第2章 传感器与接口电路

第2章 传感器与接口电路 章

2.1 概述 本课程的传感器是指用来把各种非电量转换成 电信号的装置或器件。 电信号的装置或器件。 传感器的主要性能指标如下： 传感器的主要性能指标如下： 1. 灵敏度高，线性度好。 灵敏度高，线性度好。 2. 输出信号信噪比高。 输出信号信噪比高。 3. 滞后、漂移小。 滞后、漂移小。 4. 动态性能好。 动态性能好。 5. 复现性好，具有互换性。 复现性好，具有互换性。 6. 负载效应小。 负载效应小。

对传感器接口电路的要求 1. 尽可能提高包括传感器和接口电路在内的整 体效率。 体效率。 2. 具有一定的信号处理能力。根据系统要求， 具有一定的信号处理能力。根据系统要求， 选择功能尽可能全的接口电路芯片。 选择功能尽可能全的接口电路芯片。 3. 提供传感器所需的驱动电源。 提供传感器所需的驱动电源。 4. 尽可能完善的抗干扰和抗高压冲击的保护机 制。

传感器的分类： 传感器的分类：

2.2 热电阻的接口电路 热电阻是一种测量温度的传感器。 热电阻是一种测量温度的传感器。

在0 630 C之间，铂电阻与温度有如下关系：o

Rt = R0 (1 + At + Bt ) t t t t t = t + 0.045( )( )×( 1)( 1) 100 100 1 419.58 460.74 式中：Rt = 温度为t时的电阻值，' ' ' ' '

'2

R0 = 温度为0℃时的电阻值， A = 0.3974973 ×10 2 B = 0.58973 ×10 6

热电阻测量电路如图所示。 热电阻测量电路如图所示。 在(a)所示电路中，电桥输出电压为： 所示电路中，电桥输出电压为： 所示电路中 I ( R + Rr )( R + Rt ) Rt u0 = 2 R + Rr + Rt R + Rt I ( R + Rr )( R + Rt ) Rr 2 R + Rr + Rt R + Rr I 2R u0 = × ( Rt Rr ) 2 2 R + Rt + Rr当R ff Rt、Rr时， I u0 = ( Rt Rr ) 2

热电阻的接入方式

1)二线制 ) 电路简单，但接入电路没有考虑引线电阻和接触 电路简单， 电阻，有可能产生较大误差。 电阻，有可能产生较大误差。 2)三线制 ) 三线制的接入电路由于考虑了引线电阻和接触电 阻的影响，这种方式可取得较高的测量精度。 阻的影响，这种方式可取得较高的测量精度。 4) 四线制 ) 这是热电阻最高精度的接入电路。 这是热电阻最高精度的接入电路。

当R ff Rt , Rr时，若为二线制： I u0 = ( Rt + R11 + R12 Rr ) 2 若为三线制： I u0 = ( Rt + R11 Rr R12 ) 2 若满足R11 = R12的条件，则 I u0 = ( Rt Rr ) 2 I 当为四线制时：u0 = ( Rt Rr ) 2

2.3 电容传感器的接口电路 电容传感器是一种具有可变参数的电容器。 电容传感器是一种具有可变参数的电容器。 电容传感器的工作原理是基于

C=

ε

Ad

上式中，只要有一个参数发生变化，都会引起 上式中，只要有一个参数发生变化， 电容量的变化。以此来测量相应的物理量。 电容量的变化。以此来测量相应的物理量。 常用的接口电路有：桥式电路、谐振电路、调 常用的接口电路有：桥式电路、谐振电路、 频电路、运算电路以及二极管双T型交流电桥 型交流电桥。 频电路、运算电路以及二极管双 型交流电桥。

2.3.1 电容传感器桥式接口电路交流电桥平衡条件：Z1 / Z 2 = C2 / C1 = d1 / d 2 当差分电容中的动极移动 d时，电桥输出电压： u AC 1 u0 = ( R0 + ) 1 jω (C0 C ) 2 2( R0 + ) j ωC 0 整理后可得： u AC 1 + jω C u AC Z u0 = = 2 R + 1 2 Z 0 j ωC 0 u AC

相敏检波原 理 1)当电容传 ) 感器动片上 移时， 移时，交流 电桥输出电 压，与参考 电压同相， 电压同相， 相敏检波的 输出波形为 正值。 正值。

相敏检波原 理 2)当电容传 ) 感器动片下 移时， 移时，交流 电桥输出电 压，与参考 电压反相， 电压反相， 相敏检波的 输出波形为 负值。 负值。

相敏检波器电路原理图

2.3.3 电容传感器调频式接口电路

调频振荡器的振荡频率f为： f = 1 /( 2π LC ) C = C1 + C0 + C + C2 式中：C为总电容，C1为谐振回路的固有电容，C2为传 感器引线的分布电容，C0 + C为传感器的电容。

调频的示意图

2.4 电涡流式传感器的接口电路 金属导体置于交变的磁场中，金属导体就会感 金属导体置于交变的磁场中， 应电流，称为涡流。理论及实践证明， 应电流，称为涡流。理论及实践证明，电涡流 的大小与金属导体的电阻率、金属的厚度、 的大小与金属导体的电阻率、金属的厚度、励 磁电流的角频率以及线圈与金属块之间的距离 等参数有关。若固定某些参数， 等参数有关。若固定某些参数，可根据电涡流 的大小推算出另一参数值。 的大小推算出另一参数值。 涡流传感器可分为高频反射式和低频投射式两 类。

高频反射式涡流传感器的工作原理 当通有高频电流i的电感线圈 靠近金属导 当通有高频电流 的电感线圈L靠近金属导 的电感线圈 体时，在金属表面将产生电涡流， 体时，在金属表面将产生电涡流，该电涡 流将形成一个与电感线圈的磁场相反的磁 从而改变线圈电感量的大小， 场，从而改变线圈电感量的大小，并造成 交变磁场能量的损耗。 交变磁场能量的损耗。 当被测物体靠近传感器时，损耗功率增大。 当被测物体靠近传感器时，损耗功率增大。 而电感量减小。 而电感量减小。

在如图所示的高频电路中，高频回路的阻抗与 在如图所示的高

频电路中， 被测材料的电导率、导磁率、 被测材料的电导率、导磁率、励磁电流频率以 及传感器与被测物体的距离有关。 及传感器与被测物体的距离有关。即

Z = f ( ρ , µ , ω , x)

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