#36 传感器电路Word文档格式.docx
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由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12～10-14S之间），因此，控制电流用交流电时，频率可以很高（几千兆赫）。
3.典型使用——转速测量
霍尔传感器是基于UH=（kH/d）IBsinα式工作的，如图3.6.2所示的非电量通过弹性元件产生位移便可利用霍尔传感器进行测量。
图3.6.2非电量通过霍尔传感器测量原理
（1）转速测量原理
使用开关型霍尔传感器检测转速的示意图如图3.6.3所示。
在非磁材料的圆盘边缘上粘贴一块磁钢，将圆盘固定在被测转轴上，开关型霍尔传感器固定在圆盘外缘附近，圆盘每旋转一周，霍尔传感器便输出一个脉冲，用频率计测量这些脉冲，便可知道转速。
设频率计的频率为f，粘贴的磁钢数为Z，则转轴转速为
n=60f/Z（r/min）
若Z=60，则n=f，即转速为频率计的示值。
但是，粘贴60块磁钢实在麻烦，而且若圆盘很小便装不下这么多。
因此，可视情况粘贴适当的块数。
例如：
可粘贴6块磁钢，则转速为
n=10f
这样读数和计算都比较方便。
（2）测量转速电路
测量转速的装置示意图如图3.6.4所示，将霍尔传感器按图3.6.3的方式装成后，再将霍尔传感器H的1脚和3脚间接2KΩ的电阻，将其输出端接到数字式频率计的输入端，即可根据相应的情况计算出被测机械的转速。
图3.6.4测量转速的装置
具体的转速测量电路如图3.6.5所示。
该电路采用霍尔ICUGN3040检测磁性转子的转数。
UGN3040是集电极开路元件，外接上拉电阻。
当磁性转子转动时，霍尔IC的输出也随之变化，B点是经过三极管反相后的输出。
后续电路可用计数器记录转速。
开关型霍尔传感器还可选用UGN-3020，UGN-3030型，其电源电压为4.5~25V，对磁感应强度B的大小要求不严格，当电源电压为12V时，其输出截止电压的幅值U0≤12V。
亦可选用国产CS837，CS6837型，其电源电压为10V；
CS839，CS6839其电源电压为18V。
但应注意的是，CS型开关集成霍尔传感器为双端输出，也属于集电极开路输出级。
不管是单端输出还是双端输出，电源和集电极间必须接上负载电阻才能正常工作。
3．6．3金属传感器和使用电路
1.集成金属传感器的分类
集成金属传感器包括两种类型：
电容式接近开关和电感式接近开关。
（1）电感式接近开关
电感式接近开关是建立在电磁场的理论基础上而工作的。
由电磁场理论可知，在受到时变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。
成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定的磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的磁力线在金属内是闭合的，所以称为涡流。
导体影响使线圈的阻抗发生变化，这种变化称为反阻抗作用。
该传感器利用受到交变磁场作用的导体中产生的电涡流，调节线圈原有阻抗。
因此电感式接近开关可以作为金属探测器。
几种常用的电感式接近开关的外形如图3.6.6所示。
*齐平安装；
检测距离：
3，5，10mm
*非齐平安装；
8，12，20mm
（a）带螺纹塑料圆柱形
3，5，10mm
8，12，20mm
（b）镀铬黄铜圆柱外壳
1.5，3，5，10mm
4，8，12，20mm
（c）不锈钢圆柱外壳
图3.6.6常用电感式接近开关
（2）电容式接近开关
电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很像“打开的”电容器的电极，如图3.6.7所示。
电极A和电极B连接在高频振子的反馈回路中。
该高频振子无测试目标时不感应。
当测试目标接近传感器表面时，测试目标就进入了由这两个电极构成的电场，引起A、B之间的偶合电容增加，电路开始振荡。
该振荡信号由电路检测，并形成开关信号。
电容式接近开关主要由振荡电路、检波、整形电路、开关电路等几部分组成，如图3.6.7所示。
图3.6.7电容器的极板位置
常用的电容式接近开关的外形如图3.6.8所示；
外形、安装方式、接线方式、检测距离等参数和电感式接近开关基本相同。
