初識(shí)傳感器學(xué)習(xí)

初識(shí)傳感器學(xué)習(xí)第1頁(yè)/共55頁(yè)四、設(shè)計(jì)入門(一)單元電路設(shè)計(jì)方法

1、執(zhí)行（開關(guān)）器件的應(yīng)用

2、功能電路設(shè)計(jì)

放大電路振蕩電路A/D-D/A電源電路控制電路變換電路比較電路第2頁(yè)/共55頁(yè)（1）溫度傳感器（PT100、熱敏電阻、雙金屬片（2）濕度傳感器（3）氣體傳感器（瓦斯氣體、一氧化碳、煙霧））（4）測(cè)距傳感器（超聲測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距）（5）（人體）熱釋電傳感器（6）速度測(cè)量傳感器(霍爾、干簧管、光電門、)（7）光度測(cè)量傳感器（9）聲(敏）傳感器(二)單元電路設(shè)計(jì)方法

3、初識(shí)傳感器

（8）力（敏）測(cè)量傳感器（10）位移測(cè)量傳感器（11）角（敏）傳感器-傾角、角度（12）力（敏）傳感器第3頁(yè)/共55頁(yè)(二)單元電路設(shè)計(jì)方法

3、初識(shí)傳感器

--溫度傳感器A熱敏電阻正溫度系數(shù)(PTC)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)溫度升高阻值增大溫度升高阻值減小構(gòu)成：用金屬鉑絲(0.02~0.07mm)繞制在線圈骨架上封裝在玻璃或陶瓷管等保護(hù)管內(nèi)構(gòu)成.(a)

鉑電阻(Pt100)Pt100：Pt100：用于測(cè)量控制溫度的場(chǎng)合Pt100：第4頁(yè)/共55頁(yè)應(yīng)用：標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，高精度工業(yè)測(cè)溫，高低溫測(cè)試PT100在0度時(shí)的阻值為100歐，100度的時(shí)候138.51歐

式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。

Pt100在常溫0~100攝氏度之間變化時(shí)線性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：RPt=100（1+At），當(dāng)溫度變化1攝氏度，Pt100阻值近似變化0.39歐。特點(diǎn)：輸入輸出特性接近線性(a)鉑電阻(Pt100)3、初識(shí)傳感器

--溫度傳感器第5頁(yè)/共55頁(yè)

R2、R3、R4和Pt100組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過(guò)TL431穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過(guò)調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。

放大電路采用LM358集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高帶來(lái)的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，如圖5.1所示，前一級(jí)約為10倍，后一級(jí)約為3倍。溫度在0~100度變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓Av對(duì)應(yīng)升高。

應(yīng)用電路：電橋+差動(dòng)放大第6頁(yè)/共55頁(yè)材料：特點(diǎn)：（1）溫度系數(shù)大→靈敏度高（為一般電阻的10~100倍）（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小→可以測(cè)量點(diǎn)溫度（3）電阻率高、熱慣性小→適于動(dòng)態(tài)測(cè)溫（4）易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)→適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫（5）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)半導(dǎo)體---半導(dǎo)體熱電阻（6）成本低，應(yīng)用廣泛b、熱敏電阻（過(guò)熱保護(hù)）非線性3、初識(shí)傳感器

--溫度傳感器第7頁(yè)/共55頁(yè)熱敏電阻的應(yīng)用家用電器電熨斗、電冰箱、電飯煲、洗衣機(jī)、電暖壺、烘干機(jī)、電烤箱、空調(diào)機(jī)、電熱毯、熱水器、熱得快、電磁爐、汽車電子電子噴油嘴、空調(diào)機(jī)、發(fā)電機(jī)防熱裝置、電熱座椅測(cè)量?jī)x器流量計(jì)、風(fēng)速表、真空計(jì)、濃度計(jì)、濕度計(jì)、空氣傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、辦公設(shè)備復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、掃描儀農(nóng)業(yè)園藝溫室控制、人工氣候箱、烘干系統(tǒng)、醫(yī)療器具體溫計(jì)、人工透析、散熱系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)、第8頁(yè)/共55頁(yè)基于熱敏電阻的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)器：Rt1Rt2Rt3：熱敏電阻(NTC)，安裝在三相繞組附近溫度低時(shí)

