二、常用传感器的工作原理及应用
(一)温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器;能够利用物质的各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量信号输出。温度传感器的种类比较多,按测量方式不同可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。本节主要介绍热敏电阻器、集成温度传感器等温度传感器。
1.热敏电阻器
热敏电阻器是指随其电阻体温度的变化而显著变化的热敏元件。热敏电阻器是电阻值对温度极为敏感的一种电阻器,也叫半导体热敏电阻器。它可由单晶、多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成。这种电阻器具有一系列特殊的电性能,最基本的特性是其阻值随温度的变化有极为显著的变化,以及伏安曲线呈非线性。
(1)热敏电阻的外形及元件符号
①常见的热敏电阻器的外形有圆形、垫圈型、管型,如图3-2所示。
②热敏电阻器在电路中的符号如图3-3所示。
图3-2 热敏电阻器的外形
图3-3 热敏电阻器符号
(2)热敏电阻器的特点
①电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,可测温度范围为-50℃~350℃。②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃),低温器件适用于-273℃~55℃。③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度。④使用方便,电阻值可在0.1kΩ~100kΩ间任意选择。⑤稳定性好、过载能力强。
(3)热敏电阻器的分类
热敏电阻器按其阻值对温度变化的特性,可以分为负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)器和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度器(CTR)。
(4)热敏电阻器的型号命名方法
①热敏电阻的命名法。国产热敏电阻器的型号命名一般分为四部分:第一部分为字母符号,用字母“M”表示主称为敏感电阻器。第二部分用字母表示敏感电阻器的类别,“Z”表示正温度系数热敏电阻器,“F”表示负温度系数热敏电阻器。第三部分用数字0~9表示热敏电阻器的用途或特征。第四部分用数字或字母、数字混合表示序号。
②热敏电阻的命名各部分字母含义表。
表3-1 热敏电阻的命名与格字母含义
(5)负温度系数热敏电阻器(NTC)
①NTC的组成及工作特点。负温度系数热敏电阻器,它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料,采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质,因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。其工作特点是:在工作温度范围内电阻值随温度的升高而降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围是100~1000000欧姆,温度系数-2%~-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。
②NTC的主要参数。常见玻璃封装系列NTC热敏电阻的主要参数,见表3-2所示。
表3-2 玻璃封装系列NTC热敏电阻
③用万用表简易测试NTC。A.测量NTC的阻值:在室温下,测量热敏电阻的阻值时,用万用表测其阻值的同时,用发热元件(灯泡、电烙铁等)对热敏电阻进行烘烤。当温度升高时,阻值增大的话,则说明该热敏电阻是正温度系数的热敏电阻器若阻值降低,说明该热敏电阻是负温度系数热敏电阻器。B.估测电阻温度系数αt:由公式αt=可知,假设在室温t1下测得电阻为Rt1;在用电烙铁靠近热敏电阻时,测得电阻为Rt2;然后用温度计测得此时热敏电阻表面的平均温度为ta。把测出的相应参数带入公式,就可以估算出αt。测试方法,如图3-4所示。
图3-4 NTC的电阻温度系数αt测试图
(6)正温度系数热敏电阻器(PTC)
①PTC是一种具温度敏感性的半导体电阻,当温度低于居里温度(120℃~16℃)时,电阻几乎不变,当高于居里温度温度时电阻率发生突变。总的来说PTC在一定温度范围内,其阻值随温度的升高而增大。
②PTC的主要参数见表3-3所示。
表3-3 PTC的主要参数表
③万用表简易检测PTC。检测时将万用表调到欧姆R×1K档,具体可分两步操作:A.常温检测(室内温度接近25℃),将两表笔接触PTC热敏电阻的两引脚测出其实际阻值,并与标称阻值相对比,二者相差在±2Ω内即为正常。实际阻值若与标称阻值相差过大,则说明其性能不良或已损坏。B.加温检测,在常温测试的基础上进行第二步测试,将热源(例如电烙铁)靠近PTC热敏电阻对其加热,同时用万用表检测其电阻值是否随温度的升高而增大。如是则说明热敏电阻正常,若阻值无变化,说明其性能变差,不能继续使用。注意:不能把热源与PTC热敏电阻靠得过近或直接接触热敏电阻,以防止将其烫坏。