2.自制简易金属传感器电路
竞赛时也可以自制金属传感器。
电涡流式传感器的灵敏度和线性范围是和线圈产生的磁场强度和分布状况有关，磁场沿径向分布范围大，则线性范围就大，轴向磁场梯度大，则灵敏度就高。
它们和传感器线圈的尺寸和形状有关。
根据这种关系就可以确定线圈的形状和尺寸参数。
1当x小时（被测物体靠近线圈），线圈半径rb小，则产生的磁感应强度大。
2当x大时（被测体远离线圈），磁感应强度小，且半径小的变化梯度大，线圈半径大的变化梯度小。
对涡流传感器通常设计为截流扁平线圈，产生的磁场可以视为由相应的单匝线圈的磁场叠加而成。
a.线圈外径大时，传感器敏感范围大，线性范围相应也大，但敏感度低。
b.线圈外径小时，线性范围相应小，但敏感度增大。
c.线圈薄时，灵敏度高。
d.线圈内径改变时，只有被测体和传感器距离近时，灵敏度略有变化。
e.设计时，传感器的线性范围一般取为线圈外径的1/3～1/5。
图3.6.9金属传感器电路
金属传感器电路如图3.6.9所示，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。
当有金属时，影响线圈L1的阻抗，从而影响振荡电路的输出幅值，经过比较器进行比较，比较后的输出信号经整形电路整形，可直接输入到控制电路进行检测状态的判断。
3．6．4温度传感器和使用电路
1.分类
温度传感器的数量在各种传感器中占据首位。
其中将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电阻传感器；
将温度转换成电势变化的称为热电偶传感器。
2.热电偶温度传感器
（1）基本原理
热电偶传感器能将温度变化量转换为热电势，理论是建立在热电效应基础上。
热电效应：
将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），其大小和材料性质及结点温度有关，这种物理现象即为热电效应。
（2）使用电路
如图3.6.10所示的热电偶报警信号电路。
在AD594/AD595的使用中，13脚应受一定的限制，它的电压不能超过-4V。
这一点只要将13脚连接到4脚的公共端，或连到7脚的V-就容易办到。
电路在正常工作时报警晶体管断开，20KΩ的上拉电阻使12脚输出为高电平。
如果热电偶的一个头或两个头断开，12脚将输出低电平，从而输出报警信号。
图3.6.10热电偶报警信号电路
3.热电阻温度传感器
利用热电阻和热敏电阻的温度系数制成的温度传感器，均称为热电阻式温度传感器。
（1）金属热电阻工作原理
由物理学可知，对于大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性，其特性方程满足下式：
Rt=R0[1+α（t-t0）]
式中，Rt、R0分别为热电阻在t℃和0℃时的电阻；
α为热电阻的温度系数（1/℃）。
对于绝大多数金属导体，α值并不是一个常数，而是随温度而变化，但在一定温度范围内，α可近似视为一个常数，不同的金属导体，α保持常数所对应的温度范围也不同。
（2）金属热电阻种类
①铂热电阻：
测温复现性好，被广泛使用于作温度的基准，标准的传递。
②铜电阻：
灵敏度高，但易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水及无侵蚀性的介质中的温度测量。
③电阻：
电阻温度系数大、电阻率也大，可制成体积小、灵敏度高的电阻温度计；
易于氧化、化学稳定性差、不易提纯、复制性也差，而且电阻-温度特性线性差。
因此，目前用的比较少。
（3）热电阻传感器的测量电路
热电阻传感器的测量电路最常用的是电桥电路，精度要求高的采用自动电桥，为了消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线制连接方法。
在此不再详述。
4.半导体热敏温度传感器
（1）半导体热敏温度传感器的分类
用半导体制成的热敏元件。
一般来说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。
半导体热敏电阻可分为：
正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻等几类。
PTC：
主要用于彩电消磁、各种电器设备的过热保护、发热源的定温控制，也可作限流元件使用。
CTR：
主要用作温度开关。
