第13章 集成传感器课件.ppt

传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,1,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.1 概述,半导体技术和电子技术的进步推动了传感器技术的迅猛发展。目前，传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。据预测，目前智能传感器的市场销售量将以每年20%的速度 增长，应用领域也越来越广泛，仅在汽车上使用的智能传感 器就达几十种，如：加速度传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器；还有高智能化的用于车道跟踪、车辆识别、车距探测、卫星 定位等新型传感器。单片集成传感器作为21世纪最具有影响力和发展前景的一项 高科技产品，必然引起国内外相关领域的高度关注。,2,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.1.1 智能传感器基本特点,智能传感器的最大特点是将传感器检测信息的功能与微处理 器的信息处理功能有机地融合在一起，一定意义上看具有类 似人工智能的作用。智能传感器的主要功能与特点如下：,智能传感器的功能加 智能传感器不仅可自动检测各种被测量，还具有自动调零、自动调节平衡、自动校准、自标定功能。2.智能传感器的特点 与传统传感器相比，智能传感器的主要特点是：高精度、宽量程、多功能化、高可靠性、高性价比、自适应能力、微型化、微功耗、高信噪比等。,3,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.1.2 智能传感器发展,智能传感器正朝着单片集成化、网络化、系统化、多功能、高精度、高可靠性的方向发展。其发展趋势主要表现在以下 几个方面：,1.新的半导体工艺 计算机技术和微电子技术的进步推动了传感器技术发展，这种技术和生产力的转化使传感器的研究和制作有新的突破功能。指纹芯片，内嵌指纹识别技术的芯片，能够片上实现指纹的图像采集、特征提取、特征比对的芯片 2.单片传感器系统 单片系统的英文缩写为SOC（System On Chip），可译为“系 统级芯片”或“系统芯片”，其含义是将一个可灵活应用的系 统集成在一个芯片上。,4,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.1.2 智能传感器发展,3.智能微尘传感器 理想的智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑功能的 超微型传感器。用肉眼看，它和一粒沙子差不多大，但是内部 包含了从信息收集、信息处理到信息传输所必需的全部部件。目前智能微尘直径约为5mm。,5,ppt课件,4.总线技术的标准化与规范化 传感器的总线技术正逐步实现标准化、规范化。目前智能型传 感器的总线主要有：,1-WIRE总线 单总线；USB 通用串行总线；SPI 三线串行总线；I2 C 二线串行总线；,6,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.1.2 智能传感器发展,5.虚拟传感器和网络传感器 所谓虚拟传感器有虚拟仪器的概念，就是基于软件系统开发和研制智能传感器。霍尼威尔的精密智能压力传感器PPT系列传感器是一个既非常精确又标准的模拟电压输出装置,也是一个完善的、具有地址的数字传感器,并可在RS232总线上很多传感器一起联网使用。PPT传感器可以帮助用户向数字丈量系统过渡,而不用增加新的昂贵的硬件设备。6.可靠性与安全性设计 智能传感器一般具有自检和自校准功能。利用传感器的自检模式，可以模拟各种条件下的不同状态，定期检查系统的性能。,7,ppt课件,8,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.2 单片智能温度传感器,目前，温度传感器正向着单片集成化、数字化、智能化、网络化和系统化的方向发展。实际应用中单片集成式温度传感器分为：数字集成温度传 感器；模拟式集成温度传感器；智能温度传感器；通用 智能温度控制器。工作原理、输出信号和使用方法上也有一定的差别。,智能型温度传感器、温控器是将 A/D 转换电路，ROM存储器集成在一个芯片上，广泛应用于自动控制系统。智能传感器的总线技术已实现标准化、规范化；传感器作为从机，通过专用总线接口与主机进行通讯，传输数据。,9,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.2.1 基于1-WIRE总线的DS18B20型智能温度传感器,DS1820是DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器与其它温度传感器相比有以下特点：,两种封装形式；I/O：输入/输出端VDD：外部电源+5VGND：地；NC：空脚,DB18B20引脚、封装,单线接口方式，可实现双向通讯；支持多点组网功能，多个18B20可并联 在唯一的总线上实现多点测温；内部有唯一序列号；使用中不需要任何外围器件；测量结果以9位数字量方式串行传送；温度范围-55+125；供电电压+3+5.5V。