第11,12章 传感器应用技术.ppt

传感器原理及应用 主要内容： 信号变换 驱动电路分析 外围电路器件选择 11.1 信号变换 各种传感器的共同特点是把非电量转换为电量，实际应用中，敏感元件或传感器输出的信号可能是直流电压、直流电流，也可能是交流电压、交流电流，甚至是电阻值、电容值等等。在进行处理、传输、接口、显示记录过程中，常常需要借助于各种信号变换器，进行信号变换。 通常的变换包括： 利用I-U变换把直流电流(I)变换成直流电压(U)； 利用u-U变换把交流电压(u)变换成直流电压(U)； 利用i-U变换把交流电流(i)变换成直流电压(U); 利用R-U变换把电阻值(R)变换成直流电压(U)； 利用C-U变换把电容量(C)变换成直流电压(U)； 利用f-U变换把频率(f)变换成直流电压(U)； 利用U-H变换把电压(U)变换成脉冲宽度(H)。 ………… 一、电流-电压(I-U)变换器 1、由电阻组成的电流-电压变换电路 Uo=IiR 2、由运放构成的电流-电压变换器电路 通常采用高输入阻抗运算放大器，如LM356、CF3140、F071~F074、F353等组成电流-电压变换器。 3、利用差动放大器的大电流-电压变换器电路 利用小阻值的取样电阻Ｒs把电流转变为电压后，再用差动放大器进行放大。 当选用R1=R2=RF，R3=R4=R5=R6=Rf，则差动放大倍数为： 可见，R7越小， Kd越大，调节Rw2，可以使Kd在58~274内变化， 大电流-电压变换器电路： 4、微电流-电压变换电路： 微电流-电压变换电路： 该电路的一个特点在于反馈引出端不是在Uo，而是在100Ω和9.9kΩ电阻中间。按常规的接法， 10GΩ反馈电阻产生的变换系数为1010，即5pA电流产生0.05V电压。但是该电路的反馈从输出电压的1/100分压点引出，将灵敏度提高了100倍。于是，当输出Uo=5V时，反馈电阻两端的电压为50mV，这时仅需电流为50mV/10GΩ=5pA。 二、电压-电流(U-I)变换器 1、负载浮动的U-I变换器 负载RL两端都不接地 调节Rw就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系数。 二、电压-电流(U-I)变换器 带三极管驱动的U-I变换器 降低运算放大器 功耗，扩大输出 电流。 负载接地的U-I变换器: 三、交流电压(电流)－直流电压变换器 交流电压-直流电压(u-U)变换器 使用运算放大器的整流电路: 输出有效值的变换电路: 交流电流-直流电压(i-U)变换器 四、电阻-电压(R-U或Ω-U)变换器 电阻分压式R-U变换电路 Ux与Rx呈非线性，很少采用。 使用运算放大器的R-U变换电路 使用恒流源的R-U变换电路 利用运算放大器做恒流源 11.2 驱动电路分析及外围电路器件选择 11.2.1 驱动电路分析 驱动电路通常采用的是恒压工作（恒压驱动方式）或恒流工作（恒流驱动方式）。 恒压源供电：适用于精度要求不高的场合； 恒流源供电：适用于精度要求较高的场合。 例：压阻式半导体应变片传感器 全桥测量：在基片上扩散出四个电阻,这四个电阻接成电桥, 输出信号与被测量成正比,并且在受到应力作用后,使阻值增加的两个电阻对接,电阻减小的两个电阻对接,使电桥的灵敏度最大。 设四个扩散电阻的阻值起始都相等且为R,当有应力作用时,两个电阻的阻值增加,增加量为ΔR ；两个电阻的阻值减小,减小量为-ΔR；另外由于温度影响,使每个电阻都有ΔRT的变化量。电桥的输出为： 整理后得：  如ΔRT =0,即没有温度影响,则 说明： 电桥输出与ΔR／R成正比,也就是与被测量成正比；同时又与U成正比。这说明电桥的输出与电源电压的大小与精度都有关。 如ΔRT ≠0,则Usc与ΔRT有关,也就是与温度有关,而且与温度的关系是非线性的,所以用恒压源供电时,不能消除温度的影响。  设电桥两个支路的电阻相等,即RABC=RADC=2(R+ΔRT),故有：  因此电桥的输出为  整理后得  Usc=IΔR 结论：电桥的输出与电阻的变化量成正比,即与被测量成正比,当然也与电源电流成正比。但是电桥的输出与温度无关,不受温度影响,这是恒流源供电的优点。 因此： 在测量精度要求不高的场合可采用恒压供电方式； 在高精度测量的场合,就必须采用恒流驱动电路。 11.2.2 外围电路器件的选择 电阻选择要求 在精度要求不高时,可使用碳膜电阻。 在精度要求较高时,应使用金属膜电阻。 精密电阻则需要选择沉积膜电阻系列。 电位器选择要求 在调整有些传感器的灵敏度或偏移电压时,由于传感器的灵敏度或偏移电压离散性大,一般使用多圈型（5～20圈）