NTC：
在点温、表面温度、温差、温度场等测量中得到广泛的使用，还广泛使用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。
是运用最为广泛的热敏电阻。
（2）半导体热敏温度传感器的使用
热敏电阻可以和普通的电阻一样使用，只是热敏电阻的阻值是随着温度的变化而变化的。
可组成如图3.6.11所示使用电路。
图3.6.11热敏电阻温度测量电路
这是一个非对称式多谐振荡器电路。
R4为热敏电阻，当温度变化时，其阻值将会随着发生变化。
此变化将会影响振荡电路的振荡频率。
将振荡电路的输出信号，输入到控制电路（如FPGA或单片机控制系统）中，便可以通过计频率的变化而显示出对应的温度。
需要注意的是，图中的U1必须是MOS反相器，否则可能会不起振。
振荡电路的振荡周期为（推导过程略）：
T=2.2C（R2+R3+R4）
由热敏电阻组成的温度控制器，其电路如图3.6.12所示。
温度传感器采用在25℃为10KΩ的负温度系数热敏电阻，电路由两个比较器组成。
比较器A1为温控电路，比较器A2为热敏电阻损坏或接线断开指示电路，调整W1可设定控制温度，调整R5可调节电路翻转延时时间，以免继电器频繁通断。
（3）二极管PN结
这类温度传感器是利用晶体管半导体材料的PN结的伏安特性和温度之间的关系研制而成的一种温度传感器。
根据半导体器件原理，流经晶体二极管的正向电流ID和这个PN结上的压降VD有如下关系：
ID=IseqVD/kT
式中，ID为PN结的正向电流；
VD为PN结的正向压降；
q为电子电荷量；
k为玻耳兹曼常数；
T为绝对温度；
IS为反向饱和电流。
温度和电压VD有关，这一特性就可用来测温。
图3.6.12热敏电阻温度控制器
二极管的测温电路如图3.6.13所示。
利用二极管VD、R2、R1、R3和Rw组成一电桥电路，利用运算放大器将电桥输出电压信号放大，运算放大器也起到阻抗变换作用。
图3.6.13二极管的测温电路
（4）晶体三极管温度传感器
①晶体三极管温度传感器的原理
根据晶体管原理，处于正向工作状态的晶体三极管，其发射极电流和发射结电压能很好的符合以下关系：
Ie=Ise（eqVbe/kT-1）
式中，Ie为发射极电流；
Vbe为发射结压降；
Ise为发射结的反向饱和电流。
室温时，KT/q=36mV左右，因此，在一般发射结正向偏置的条件下，都满足Vbe>
>
KT/q的条件。
经近似处理并取对数后得：
Vbe=（KT/q）·
ln（Ie/Ise）（3.6-1）
由上式可知，温度T和发射结压降Vbe有对应关系，可根据此关系通过测量Vbe来测温度T值。
由式3.6-1可知，发射结压降和反向饱和电流Ise有关，而Ise又是一个跟温度有关的常数，为了消除Ise的影响，可以用接成对管方式来解决，电路如图3.6.14所示，在此条件下，Ise1=Ise2。
在Ie1和Ie2比值一定的条件下，Δvbe和绝对温度成正比。
比例系数是一个常数，和反向饱和电流无关，因此也和三极管的制造工艺条件无关。
可见，晶体三极管可以作为理想的测温元件。
5.集成温度传感器组成的测温电路
集成温度传感器LM35灵敏度为l0mv／℃，即温度为10℃时，输出电压为100mV。
常温下测温精度为+/-0.5℃以内，消耗电流最大也只有70μA，自身发热对测量精度影响也只在0.1℃以内。
采用+4V以上单电源供电时，测量温度范围为2~150℃；
而采用双电源供电时，测量温度范围为-55~150℃（金属壳封装）和-40~110℃（TO92封装）。
外形如图3.6.15所示。
（1）-20~+100℃测温电路
利用LM35或LM45温度传感器及二极管1N914可以组成单电源供电的测温电路（一般需要正负电源）。
输出电压Vo=10mV×
t（t为测量温度值），温度测量范围为-20℃~+100℃。
电路如图3.6.16所示。
（2）温度/频率变化电路
利用V/F变换器LM131芯片、集成温度传感器LM25或LM45及光电耦合器4N128组成输入输出隔离的温度/频率变换电路。
其温度测量范围为25℃~100℃，响应的频率输出为25~1000Hz。
由5kΩ电位器来调整，使100℃电路输出为1000Hz。
利用光电耦合器作为输入输出隔离，进行电平转换。
电路如图3.6.17所示。
（3）AD590远程测温电路
如图3.6.18所示电路可以测量千米之外的温度。