,10,ppt课件,每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl820内部的ROM(只读存贮器)中开始8位是产品类型编码(DSl820编码均为10H)接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码,11,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,基于1-WIRE总线的DS18B20型智能温度传感器,内部原理框图,DS18B20内部电路框图主要包括7个部分：寄生电源、温度传感器、64位ROM与接口、便笺式 RAM、高速暂存器、高温TH触发寄存器、低温TL触发寄存器，存储与控制逻辑，8位循环冗余校验码（CRC）发生器。,12,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,测温原理 低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频率信号送计数器1;高温度系数振荡频率随温度变化，产生信号脉冲送计数器2；计数器1和温度寄存器被预置在-55对应的基数值；计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲进行减法计数；当计数器1预置减到0时，温度寄存器加1，计数器1预置重新装入；计数器1重新对低温度系数振荡器计数；,13,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,测温原理如此循环，直到计数器2计数到0时，停止对温度寄存器累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。高温度系数振荡器相当于T/f 转换器，将被测温度转换成频率信号f；,当门打开时对低温度系数振荡器计数；计数门的开启时间有高温度系数振荡器决定。,14,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,DS18B20型智能温度传感器接口电路,第一种方法 利用一个CMOS管，把传感器的数据线接连接到电源的正，利用微机来控制CMOS管的导通与截止，即给数据线提供一个很强的上拉电压；使用这种方法时，必须把传感器第三引脚VDD接到电源的接地端；不对E2ROM进行操作时，传感器处于省电状态。对E2ROM进行操作时，由导通的CMOS管通过数据线给传感器提供一个较大的工作电流，这个时间至少要维持10S以上。,省电方式连接,15,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,DS18B20接口电路,第二种方法 把传感器的数据线通过一个上拉电阻直接接到正电源的上，同时把第三引脚也连接到正电源上。使用这种方法，在对E2ROM进行操作时，不要求通过传感器的数据线来给传感器提供工作电流，因此可以在该I/O线上连接其它的驱动。,16,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,DS18B20接口电路,在进行温度数据转换的时候，发出跳过内存命令和转换启动命令即可。需要注意的是在这种工作方式下，只要传感器的3脚上有正电压，传感器就处于工作状态。,18B20的耗电比较小，无须考虑省电状态，这种方法使用起来不但硬件电路比较简单，软件设计也较简单。,17,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,DS18B20接口电路,由于DS1820 输出端属于漏极开路输出，传感器数据线通过上拉电阻时常态为高电平；可在I/O线连接其它驱动。可同时在一根总线上进行8个温度通道的测量。,温度传感器18B20几乎不需要什么外围器件，有专门的转换以及读写指令。其转换速度快，转换一个12位的温度数据不超过750ms，在温度转换期间，数据总线上必需达到1.5mA的电流。,18,ppt课件,19,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,DS18B20操作指令,18B20内部自带5个ROM指令、6条专用指令：ROM指令；Read ROM(33h），读ROM Match ROM(55h)，比较 Skip ROM(CCh)，跳过ROM Search ROM(F0h)，搜索、查找 Alarm ROM(ECh)，报警 专用指令；Write Scratchpad便签式(4Eh)，写便签RAM Read Scratchpad(BEh),读数据 Copy Scratchpad(48h),复制 Convert T(44h),启动转换 Recall E2(B8h),搜索、调用 Read Power Supply(B4h)，读电源电压,20,ppt课件,21,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,DS18B20编程,温度转换关系表,通过数据线，利用串行传输方式，先发出跳过ROM命令，再发出温度转换命令；温度传感器把采集到的温度经过转换后，以十六进制 10H 表示1存储于自带的存储器 E2ROM 中；后发出读数据指令，把温度传感器 E2ROM 中的数据读入单片机。,在E2ROM 中，当温度为负值时，以补码的形式表示。复位时，其值为+85。温度的低字节、温度的高字节分别装入两个单元,22,ppt课件,23,ppt课件,24,ppt课件,25,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3 集成湿度传感器,近年来，国内外湿度传感器取得了长足的发展和进步，湿敏传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发湿度/温度测控系统和提高测量技术水平提供了有利条件。