2.集成温度传感器
集成温度传感器是指将温度晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器。它与其他温敏元件相比,最大的优点在于输出的结果与绝对温度成正比,即是理想的线性输出。同时其体积小、成本低、方便使用,因此广泛应用于温度检测、控制和许多温度补偿电路中。集成温度传感器一般分电压型集成温度传感器和电流型集成传感器两种。
(1)电压型集成温度传感器(LM35)
LM35是由美国半国家半导体公司(NSC)生产的温度传感器,其相关的知识如下:
①LM35温控特性:其输出电压与摄氏温标呈线性关系。转换公式为VoutLM35(T)=10mV/℃,0℃时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。
②LM35电路中接法:在常温下,LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,其接法如图3-5所示。正负双电源的供电模式可提供负温度的量测。单电源模式在25℃下静止电流约50μA,工作电压较宽,可在4~20V的供电电压范围内正常工作。
③LM35封装形式,如图3-6所示,分别为LM35的引脚图及四种封装图。
图3-5 LM35电路接法
图3-6 LM35封装图
④LM35主要技术参数,见表3-4。
表3-4 LM35主要技术参数表
(2)电流型集成温度传感器(AD590)
AD590是美国哈里斯公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。其相关的功能特性相关知识如下:
①AD590温控特性:AD590温度传感器可以将温度转换为电流,温度每增加1℃,它会增加输出电流1μA,但其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准,输出电流公式为Iout=(273+T)μA(T为摄氏温度)。假设此时的室温30℃时,其输出电流Iout=(273+30)μA=303μA。
②AD590封装形式,如图3-7所示,为AD590的外形及在电路中符号。
图3-7 AD590的外形及符号
③AD590主要技术参数:AD590根据温控精度高低或非线性误差可分I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高。常见的AD590主要技术参数,见表3-5所示。
表3-5 AD590主要技术参数表
(二)光电传感器
光电传感器是指能将光信号转换为电信号的一种传感器。光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成;能够利用光的各种性质,检测物体的有无和表面状态的变化情况。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射,到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化,转换为电气信号输出。下面介绍一些常用光电传感器的工作原理及使用方法。
1.光敏电阻器
(1)光敏电阻器的材料与结构
①光敏电阻器的材料。光敏电阻器一般主要是采用金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体材料制作而成,能够利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小,这种现象称为光导效应,因此光敏电阻器又称光导管。
②光敏电阻器的结构是把条形的光敏材料在圆形管壳内,有的还用玻璃等透明材料制作防护罩。图3-7分别为光敏电阻器的外形结构及在电路中的符号。
图3-7 光敏电阻器外形及其符号
(2)光敏电阻器的主要参数
光敏电阻器的主要参数包括暗电阻、亮电阻、光谱响应范围、峰值波长、时间常数等。
①暗电阻与亮电阻器。这是光敏电阻性能中最主要的一个参数,所谓暗电阻是指在不受光照射时所测得的电阻值。在给定的工作电压下,流过光敏电阻器的电流叫暗电流。在有光照射时,光敏电阻器的阻值称为亮电阻,此时的电流称为亮电流,亮电流与暗电流的差值称为光电流。显然,亮电阻与暗电阻之差越大,光电流越大,灵敏度越高,光敏电阻器的性能越好。实用的光敏电阻器,其暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ,而亮电阻则在几千欧以下。
②光谱响应范围及峰值波长。光敏电阻器的光谱响应特性表示光敏电阻对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度的波长区间称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值称为光谱响应峰值波长。