当温度为-55~+100℃时，电路的输出电压以100mV/℃的规律变化，输出为-5.5~+10V。
电路中测温元件采用AD590，其温度变化的输出电流经屏蔽线，并通过屏蔽线两侧的RC环节滤除干扰，再流过1KΩ电阻，产生1mV的电压加在放大器的输入正端。
AD590直接输出的为绝对温度，为了以摄氏温度读出，需要在放大器的负端加上273.2mV电压，这一电压由LM1403经电阻分压产生。
实际使用中，屏蔽线只能一端接地，若两端同时着地，将形成噪声电流串至芯线引起干扰。
图3.6.18AD590远程测温电路
3.6．5光电传感器和使用电路
1.主要类型
光电传感器根据检测模式的不同可分为如下几种：
（1）反射式光电传感器将发光器和光敏器件置于一体内，发光器发射的光被检测物反射到光敏器件。
（2）透射式光电传感器将发光器和光敏器件置于相对的两个位置，光束也是在两个相对的物体之间，穿过发光器和光敏器件的被检测物体回阻断光束，并启动受光器。
（3）聚焦式光电传感器将发光器和光敏器件聚焦于特定距离，只有当被检测物体出现在聚焦点时，光敏器件才会接受到发光器发出的光束。
2.使用举例
（1）利用反射式光电传感器检测黑白物体
利用反射式光电传感器检测黑白物体的电路如图3.6.19所示。
图3.6.19光电检测电路
由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，调节反射式光电传感器和检测对象之间的距离，使光敏三极管就只能接受到白色物体反射回来的光束。
而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。
利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。
电路工作过程如下：
当被测物体是黑色物体时，红外光电二极管U1发射出的光，被反射回来的很弱，光敏三极管无法导通，所以A点此时为高电平，通过反相器7414，FPGA或者微控制器接受到的信号是低电平。
当被测物体是白色物体时，红外光电二极管U1发射的光，被反射回来的很强，光敏三极管导通，所以A点此时为低电平，通过反相器7414，FPGA或者微控制器接受到的信号是高电平；
FPGA或者微控制器检测输入的电平，即可以判断此时被检测物体是白色物体还是黑色物体。
（2）在使用光电检测电路时应注意：
a.发光器的光强度
发光器的光强度可以通过选择适当的型号，改变加在发光器的限流电阻，或者在发光器和光敏器件的外面可以加上聚光装置。
b.不同物体表面对光线的反射能力不同，应仔细调节反射式光电传感器和检测对象之间的距离。
c.工作环境条件。
由于无法改变工作环境，必须考虑光电传感器的安装位置。
（3）在安装中各种不同类型的光电传感器有各自必须首先要注意的问题：
a.反射式光电传感器的安装：
首先要注意的就是要根据不同的检测材料，确定适当的距离。
具体的距离和具体的位置必须在现场调试。
b.聚焦式光电传感器的安装：
在这种传感器的安装过程中，最主要的就是要确定聚焦点的位置，如果位置选择的不合适的话，就会使传感器失去作用。
c.透射式光电传感器的安装：
一定要安装好遮光片，安装时一是要选择好材料，二是要特别注意其安装的位置。
（4）光源检测电路
光源检测电路用来判断光源的位置。
具体电路如图3.6.20所示。
图3.6.20光源检测电路
由光敏二极管D2对光源进行检测，当光敏二极管接收到光源发出的光时，VT1和VT2导通，A点为低电平，VT3不能导通，B点为高电平，此时FPGA或者微控制器接收到的电平为高电平；
当光敏三极管未接收到光源时，则VT1和VT2不导通，A点为高电平VT3导通，B点输出低电平，此时FPGA或者微控制器接收到的电平为低电平。
FPGA或者微控制器检测输入端电平即可以判断此时光敏二极管是否检测到了光源。
3.集成的光电传感器
（1）分类
集成的光电传感器主要有反射式光电开关、会聚式光电开关、透射式光电开关、反射板式光电开关、光纤穿透式开关、光纤反射式开关等几种，一般采用前三种。
（2）工作光源
采用的工作光源主要有可见红光（650nm）、可见绿光（510nm）和红外光（800～940nm）。
不同的光源在具体情况下各有其长处。
在不考虑被测物体颜色的情况下，红外光有较宽的敏感范围，而可见红光或绿光特别适合于反差检测，光源的颜色必须根据被测物体的颜色来选择，红色物体和红色标记宜用绿光（互补色）进行检测。