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品有：Honeywell公司的HIH-3602 HIH-3605 HIH-3610型；Humirel公司的HM1500 HM1520 HTF3223 HF3223型；瑞士Sensiron（森斯瑞）公司的SHT11 SHT15型。这些产品主要分为四种类型：1）线性电压输出式；2）线性频率输出式；3）频率/温度输出式；4）单片智能化集成温/湿度传感器,26,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.1 HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器,HM1500/HM1520传感器内部包含一个由HS1101湿敏电容器构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能够输出与相对湿度呈线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70，适配带ADC的单片机。采用+5V电源供电，工作电流典型值为0.4mA，漏电流300A，工作温度范围是-30+60。HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围0100%RH，输出电压+1 V+4V，相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。测量精度3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为+0.1%RH/，响应时间10s。,1.HM1500 HM1520结构特征,27,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.1 HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器,元件尺寸为34mm（长）22mm（宽）9mm（高），3个引脚分别是：GND；Ucc（电源）；Uo（电压输出）；相对湿度在（10%95%）RH范围内，TA=+23时，输出电压Uo与相对湿度RH的对应关系见表13-1。输出电压的计算公式为：,2.HM1500 HM1520工作原理,28,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.1 HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器,2.HM1500 HM1520工作原理,HM1500的输出电压Uo与相对湿度RH的对应关系（TA-+23）,29,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.1 HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器,3.HM1500 HM1520典型应用,HM15001520传感器测湿电路原理框图,30,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.1 HM1500/1520型电压输出式集成湿度传感器,3.HM1500 HM1520典型应用,由HM15001520型湿度传感器和单片机构成的智能湿度测量仪电路如图所示。该电路采用5V电源，由4只共阴极LED数码管显示整数两位小数两位的湿度。电路中使用了美国微芯片(Microchip)公司生产的PIC16F874单片机，MC1413为达林顿管组成的反相驱动器阵列。现利用PA0(亦称AIN0)口线接收湿度传感器的输出电压信号；PA1PA4输出位扫描信号，经过MC1413获得反相后的位驱动信号。RB口中的RB0RB6输出7段码信号，接LED显示器相应的笔段电极ag。,31,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.2 HTF3223型频率/温度集成湿度传感器,1.HTF3223的性能特点,HTF3223测量相对湿度的范围10%95%RH，所对应的输出频率为95608030Hz，测量相对湿度的精度为5%RH，温度系数为1%RH/，相对湿度滞后量为相对湿度的1.5%，响应时间的恢复时间均为10ns。响应速度快，抗腐蚀性强，不怕水浸。采用+5V电源供电，工作电流为0.1mA（典型值）。HTF3223湿度传感器主要特性是：宽量程（1095%）RH；比例线性的频率输出；精度5%RH；温度特性好，工作温度范围在4080；低成本、高可靠性与长时间稳定性；抗结露等。,32,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.2 HTF3223型频率/温度集成湿度传感器,2.HTF3223的原理与应用,HTF3223的集成电路外形结构图如图13-8所示，4个引出的端口分别为电源Ucc（+5V）、频率输出端Fout、接地端GND、负温度系数热敏电阻引出端NTC。HTF3223的集成电路主要包括四个部分：湿敏电容；由桥式振荡器、低通滤波器和放大器构成的信号调理器；NTC电阻；引出端口。其输出频率与相对湿度的响应曲线有线性关系。,33,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.3 SHT10型数字湿度/温度传感器,1.SHT10传感器主要特性,SHT10传感器内部包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，在器件的封装上与一个14位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。