：電阻小三極管導(dǎo)通繼電器吸合電機(jī)運(yùn)行溫度高時(shí)

：電阻大三極管不導(dǎo)通繼電器不吸合電機(jī)停止熱敏電阻的應(yīng)用舉例同時(shí)控制三路電器，任一路出現(xiàn)問(wèn)題即切斷電源停止工作第9頁(yè)/共55頁(yè)彩電消磁電路：熱敏電阻的應(yīng)用舉例圖中R1是消磁電阻，其值在10毫秒間可從幾歐變化到幾K歐或更大。使消磁線圈在瞬間產(chǎn)生大電流進(jìn)行消磁。第10頁(yè)/共55頁(yè)

負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路熱敏電阻的應(yīng)用舉例對(duì)線圈電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?1頁(yè)/共55頁(yè)負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路熱敏電阻的應(yīng)用舉例第12頁(yè)/共55頁(yè)溫度電壓轉(zhuǎn)換電路熱敏電阻的應(yīng)用舉例變化量從反相端輸入，電阻變小時(shí)R4上端電壓升高Uo有電壓輸出，溫度變化越大。Uo越大。第13頁(yè)/共55頁(yè)熱敏電阻監(jiān)測(cè)控制應(yīng)用電路熱敏電阻的應(yīng)用舉例變化量從同相端輸入，反向端用穩(wěn)壓管固定比較電壓值，RT電阻變大時(shí)運(yùn)放3腳電壓升高，運(yùn)放6腳有電壓輸出，經(jīng)三極管放大后推動(dòng)繼電器動(dòng)作，使RL得電工作。第14頁(yè)/共55頁(yè)C數(shù)字溫度傳感器DS18B20DS18B20是單線數(shù)字式測(cè)溫芯片，它能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條接口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器雙向通訊。測(cè)溫范圍－55℃～＋125℃，測(cè)溫精度0.0625℃，數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間小于200ms。工作電源:3~5V/DC。3、初識(shí)傳感器

--溫度傳感器第15頁(yè)/共55頁(yè)DS18B20和AT89S52單片機(jī)的連接第16頁(yè)/共55頁(yè)DS18B20和2051單片機(jī)的連接第17頁(yè)/共55頁(yè)LM35是由NationalSemiconductor所生產(chǎn)的溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式如式，0度時(shí)輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。LM35有多種不同封裝型式，外觀如圖所示。D線性溫度傳感器LM353、初識(shí)傳感器

--溫度傳感器第18頁(yè)/共55頁(yè)在常溫下，LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到±1/4℃的準(zhǔn)確率。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，其接腳如圖所示，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的量測(cè)；DLM35單電源模式雙電源模式第19頁(yè)/共55頁(yè)兩種接法的靜止電流溫度關(guān)系如圖所示，在靜止溫度中自熱效應(yīng)低(0.08℃)，單電源模式在25℃下靜止電流約50μA，工作電壓較寬，可在4—20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電第20頁(yè)/共55頁(yè)LM35和部分器件組成溫控電路原理圖第21頁(yè)/共55頁(yè)LM35和ICL7107組成的數(shù)字溫度計(jì)第22頁(yè)/共55頁(yè)數(shù)字溫度計(jì)第23頁(yè)/共55頁(yè)濕敏電阻HR202特性參數(shù)

（at1kHz）單位：歐姆

工作范圍

20…95%RH0…60℃

供電電壓

1.5VAC(Max正弦波)

工作頻率

500Hz…2kHz

額定功率

0.2mW(Max正弦波)

中心值

（at25℃1kHz1VAC60%RH正弦波）31.0kΩ

阻抗范圍

（at25℃1kHz1VAC60%RH正弦波）19.8…50.2kΩ

濕度檢測(cè)

精度

±5%RH

應(yīng)用領(lǐng)域:

濕（敏）傳感器用于測(cè)量控制濕度的領(lǐng)域HR202濕敏電阻是采用有機(jī)高分子材料的一種新型的濕度敏感元件，感濕范圍寬，長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定，可以應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)、車廂、居室內(nèi)空氣質(zhì)量控制、樓宇自控、醫(yī)療、工業(yè)控制系統(tǒng)及科研領(lǐng)域等廣泛的應(yīng)用。3、初識(shí)傳感器

–

2濕（敏）傳感器第24頁(yè)/共55頁(yè)應(yīng)用接口電路：

濕度檢測(cè)電路濕（敏）傳感器第25頁(yè)/共55頁(yè)應(yīng)用電路-嬰兒尿濕報(bào)警器3、初識(shí)傳感器

–

2濕（敏）傳感器第26頁(yè)/共55頁(yè)-濕度頻率轉(zhuǎn)換電路濕（敏）傳感器第27頁(yè)/共55頁(yè)a瓦斯氣體傳感器(KGS-20)特性參數(shù)：

l.檢測(cè)電壓：（Vc、Vd）1～5V

2.取樣電阻：（RL）0.5-20KΩ

3.加熱電壓：（VH）0.9±0.05V

4.加熱功率：（P）約150mW

5.靈敏度：R0（air）／RS（5000ppmCH4）＞5

6.響應(yīng)時(shí)間：Tres＜10秒

7.恢復(fù)時(shí)間：Trec＜30秒

氣（敏）體傳感器用于測(cè)量控制各種氣體的領(lǐng)域3、初識(shí)傳感器

–

3氣（敏）傳感器第28頁(yè)/共55頁(yè)

KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅魇且远趸a為基本敏感材料的，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。TO-39金屬封裝的外殼上部帶有100目金屬絲網(wǎng)。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且功耗低。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)，用于瓦斯報(bào)警器，可燃?xì)鈭?bào)警器，瓦斯檢測(cè)儀等。

根據(jù)瓦斯傳感器的特性:

當(dāng)CH4濃度為1.5%時(shí)輸出20mV的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路使其放大10倍，得到200mV的模擬電壓信號(hào)。設(shè)定64AD模塊模擬量控制端輸入為0~5V的電壓信號(hào)由于模擬量模塊采集的瓦斯?jié)舛戎禐?-4000之間的數(shù)字量，在給定瓦斯?jié)舛认拗泣c(diǎn)的值時(shí)，要把其轉(zhuǎn)換成0-4000之間的數(shù)字量。1.5%對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為:0.2/(5-0)*(4000-0)=1600a瓦斯氣體傳感器(KGS-20)第29頁(yè)/共55頁(yè)典型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用接口電路a瓦斯氣體傳感器(KGS-20)第30頁(yè)/共55頁(yè)典型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用-瓦斯超限報(bào)警電路a瓦斯氣體傳感器(KGS-20)第31頁(yè)/共55頁(yè)典型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用-和單片機(jī)的接口電路a瓦斯氣體傳感器(KGS-20)第32頁(yè)/共55頁(yè)特性參數(shù)

l、回路電壓：(Vc)5-24V

2、取樣電阻：(RL)0.5-20KΩ

3、加熱電壓：(VH)5±0.1V

4、加熱功率：(P)約750mW

5、靈敏度：R0(air)/RS(1000ppmC4H10)＞5

6、響應(yīng)時(shí)間：Tres＜10秒

7、恢復(fù)時(shí)間：Trec＜30秒工作環(huán)境：溫度-10-+50℃、相對(duì)濕度0-90％RHb天然氣、液化石油氣（CO）傳感器2M0031外形尺寸（mm）