③时间常数是指光敏电阻器自停止光照起,到电流下降到原来值的63%所需的时间。不同材料的光敏电阻器具有不同的时间常数。
④常见光敏电阻参数,见表3-6所示。
表3-6 常见光敏电阻器参数表
续表:
2.光敏二极管
(1)光敏二极管外形与符号
光敏二极管也叫光电二极管,其外形及符号如图3-8所示。
图3-8 光敏二极管外形与符号
(2)光敏二极管特性
①光敏二极管在电路中通常是处于反向偏置状态,所以在使用光敏二极管时要反向接入电路中,即P极接电源负极,N极接电源正极。
②光敏二极管当没有光照射时,其反向电阻比较大,反向电流很小,这种反向电流也称为暗电流。当有光照射时,PN结及其附近产生电子-空穴对,它们在反向电压的作用下参与导电,形成比无光照时大得多的反向电流,该反向电流称为光电流。此时光敏二极管的反向电阻下降,光电流与光强度成正比。
(3)用万用表检测光敏二极管
①检测光敏二极管的极性。一般来说光敏二极管的极性可以从它的外形识别,如图3-8所示。一般脚长为正,脚短为负,或者靠近色点或管键的管脚为正,另一极为负。当然也可以通过用万用表测试,辨别出极性。一般是将万用表调至欧姆的R×1K档,将红、黑表笔任接于光敏二极管两脚,测出阻值为R1;再将量表调换接于光敏二极管两端,测出电阻R2。比较R1、R2大小,电阻小的那一次,黑标笔接的为光敏二极管的正极,红表笔接的为负极。一般光敏电阻的正向电阻为几千欧左右,而反向电阻为200千欧以上。在测量的时候,注意要遮住器件,不让光射入窗口。
②检测光敏二极管的好坏。让光照射光敏二极管顶端窗口时,再去测它的反向电阻。如果光线越强,反向电阻应不断减小,甚至减到几百欧左右;再遮住光敏二极管的顶端窗口,测反向电阻。此时反向电阻应该会马上增大到200千欧以上。这说明该光敏二极管是良好的。
(4)常见光敏二极管的主要参数
常见光敏二极管的主要参数,详见表3-7。
表3-7 常见光敏二极管的主要参数表
3.光敏三极管
(1)光敏三极管的外形及符号
光敏三极管,又简称为光敏管,其外形及符号如图3-9所示。
图3-9 光敏三极管外形与符号图
3-10 光敏三极管偏置电路
图
(2)光敏三极管特性
①光敏三极管和普通三极管的结构相类似,对电流也有放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电流控制,同时也受光辐射的控制。光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面,一般用集电结作为受光结。因此光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。通常基极不引出,但一些光敏三极管的基极有引出,用于温度补偿和附加控制等作用。
②图3-10为光敏三极管在电路中的连接方式,它的集电结反向偏置,发射结正向偏置。无光线照时,仅有很小的电流流过,当有光线照射集电结时,与光敏三极管的情况相识,将形成很大的集电极电流。
③虽然说光敏三极管与光敏二极管在工作上有很多相似,但是光敏二极管的光照特性较好,适合做检测元件。而光敏三极管在照度小时,光电流随照度增加而变小,且在大电流时有饱和现象,因此光敏三极管不适于弱光和强光的检测。
(3)常见光敏三极管的主要参数
常见的光敏三极管的主要参数,详见表3-8。
表3-8 常见三极管的主要参数表
(4)用万用表简易测试光敏三极管
①辨别三极管的极性。一般可以从外形上辨析出光敏三极管的极性,如图3-9所示,靠近色点或管键的那脚为发射极E,另一极为集电极C。一般刚出厂的光敏三极管脚长的为发射极E,较短的为集电极C(只对无基极引线的三极管而言)。
②用万用表检测光敏三极管的好坏。将万用表调到欧姆挡的R×1K挡,用红表笔接光敏三极管的发射极E,黑表笔接光敏三极管的集电极C,再分别遮住光敏三极管的受光窗口与让它受光两种情况下,测试其相应的电阻。如果在遮光的情况下,电阻非常的大甚至是无穷大;光照的情况下阻值在几千欧左右,说明光敏三极管良好,反之则不行。
4.光耦合器
光耦合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。其以光为媒介进行传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,输出信号对输入端无影响、抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长,传输效率高。所以它广泛地应用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器等电路中。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
(1)光耦合器结构符号与外形
光耦合器一般由发光源与受光器两部分组成,发光源和与受光器组装在同一密闭的壳体内,彼此之间用绝缘题隔离,或制作成槽式结构。而常见的发光源为红外发光二极管,受光器为光敏二极管或光敏三极管等,所以光耦合器一般有4个脚或6脚,双列直插式封装结构。以光耦合器4N25为例,如图3-11所示分别为4N25的外形、结构和符号。