产品提供表面贴片LCC（无铅芯片）或4针单排引脚封装。每个SHTxx传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP(一次性可编程)ROM内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中需要调用这些校准系数。,34,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.3 SHT10型数字湿度/温度传感器,2.SHT10接口电路与工作原理,35,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.3.3 SHT10型数字湿度/温度传感器,2.SHT10传感器主要特性,1）电源引脚，SHT10 电源供电电压为+2.4 V+5.5V。电源引脚之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。2）串行接口，SHT10的串行接口为两线双向，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；3）串行时钟输入(SCK)，用于微处理器与SHT10之间的通讯同步；4）串行数据(DATA)，DATA三态门用于数据的读取。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10k）将信号提拉至高电平。,36,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4 单片硅压力传感器,单片硅压力传感器属于压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器与金属膜片式传感器测量原理相同，只是使用的材料和工艺不同，传感器利用集成电路工艺，构成应变电桥。有压力作用在膜片上，膜片上各点的应力分布与金属膜片式传感器相同，压阻式的灵敏度比金属应变片大50100倍。普通压阻式压力传感器属于简单传感器，近年单片集成硅压力传感器进入市场，英文缩写为ISP（Integrated Silicon Pressure）。单片集成硅压力传感器内部除传感器单元外，增加了信号调理、温度补偿、压力修正等电路。,37,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器,1.单片集成硅压力传感器性能与特征,MPX2100/4100A/5100/5700系列集成硅压力传感器，由美国Motorola公司生产，适合测量管道中绝对压力（MAP）。上述4种型号的压力传感器内部结构、工作原理基本相同，主要区别是测量范围、封装形式不同。MPX2100、5100测量范围为0 100kPa；MPX4100测量范围是15kPa 115kPa；MPX5700测量范围：0 700kPa。传感器的输出模拟电压与被测绝对压力成正比，适配带A/D转换器的微处理器，构成压力检测系统，还可构成LED条状图形显示压力计。器件内部有信号调理电路，薄膜温度补偿器和压力修正电路，利用温度补偿器可消除温度变化对压力的影响，温度补偿范围是-40+125。,38,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器,2.单片集成硅压力传感器工作原理,六个引脚从左至右依次为：输出端（Uo）、公共地（GND）、电源端（Us），其余为空脚。在器件的热塑壳内部有密封真空室，提供参考压力，当垂直方向受到压力P时，将检测压力P与真空压力P0 相比较，输出电压正比于绝对压力。传感器输出电压与绝对压力在20 105kPa范围内成正比关系，超出压力范围后输出电压U0 基本不随压力P变化。,39,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器,2.单片集成硅压力传感器工作原理,内部电路和结构框图,40,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器,2.单片集成硅压力传感器工作原理,内部电路和结构框图：包括压敏电阻传感器单元；经过激光修正的薄膜温度补偿器及第一级放大器；第二级放大器及模拟电压输出电路（基准电路、压力修正、电平偏移电路等）3个部分组成。,41,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器,3.单片集成硅压力传感器典型应用,42,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器,3.单片集成硅压力传感器典型应用,由MPX5100和LM3914构成10段压力计电路。其中+5V为US供电，C1、C2为退耦电容；LM3914驱动LED（bargraph）条状图形显示器，一片LM3914可驱动10点（10段）LED条图，配刻度尺，可根据发光段长度或位数确定被测压力大小。RP1可调节LM3914输入电压的大小，为零刻度调节电位器，当被测压力为零时，调节RP1可使LED显示器全部消隐。测量范围是0 100kPa，分辨力10 kPa。,43,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,ST3000系列智能压力传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司1983年推出的，并已实现商品化的智能传感器；它将差压、静压、温度等多参数传感信号与智能化的信号调理功能电路融为一体，打破了传感器与变送器的界限。