传感器技术及其工程应用金发庆第10章节传感器接口电路

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1、第10章传感器接口电路10.1传感器输出信号的处理方法10.2传感器信号检测电路10.3传感器和微型计算机的连接10.4传感器接口电路应用实例10.5实训10.1传感器输出信号的处理方法10.1传感器输出信号的处理方法10.1.1输出信号的特点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，尽管同是温度传感器，热电偶随温度变化输出的是不同的电压，热敏电阻随温度变化使电阻发生变化，双金属温度传感器则随温度变化输出开关信号。表10-1列出了传感器的一般输出形式。表10-1传感器的输出信号形式输出形式输出变化量传感器的例子开关信号型机械触点双金属温度传感器模拟信号型电子开关

2、霍尔开关式集成传感器电压热电偶、磁敏元件、气敏元件电流光敏二极管电阻热敏电阻，应变片电容电容式传感器电感电感式传感器其他频率多普勒速度传感器、谐振式传感器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0.1μV。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。10.1.2输出信号的处理方法目的是：提高测量系统的测量精度，提高测量系统的线性度，抑制噪声。

3、信号处理由传感器的接口电路完成。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。典型的应用接口电路，如表10-2所示。表10-2典型的传感器接口电路接口电路信号预处理的功能阻抗变换电路变换为低阻抗放大电路将输出信号放大电流电压转换电路将电流输出转换成电压电桥电路转换为电流或电压频率电压转换电路把频率信号转换为电流或电压电荷放大器电荷转换为电压有效值转换电路交流输出变为直流输出滤波电路消除噪声成分线性化电路进行线性校正。对数压缩电路动态范围压缩10.2传感器信号检测电路10.2传感器信号检测电路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。10

4、.2.1检测电路形式1.直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。2.传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，驱动控制电路及报警电路工作。3.由数字式电压表将检测结果直接显示出来。10.2.2常用电路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1012Ω以上，可作阻抗匹配器。运算放大器阻抗匹配器。2.电桥电路电桥电路是传感器检测电路中经常

5、使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。1）直流电桥直流电桥的基本电路，如图10-1所示。它是由直流电源供电的电桥电路，电阻构成桥式电路的桥臂，桥路的一对角线是输出端，一般接有高输入阻抗的放大器。在电桥的另一对角线接点上加有直流电压。图10.1直流电桥的基本电路电桥的输出电压可由下式给出，即：UOUT=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

6、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。2）交流电桥如图10-2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。图10-2电感式传感器配用的交流电桥测量时一个元件的阻抗增加，另一个元件的阻抗减小，假定Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，则电桥的输出电压为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。1)反相放大器

7、图10-3a是反相放大器的基本电路。反相放大器的输出电压，可由下式确定，即：UOUT=－Uin图10-3放大电路2)同相放大器图10-3b是同相放大器的基本电路。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。3)差动放大器图10-3c是差动放大器的基本电路。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。4.电荷放大器压电式传感器输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，输出电压可高达几十伏到数百伏