图3-11 4N25光耦符号结构和外形
(2)光耦合器工作原理
光耦合器是把发光源与受光器等处理电路封装在同一管座内的器件。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小。发光源发的光照射到封装在一起的受光器上,受器件接受光信号并转换成电信号,然后将电信号直接输出,或者将电信号放大处理成标准数字电平输出。这样就实现了“电—光—电”的转换及传输,光是传输的媒介,因而输入端与输出端在电气上是绝缘的,也称为电隔离。
(3)光耦合器种类
①光耦合器分为两种:一种是非线性光耦,另一种是线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的,这类光耦适合开关信号的传输,不适合传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦,如4N25、4N26、4N35、4N36。而线性光耦的电流传输特性曲线接近直线,并且小信号时性能较好,能以线性特性进行隔离控制。常用的4脚线性光耦是有PC111、TLP52、PC817A-C,而六脚线性光耦有LP632、TLP532、PC614、PC714、PS2031。开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦,有可能使振荡波形变坏,严重时出现寄生振荡,使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次调制。由此产生的后果是对彩电、彩显、VCD、DCD等的图像画面产生干扰,同时电源带负载能力下降。在彩电,显示器等开关电源维修中如果光耦损坏,一定要用线性光耦代换。
②光耦合器的类型与符号。光耦合器根据其内部发光源与受光器的不同,有不同的种类。下面列举几种常见的典型的中光耦合器的类型及其相应的在电路中的符号,如图3-12所示。
图3-12 光耦的电路图形符号
(4)光耦合器的应用
①在逻辑电路上的应用。光耦合器可以构成各种逻辑电路,由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好,因此由它构成的逻辑电路更可靠。
②作为固体开关应用。在开关电路中,往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离,对于一般的电子开关来说是很难做到的,但用光耦合器却很容易实现。
③在触发电路上的应用。将光电耦合器用于双稳态输出电路,由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路,可有效地解决输出与负载隔离地问题。
④在脉冲放大电路中的应用。光耦合器应用于数字电路,可以将脉冲信号进行放大。
⑤在线性电路上的应用。线性光电耦合器应用于线性电路中,具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。
⑥特殊场合的应用。光电耦合器还可应用于高压控制,取代变压器,代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。
(5)光耦的简易测试
①静态测试:从光耦合器的组成结构上可以知道,其输入端与输出端之间是相互隔离的,所以可以对其输入(发射管)和输出(接收管)进行测试。将万用表调到R×100或R×1挡,分别去测试发射管和接收管。对于一个正常的发射管,其正向导通电阻为几百欧左右,反向电阻无穷大,可以通过测试得到的电阻值,判断其发射管是否正常。而接收管检测时用R×1挡,红表笔接收管的发射极,黑表笔接集电极来测其正向电阻,万用表指针微动或不当,再交换两表笔,指针应动;c、e之间的正反向电阻都是无穷的大。在检测前选挡的时候,千万要注意选好挡,别选到R×10K挡,因为R×10K挡电池电压为9V,在测量的时候很容易击穿发射管。
②动态测试:选好两台万用表,一台调到R×1挡,黑标笔接正极。红表笔接负极,使发射管导通。另一台调到R×10挡,测接收管,红表笔接发射极e,黑表笔接集电极c,其输出端的正向电阻应为几十欧左右,反向电阻应是无穷的大。如果接收管两端的正反向电阻变化不大,说明该光耦已经损坏不能使用。
(三)红外光传感器
红外传感器是指能感受红外光并转换成可用输出信号的传感器。红外线又称红外光,它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质,只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度),都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高、响应快等优点。红外光传感器广泛应用于无接触温度测量,气体成分分析和无损探伤,在医学、军事、空间技术和环境工程等领域广泛应用。
1.红外线接收头
红外线接收头采用小型设计、内屏蔽模块封装,广泛应用于电视机、电风扇、DVD、红外线遥控玩具等电子产品中。
(1)红外线接收头外形及符号