ST3000变送器是带微处理器的智能变送器，具有优良的性能和出色的稳定性。它能测量气体和液体的压力及液位，将被测量的差压转换成模拟信号和数字信号。,44,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,1.ST3000系列产品的性能特点,ST3000具有同时测量压差（P）、静压（P）和温度（T）三个参数的独特性能，半导体复合传感器可实现对温度和静压特性的补偿。芯片中包含微处理器、存储器、A/D转换器、D/A转换器和数字I/O接口，协议通信具有两种输出形式，模拟信号标准输出4 20mA DC，数字信号输出DE协议。可以提供HART协议通信，HART是HART通信基金会的登录商标。利用数字输出的双向通信，通过SFC便于调节传感器参数，如重新设定量程范围、自动调零、自行诊断等，ST3000特别适用于现场总线控制。,45,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,1.ST3000系列产品的性能特点,ST3000-900系列传感器的电气连接示意图与外形结构,46,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,2.ST3000系列传感器工作原理,ST3000-900系列智能压力传感器的原理框图,47,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,2.ST3000系列传感器工作原理,电路结构主要包括9个部分：差压传感器；静压传感器；温度传感器；多路转换器（MUX）；A/D转换器；微处理器（P）；存储器（ROMPROMRAME2PROM）；D/A转换器；数字I/O接口。整个传感器可视为两大部分，一部分是差压/静压/温度传感器，另一部分是信号调理器，传感器通过现场通信接口与现场总线传输数据。,48,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,2.ST3000系列传感器工作原理,被测压力通过硅膜片作用于硅压敏电阻上，使电阻值发生变化，从内部桥路上产生的输出电压与差压成正比。传感器芯片上两个辅助传感器分别检测静压力和环境温度，所产生的差压、静压、温度三路信号经多路开关接入A/D转换器，A/D输出送信号调理器。,49,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.2 ST3000系列智能压力传感器,3.ST3000系列传感器应用,被测压力通过硅膜片作用于ST3000传感器广泛用于工业现场的气体和液体的压力及液位测量：石油、石化和化工业中，测量管道或储罐的压力和液位，与节流孔板配套提供精确的流量测量和控制；钢铁、机械、造船、有色金属及陶瓷工业中，用于炉膛压力要求高稳定性、高精度测量的场合，用于严格控制温度、湿度等条件下稳定压力的管道测量；造纸工业中，用于可耐腐蚀性流体的液位测量；电力、城市煤气及其他公共事业中，用于高稳定度、高精度的测量。,50,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,PPT系列、PPTR系列和PPTE系列是美国霍尼威尔（Honeywell）公司新近推出的可实现网络化的智能型精密压力传感器。传感器将压敏电阻传感器、A/D转换器、微处理器、存储器（RAM、E2PROM）和接口电路集成在一起；品性能指标高，使用方便，可广泛用于工业、环境监测、自动控制、医疗设备等领域。,51,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,1.PPT、PPTR系列压力传感器的性能特点,PPT系列、PPTR系列和PPTE系列是美国霍尼威尔1）RS-232 接口，传感器距离不超过18m，测量精度高达0.05（满量程时典型值），而过去的集成压力变送器最高只能达到0.1的精度。PPTR系列产品带RS-485接口，传输距离可达几千米，测量精度为0.1。该系列属于网络传感器。能输出经过校准后的压力数字量和模拟量；可通过接口电路与PC机进行串行通信，一台PC机最多可挂接89个传感器。有12种压力单位可供选择；利用内部的集成温度传感器可以检测传感器温度，并对压力进行补偿。,52,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,2.传感器工作原理,PPT、PPTR系列智能压力传感器的外形尺寸均为24.8mm62.2mm。它有两个压力口P1和P2，以PPT系列为例，P1口适合接不易燃、无腐蚀性的液体或气体，P2口只能接气体。6芯插座上的第1脚为RS-232接口的正端，第2脚为负端。第3脚为外壳接地端（GND），第4脚为公共地，第5脚为直流电源输入端（US），第6脚为模拟电压输出端（UO）。,传感器的外形及引脚,53,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,2.传感器工作原理,传感器的外形及引脚,PPTR系列插座上的A F依次对应于16脚，区别是A、B脚分别为RS485接口的正端（+）、负端（-）。为了降低噪声，做模拟输出时需要单点接地，应将电源地、测量仪表（如数字电压表）的参考地直接连传感器的信号地。,54,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,2.