2、接線圖

A-a內(nèi)部短路為第一測(cè)量極

B-b內(nèi)部短路為第二測(cè)量極

H-h加熱極3、初識(shí)傳感器

–

3氣（敏）傳感器第33頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)試電路：b天然氣、液化石油氣（CO）傳感器2M003第34頁(yè)/共55頁(yè)圖3-2煙霧報(bào)警系統(tǒng)電路圖R3和電位器R4并聯(lián)之后與R5相串聯(lián)，5管腳處電壓值為2.5v，其中R4為調(diào)敏電阻。當(dāng)無(wú)煙霧時(shí)，MQ不導(dǎo)通，電壓比較器的5管腳電壓值為0，則通過(guò)比較，7號(hào)管腳輸出低電平給單片機(jī)。當(dāng)有煙霧出現(xiàn)時(shí)，MQ導(dǎo)通，5管腳大約為5v，則7號(hào)管腳輸出高電平給單片機(jī)，從而由單片機(jī)觸發(fā)二極管和語(yǔ)音芯片，發(fā)光并發(fā)出119火警信號(hào)。應(yīng)用電路之一b天然氣、液化石油氣（CO）傳感器2M003第35頁(yè)/共55頁(yè)上電后煙霧傳感器輸出電壓為1.6V。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到有煙霧的時(shí)候，輸出端的電壓逐漸升高，輸出端接到LM339比較器，比較電壓設(shè)為2.5V。由于比較出來(lái)的電壓帶負(fù)載能力低，所以如果直接接到單片機(jī)上電壓會(huì)拉低，因此我們?cè)偌右粋€(gè)LM324做了一個(gè)電壓跟隨器，這樣輸出電壓接到單片機(jī)上不會(huì)變低，帶負(fù)載能力增強(qiáng)。當(dāng)有煙霧的時(shí)候，單片機(jī)監(jiān)測(cè)到高電平從而做出相應(yīng)的反應(yīng)。應(yīng)用電路之二b天然氣、液化石油氣（CO）傳感器2M003第36頁(yè)/共55頁(yè)應(yīng)用電路之三b天然氣、液化石油氣（CO）傳感器2M003第37頁(yè)/共55頁(yè)a、超聲測(cè)距傳感器

一種可實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）這種裝置能夠發(fā)射超聲波，同時(shí)還可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波傳感器外形超聲波探頭主要技術(shù)參數(shù)

①

中心頻率：40±1KHZ

②超聲波探頭反射靈敏度：1.0mVp-p

Min.

③余振時(shí)間1.5msec.

Max.

④指向性：水平探測(cè)角度（6dB)120±10°，垂直探測(cè)角度（6dB）60±10°。

⑤絕緣阻抗：100MΩ。

(100V

DC)

⑥最大輸入電壓：140Vp-p

Max．

(正弦波，40KHZ

,施加超聲波時(shí)間0.5msec.

,間隔時(shí)間100msec.)。

⑦工作溫度：-30℃～85℃

儲(chǔ)存溫度：-40℃～85℃

⑧引線長(zhǎng)度：8米

Max．超聲波探頭組成

①

壓電陶瓷

②

吸聲材料

③

殼體

④

引線3、初識(shí)傳感器

–

4測(cè)距傳感器第38頁(yè)/共55頁(yè)被測(cè)距離:c---聲速t---往返飛行時(shí)間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測(cè)距手持測(cè)距儀---盲人導(dǎo)盲汽車倒車?yán)走_(dá)---汽車安全工業(yè)應(yīng)用---超聲測(cè)量液位、物位特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測(cè)量范圍小波束聚焦困難，測(cè)量精度低測(cè)量目標(biāo)不能太??；超聲測(cè)距原理：超生探頭被測(cè)目標(biāo)a、超聲測(cè)距傳感器第39頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)距電路由發(fā)射和接收電路組成：超聲測(cè)距電路：a、超聲測(cè)距傳感器第40頁(yè)/共55頁(yè)典型發(fā)射電路之一a、超聲測(cè)距傳感器第41頁(yè)/共55頁(yè)超聲波接收電路之一a、超聲測(cè)距傳感器第42頁(yè)/共55頁(yè)為了有更高的聲壓級(jí)和靈敏度，選用需要較高發(fā)射電壓和大角度的超聲波傳感器，單片機(jī)輸出40K的方波信號(hào)，經(jīng)變壓器升壓，作用于超聲波傳感器。使發(fā)射功率更大。實(shí)用發(fā)射電路之二a、超聲測(cè)距傳感器第43頁(yè)/共55頁(yè)