红外线接收头一般是以三个脚的封装形式出现,其符号及外形,如图3-13所示。
图3-13 红外接收头的外形
(2)红外发光二极管工作原理
如图3-13所示,红外接收头有三个管脚:Out、GND、VCE。1脚接地,2脚接电源正极,3脚为脉冲信号输出端。先确定接地脚,带屏蔽壳红外接收头,其有一脚接屏蔽壳,电源脚对地的电阻值(压降)不管正反向都要比信号脚对地的电阻值(压降)小。大多数遥控接收头输出端在没接收到38KHZ左右的红外发射的信号时,输出为高电位(一般为4.8~5.0V),一旦接收到信号后,信号输出端电压就会下降,输出一个或多个脉冲群。大多数红外接收头解调中心频率为38KHz,但也有一些接收头中心频率为36KHz、37KHz、39KHz、40KHz。如果发射频率与接收频率相差1KHz,大多可以正常遥控,相差2KHz以上则会出现遥控不灵现象。红外发射遥控器有无信号发射,可用手机摄像功能对着发射管摄像/拍照,如果发现有紫光,说明遥控器是好的。
(3)常见红外接收头的主要参数
表3-9 常见红外接收头参数表
2.热释电红外传感器
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量变化,并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路、电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。如图3-15所示,为热释人体传感器接收人发出的红外线信号工作图。
(1)热释电红外传感器外形与符号
热释电红外传感器一般有三个管脚,分别为D、S、G。图3-14所示分别为热释电红外传感器的外形及电路符号。
图3-14 PIR热释电的符号与外形
图3-15 人体通过传感器发生的信号
(2)热释电红外传感器结构
一般来说热释电红外传感器主要是由敏感元件、场效应管、高值抗变换管、滤波窗灯组成。但有时热释电红外传感器在使用的时候,为了更好地接收被测物信号,会在滤波窗前加菲涅尔透镜,如图3-16所示分别为传感器结构、内部等效电路。
图3-16 PIR的结构及等效电路
①敏感单元:敏感单元用热释电材料锆钛酸铅(PZT)制成。这种材料在外加电场撤销后,仍然保持极化状态,且极化强度随温度升高而下降。制作时先把这些材料制成很薄的薄片,再从薄片两面各引出一根电极,构成有极性的小电容。此结构由于温度的变化而输出的热释电信号是有极性的。然后把两个极性相反的热释电敏感单元做在同一晶片上,这样由于环境的影响而使整个晶片发生温度变化时,极性相反的敏感单元产生的热释电信号相互抵消,传感器无输出;当人体停止在传感器检测范围内时,两个敏感单元产生的热释电相互抵消,也无信号输出。同样,在阳光下,由于阳光的移动速度极慢,加上传感器的频率响应低(一般为0.1Hz~10Hz)、在红外波长敏感范围窄(一般为5μm~15μm),因而热释电传感器可以抗可见光及其绝大部分红外线的干扰,只对运动的人体敏感。
②高阻抗变换管(RG)和场效应管(BG):由于常用的热释电敏感材料的阻抗值高达1013Ω,因此要用场效应管进行阻抗变换,才能在在实际中使用。SD02中一般采用2SK303V3等构成源极跟随器,高阻抗电阻起释放栅极电荷的作用,一般在源极输出接法下,源极电压约为0.4V~1.0V。外界信号进过场效应管处理,传感器输出的信号就能用普通的放大器进行处理。
③滤光窗:由于滤感元件对各个波长具有一定的敏感性,为了对阳光、电灯光等有一定的抗干扰性,而对人体发出的红外线最敏感,在一块薄玻璃片上镀多层滤光层薄膜。该光窗能有效地滤除7.0μm~14μm波长以外的红外线。物体发出的红外辐射能量最强时,其波长与温度的关系满足λm×T=2989(μm.K)(其中:λm为最大波长,T绝对温度)。而人体温度为36℃~37℃,辐射红外线最强波长为9.67μm~9.64μm,恰好落在滤光窗的响应波长范围内。因此,滤光窗能很好地让人体辐射的红外线通过而阻止其他射线通过,以免引起干扰。
图3-17 菲涅尔透镜的外形图
④菲涅尔透镜:热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用,才能发挥最大作用,可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少10m范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组,每个单位一般都只有一个不大的视场,且相邻的视场既不连续也不交叉,都相隔一个盲区。这样当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时,人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上,形成一个不断交替变化的盲区和亮区,使得敏感单元的温度不断变化。这相当于进入一个视场后,又走出这个视场,再进入另一视场,传感器从而输出信号。如图3-17为菲涅透镜的外形图。
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