传感器工作原理,PPT智能压力传感器的内部框图主要包括8部分：压力传感器；温度传感器；16位A/D转换器；微处理器（P）和RAM；（E2PROM）；12位D/A转换器：RS-232（或RS-485）串行接口；电压调节器。,55,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,（1）PPT模拟输出的配置 单独使用一个PPT，能代替传统的模拟式压力传感器。其最大优点是不需要校准即可达到高精度指标。PPT模拟输出与测量仪表的接线如图所示。用户既可通过数字电压表（DVM）读取压力的精确值，亦可利用模拟式电压表（V）来观察压力的变化过程及变化趋势。,56,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,（2）远程模拟压力信号的传输与记录 PPT的模拟信号可直接送给记录仪来记录压力波形，但在远距离传输模拟信号时很容易受线路干扰及环境噪声的影响，还会造成信号衰减。为解决上述问题，可按下图连接，在终端增加一个PPT。这种方法适用于RS-485接口，传输距离可达数千米。,57,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,（3）RS-485多点网络 RS-485网络是以主机为起点、以距主机最远端为终点，它采用多点网络结构，亦称星形网络结构。这种网络不仅传输距离远，而且在不断开网络的情况下即可增、减PPT的数目。RS-485最多只能连接32个PPT单元，利用中继器可扩展到89个 PPT单元。在RS-485的始端与末端，需分别并联120电阻作匹配负载。,58,ppt课件,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,13.4.3 PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,PPT单元的RS-485多点网络示意图,59,ppt课件,目前，单片集成磁场传感器有着非常广泛的应用领域，它不仅可以测量磁场（如磁场强度、磁通密度），还可以测量电量（如频率、相位）以及非电量测量（如振动、位移、位置、转速、转数、导磁产品的计数等）。单片集成磁场传感器是把磁敏电阻、霍尔元件以及信号调理电路集成在一个芯片上，使磁场传感器的性能、可靠性、稳定性、灵敏度以及实用性大大提高。下面主要介绍基于磁敏电阻的HMC系列单片集成磁场传感器和基于霍尔元件的AD22151线性输出式集成磁场传感器。,13.5 磁敏传感器,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,60,ppt课件,HMC系列是美国霍尼威尔（Honeywell）公司生产的单片集成化磁场传感器，简称 MR（磁敏电阻）传感器。该系列有6种型号：其中HMC1001、1021D、1021S、1021Z为单轴磁场传感器，HMC1002、1022属于双轴磁场传感器。单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可构成3轴（X、Y、Z轴）磁场传感器，测量立体空间磁场。这种传感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于地球磁场探测仪、导航系统、磁疗设备以及自动化装置中。,13.5.1 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,61,ppt课件,传感器内部有4只半导体磁敏电阻（HMC1001典型值为850）构成MR电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使电桥输出一个差分电压信号；灵敏度：对磁场的敏感程度可达3nT;测量范围:可达610-4T（地球磁场仅为510-5T）。,13.5.1 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,1.HMC系列传感器性能特点,62,ppt课件,UBR供电桥压+5V，GND公共地；OUT+、OUT-差分电压输出端；OFFSET+、OFFSET-为内部补偿线圈引线，表示电流极性；S/R+、S/R-为置位、复位线圈引出端，改变电流的极性可分别实现置位、复位；图中小尖头代表MR传感器灵敏度的方向。双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部有A、B两组MR传感器适合测量平面磁场。,13.5.1 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,1.HMC系列传感器性能特点,63,ppt课件,以HMC 1001为例，HMC1001内部电路框图包括：集成工艺制成的MR电桥；两个带绕式线圈；一个补偿线圈可等效于2.5的标称电阻;另一个是置位/复位线圈，等效1.5的标称电阻。,传感器原理及应用,当线圈上有电流通过时，所产生的磁场就耦合到MR电桥上。这两个线圈具有磁场信号调理功能。,第13章 集成化智能传感器,2.HMC系列传感器工作原理,64,ppt课件,接入电源后，传感器能测量沿水平轴方向的环境磁场或外加磁场；外部磁场加到传感器时改变磁敏电阻的电阻值，产生变化率R/R，使MR输出电压随外部磁场信号变化，配上数字电压表即可测量磁场。,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,2.HMC系列传感器工作原理,65,ppt课件,补偿线圈可实现下述功能：1）无检测磁场时，补偿线圈上有电流通过，就形成X轴方向的磁场（敏感方向），利用这个磁场可以抵消环境磁场（地磁）的影响。