把磁场信号转换成电信号的传感器。
磁敏传感器主要的作用是检测磁场信号,最大优点是非接触检测。
根据材料不同主要有:
磁敏电阻、磁敏晶体管、霍尔传感器、干簧管等。
广泛应用于自动控制（速度、位移、转速等,电磁测量（高斯计、电流检测等、生物医学等领域。
1、干簧管
干簧管是最简单的磁控机械开关,由带磁性和不带
磁性的两个触点构成,在没有
外加磁场作用时,这两个触点
是断开（常开型或接通（常
闭型。
在外加磁场作用下闭
合或断开。
常应用于简易报警、
保温、照明电路。
2、霍尔传感器
置于磁场中的静止载流导体,当
它的电流方向与磁场方向不一致时,载
流导体两个面之间产生电动势,这种现
象称霍尔效应。
该电势称霍尔电势。
根据霍尔效应制作的传感器称为霍尔传感器。
霍尔传感器具有体积小、输出动态范围宽、频响范围宽、可靠性高、无接触检测等优点,广泛应用于自动控制、无接触检测中。
+++++++++
-------
-
b
B
f
l
f
E
l
I
d
E
H
IBKd
IBRUHHH==式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。
为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。
霍尔电动势表达式为:
霍尔传感器外型和符号
霍尔传感器特性曲线
开关型霍尔传感器特性曲线
A44E集成霍尔开关由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。
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