超聲波傳感器接收回波信號(hào)，經(jīng)耦合電容送入前置放大電路，放大的信號(hào)經(jīng)帶通濾波電路、后級(jí)放大電路、電壓比較電路后完成回波信號(hào)的處理并向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)。實(shí)用接收電路之二：a、超聲測(cè)距傳感器第44頁(yè)/共55頁(yè)

由于超聲波在不同溫度下傳播速度不同，超聲波速度c與溫度T有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可以表示為：

式中T為環(huán)境攝氏溫度℃。為了提高測(cè)量精度，可采用數(shù)字溫度傳感器DS1820采集環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。測(cè)距溫度補(bǔ)償：a、超聲測(cè)距傳感器第45頁(yè)/共55頁(yè)1.測(cè)量射程范圍：10to80cm2.最大允許角度：>40°3.電源電壓：4.5to5.5V4.平均功耗：35mA5.峰值功耗：約200mA6.更新頻率/周期：25Hz/40ms7.模擬輸出噪聲：<200mV8.測(cè)量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4V~0.4V模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)10cm~80cm，輸出與距離成反比非線性關(guān)系。GP2D12產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)：

b、紅外測(cè)距傳感器（夏普GP2D12）3、初識(shí)傳感器

–

4測(cè)距傳感器第46頁(yè)/共55頁(yè)該光電傳感器為NPN常開型反射式傳感器，自發(fā)自收。工作電壓為5V，工作電流為100mA。有效測(cè)量距離為80cm。易于裝配，使用方便，可以很方便的實(shí)現(xiàn)小車的避障等功能。

通過(guò)調(diào)節(jié)后部的螺絲，可以改變?cè)搨鞲衅鞯谋苷暇嚯x。即避障距離可以在0－80cm之間可調(diào)。該傳感器為開關(guān)量傳感器，輸出的為1，0開關(guān)量信號(hào)，可以和單片機(jī)直接連接使用。C、紅外測(cè)距傳感器（避障模塊、尋跡模塊）3、初識(shí)傳感器

–

4測(cè)距傳感器第47頁(yè)/共55頁(yè)TK-20黑白線檢測(cè)傳感器是TK-10的升級(jí)版，有效探測(cè)距離達(dá)5cm。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10cm（該距離下，探測(cè)黑白線的精度降低）。

這款黑白線傳感器繼承了TK-10的受可見(jiàn)光干擾小，輸出信號(hào)為開關(guān)量，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，使用非常方便外，還增加了探測(cè)距離調(diào)節(jié)器、改進(jìn)了探測(cè)距離、加強(qiáng)了探測(cè)精度（在有效量程內(nèi)，可對(duì)報(bào)紙大標(biāo)題進(jìn)行感應(yīng)）。

應(yīng)用場(chǎng)合：

1.白底黑線或黑底白線的檢測(cè)；

2.完成小車或機(jī)器人尋跡功能；注意事項(xiàng)：

該傳感器為開關(guān)量傳感器，輸出為TTL電平，可以直接和單片機(jī)連接，但需要在輸出端加上拉電阻，使用方法如紅外避障傳感器。（如不加上拉電阻會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則電平輸出）d、紅外測(cè)距傳感器（黑白線檢測(cè)傳感器TK-20）特性：

U:5VDCI:20mASn:0－5CM3、初識(shí)傳感器

–

4測(cè)距傳感器第48頁(yè)/共55頁(yè)(1)激光測(cè)距特點(diǎn)：測(cè)量距離可達(dá)幾公里甚至幾十公里（主要手段）(2)激光測(cè)距方法：飛行時(shí)間法、相位差法(a)飛行時(shí)間法：被測(cè)距離:c---光速t---往返飛行時(shí)間(b)相位差法：被測(cè)距離:c---光速f0---脈沖頻率

-相位