第十一章 传感器应用技术.ppt

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1、第11章　传感器应用技术11.1信号变换11.2驱动电路分析及外围电路器件选择思考题与习题11.1信号变换在实际应用中，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，常常需要借助各种信号变换器进行信号变换。　　这些变换通常包括以下几种：(1)利用I-U变换把直流电流(I)变换成直流电压(U)。(2)利用u-U变换把交流电压(u)变换成直流电压(U)(亦称AC-DC变换)。(3)利用i-U变换把交流电流(i)变换成直流电压(U)。(4)利用R-U变换把电阻值(R)变换成直流电压(

2、U)(亦称Ω-U变换)。(5)利用C-U变换把电容量(C)变换成直流电压(U)。(6)利用f-U变换把频率(f)变换成直流电压(U)。11.1.1电流-电压(I-U)变换器最简单的电流-电压变换电路如图11.1所示。　　显然，Uo=IiR，因此，Uo与电流Ii成正比。　　通常采用高输入阻抗运算放大器，如LM356、CF3140、F071～F074、F353等，可方便地组成电流-电压变换器。一个简单的方案如图11.2所示。图11.1最简单的电流-电压变换电路图11.2简单电流-电压变换电路该电路能提供正比于输入电流的输出电压，比例常数就是反馈电阻R，即Uo=－IiR如

3、果运算放大器是理想的，那么它的输入电阻为∞，输出电阻为零。R阻值的大小仅受运放的输出电压范围和输入电流大小的限制。　　一种大电流-电压变换电路如图11.3所示。该电路中，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。输入电流在0.1～1A范围内，其变换精度为±0.5%。图11.3大电流-电压变换电路根据该电路的结构，只要选用R1=R2=RF，R3=R4=R5=R6=Rf，则差动放大倍数为由上式可见，R7越小，Kd越大。调节RP2，可以使Kd在58～274内变化。当Kd=100时，电流-电压变换系数为10V／A。运算放大器必须采用高输入阻抗(107～10

4、12Ω)、低漂移的运算放大器。　　另一种微电流-电压变换电路如图11.4所示。该电路只需输入5pA电流，就能得到5V电压输出。图11.4微电流-电压变换电路11.1.2电压-电流(U-I)变换器1.负载浮动的U-I变换器一个简单的U-I变换电路如图11.5所示。它类似于一个同相放大器，RL的两端都不接地。利用运算放大器的分析概念可得，输出电流与输入电压的关系：　　调节RP就可以改变输入电压与输出电流之间的变换系数。通常所用的运算放大器其输出最大电流约为20mA。为了降低运算放大器的功耗，扩大输出电流，在运算放大器的输出端可加一个三极管驱动电路，如图11.6所示。该电路的

5、输入为0～1V，输出为0～10mA。图11.5负载浮动的U-I变换电路图11.6一种改进的U-I变换电路2.负载接地的U-I变换器一种负载接地的U-I变换电路如图11.7所示。该变换器的工作原理与浮动负载U-I变换器的类似。所不同的是，电流采样电阻R7是浮动的，而负载RL则有一端接地，所以需要两个反馈电阻R3和R4。当R1=R2，R3=R4+R7时，输出电流为　　对于来自传感器的微弱电压信号，实现远距离传输是比较困难的。此时，将电压信号变换为电流信号后再进行长线传输，就可得到满意的效果。图11.8所示就是一个精度较高的电压-电流变换电路。图11.7负载接地的U-I变换电路图11

6、.8高精度U-I变换电路11.1.3交流电压-直流电压(u-U)变换器和交流电流-直流电压(i-U)变换器把交流电压变换成直流电压亦称AC-DC变换。图11.9是使用二极管的整流电路，该电路利用半波整流把交流电变成直流电。直流输出电压Uo可用下式表示：但是，从图11.10所示的硅二极管的正向伏安特性曲线可以看出，用硅二极管进行半波整流时，如果Um＜0.5V，则输出电压Uo≈0。显然，该电路不能把峰值在0.5V以下的交流电压转换成直流电压。图11.9简单整流电路图11.10硅二极管的正向伏安特性曲线为此，可采用图11.11(a)所示的由运算放大器构成的线性整流电路。这时，Um与Uo

7、呈线性关系，如图11.11(b)所示。实际应用中，图11.11(a)所示电路的输出端对地还要接滤波电容，使输出电压Uo平滑。　　如果要测量输入正弦波的有效值，则还需增加一级放大器并能对放大器的增益进行调整，以便对输入正弦波的有效值进行校准。图11.12就是一种实用的电路。该电路是由半波整流电路和平均值-有效值转换器构成的线性变换电路。考虑到下级是反相放大器，图中V2的输出(即R5的输入)是负半周整流波形。20μF电容起平滑作用，使输出得到直