（3）外形
按照外壳形状可分为：
螺纹圆柱形系列，圆柱形系列，方形系列，槽型贯穿形系列。
比较常用的螺纹圆柱形系列外形如图3.6.21所示。
（4）接线图和电感式接近传感器相同。
具体型号可进入有关网站查询。
图3.6.21螺纹园柱型光电传感器
3.6.6超声波传感器和使用电路
超声波传感器可以用来测量距离，探测障碍物，区分被测物体的大小。
1.基本原理及其分类
超声波检测装置包含有一个发射器和一个接收器。
发射器向外发射一个固定频率的声波信号，当遇到障碍物时，声波返回被接收器接收。
超声波探头可由压电晶片制成，超声波探头既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测用，有多种不同的结构。
40KHz超声波探头如图3.6.22所示，型号为TCT40-2F（发射器）和TCT40-2S（接收器），两者外形相同。
图3.6.22TCT40超声波探头外形及符号
超声探头的构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到晶片两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高，如图3.6.23所示。
（2）工作温度
由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。
（3）灵敏度
灵敏度主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高；
反之，灵敏度低。
图3.6.23超声波发射器的频率特性
2.超声波传感器的发射/接收电路
（1）超声波传感器的发射电路
超声波发射电路包括超声波发射器、40KHz超音频振荡器、驱动（或激励）电路，有时还包括编码调制电路，设计时应注意以下两点：
1普通用的超声波发射器所需电流小，只有几毫安到十几毫安，但激励电压要求在4V以上。
2激励交流电压的频率必须调整在发射器中心频率fo上，才能得到高发射功率和高效率。
（a）（b）
图3.6.24三极管组成的超声波发射电路
图3.6.24（a）所示电路，用两只低频小功率三极管2SC9013组成的振荡器、驱动电路。
三极管T1和T2构成两级放大器，又由于超声波发射器ST的正反馈作用，使这个原本是放大器的电路变成了振荡器，同时超声发射器可以等效为1个串联LC谐振电路，具有选频作用；
电路不需要调整，超声波发射器在电路中同时担当电能转换为机械能、选频、正反馈三个任务。
图3.6.24（b）中用电感取代（a）图中的R3，这样可以增大激励电压。
图3.6.25和非门组成的超声波发射电路图3.6.26555定时器组成的超声波发射电路
图3.6.25中使用和非门组成了超声波发射电路，其中G3为驱动器，电路的振荡频率f0近似等于1/（2.2RC），调制信号由G2输入。
在图3.6.26所示电路中，555定时器、R1、R2和C1组成多谐振荡器，当调制信号为高电平时，启动振荡器输出40KHz的频率信号。
图3.6.27LM1812组成的超声波发射电路
LM1812组成的超声波发射电路如图3.6.27所示。
LM1812为一种专用于超声波收发的集成电路，它既可以用作发射电路，又可以用于接收放大电路，它主要决定于引脚8的接法。
第1脚接L1、C1并联谐振槽路以确定振荡器频率。
输出变压器接在6、13脚间，电容C2起退耦、滤波、信号旁路作用。
C3应和变压器副边绕组谐振于发射载频，变压器的变比大致为N1：
N2=1：
2，当然超声波发射器也可接在6、13脚间，但发射功率小。
（2）超声波传感器的接收电路
由LM1812组成的接收电路如图3.6.28所示。
引脚8接地，使芯片工作于接收模式。
输出信号可以从第16脚输出或从14脚输出，注意第14脚输出是集电极开路形式，结构形式和发射电路的功率输出级相同。
图3.6.28LM1812组成的超声接收电路
由三极管构成的超声接收放大器如图3.6.29所示，T1、T2和若干电阻电容组成两级阻容耦合交流放大电路，最后从C3输出。
图3.6.29三极管组成的超声接收电路图3.6.30运放组成的超声波接收电路
由运算放大器组成的超声放大电路如图3.6.30所示，R1、R2组成分压电路，使同相端的电位为1/2
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