因为补偿电流从-端流向+端时，补偿线圈产生一个与原磁场方向相反的磁场；25mA电流产生磁通510-5T 使原磁场减弱，只要合理选择调节补偿电流IOFFSET值就可以完全抵消环境磁场和铁磁性物质对测量的影响。,2）补偿线圈可作为闭环反馈元件，消除待测磁场的影响；3）补偿线圈用于MR电桥自动校准；4）当环境温度变化时，MR传感器的灵敏度会变化，利用补偿线圈可检测沿灵敏轴方向的灵敏度。,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,2.HMC系列传感器工作原理,66,ppt课件,该线圈主要作用是在测量磁场时能保持MR传感器的高灵敏度特性，当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时，MR传感器的输出信号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利用置位/复位线圈。,置位/复位线圈必须通过几安的脉冲电流，持续时间2s；该线圈产生沿Y轴方向的磁场，这是MR最不敏感的方向；利用置位（或复位）可改变输出极性。,传感器原理及应用,置位/复位线圈功能：,第13章 集成化智能传感器,67,ppt课件,当置/复位脉冲电流通过引脚S/R+时,输出响应曲线斜率为正值,反之为负值,可改变输出电压的极性；电流方向S/R+S/R-输出 UoSET，电流方向S/R-S/R+输出 UoRESET 输出电压差值能消除温漂和非线性影响。UO=(UOSET-UORESET)/2置位和复位曲线是对称的;由于工艺使桥臂不可能完全一致,可采用补偿技术使MR电桥平衡.具体办法在输出之间跨接一只电阻,使零磁场时输出电压为零.,传感器原理及应用,输出响应曲线：,第13章 集成化智能传感器,68,ppt课件,3.HMC系列磁场传感器应用,接近开关 HMC1001接运放AMP04（做比较器使用），构成接近开关电路，磁铁接近时MR输出电压达到30mV，使比较器翻转，输出变低LED发光。可用来检测位移、转速等非电量。,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,特斯拉计 由HMC1001/1002构成系统，可测量小于10nT的磁场，S/R脉冲电流幅度需大于4A。,69,ppt课件,3.HMC系列磁场传感器应用,接近开关 HMC1001接运放AMP04（做比较器使用），构成接近开关电路，磁铁接近时MR输出电压达到30mV，使比较器翻转，输出变低LED发光。可用来检测位移、转速等非电量。,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,特斯拉计 由HMC1001/1002构成系统，可测量小于10nT的磁场，S/R脉冲电流幅度需大于4A。,70,ppt课件,3.HMC系列磁场传感器应用,用HMC1052双轴磁场传感器实现的环境磁场检测电路信号采集与接口电路原理图,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,71,ppt课件,3.HMC系列磁场传感器应用,HMC1052双轴磁场传感器信号采集与接口电路,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,电路组成：由磁场传感器、放大器、单片机、输入输出接口；图中磁敏传感器HMC1052L把测量到的电磁信号直接转换为电压输出；由LMV358组成运算放大器，把微弱信号放大到单片机能够检测到的电压；通过单片机Atmega16L自带的模数转换器，把模拟信号转换成数字信号，经过计算处理后在LCD1602液晶显示屏上显示出磁场大小值。,72,ppt课件,1.AD22151磁场传感器性能特点,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,AD22151型线性集成磁场传感器内置温度传感器可检测环境温度，并提供温度参考电压，通过温度补偿电路去调节霍尔元件的控制电流，从而补偿霍尔元件及外部磁场因温度变化引起的漂移。AD22151有两种工作模式：双极性模式和单极性模式。双极性模式是将磁场零点偏置在电源电压的中点位置（Ucc/2），使AD22151的静态输出电压U0=0V。,13.5.2 AD22151型线性输出集成磁场传感器,AD22151引脚图,73,ppt课件,2.AD22151磁场传感器工作原理,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,芯片内主要包括7各部分：内置温度传感器；温度补偿放大器（A1）；霍尔元件；为霍尔元件提供工作电流的可调电流源；开关式调制器、放大器（A2）、解调器；缓冲器（B）；输出放大器（A3）。其中内置电阻RA、RB，温度补偿放大器A1的A、B两点温度系数分别为：TA 300010-6/；TB-300010-6/。,13.5.2 AD22151型线性输出集成磁场传感器,74,ppt课件,2.AD22151磁场传感器工作原理,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,AD22151内部电路框图,13.5.2 AD22151型线性输出集成磁场传感器,75,ppt课件,3.AD22151磁场传感器典型应用,传感器原理及应用,第13章 集成化智能传感器,根据内部电路结构可知，放大器A1采用的是差分输出结构，需外接温度补偿电阻R1，根据需要R1可接在TC1 TC3之间，也可接在TC2 TC3两端之间。,13.5.2 AD22151型线性输出集成磁场传感器,当环境温度发生变化时，TC3端输出的信号通过可调电