电子系统设计常用传感器及其应用电路.
电路中的传感器信号放大与处理
电路中的传感器信号放大与处理一、引言电路中的传感器信号放大与处理是现代电子技术领域的重要内容之一，它涉及到传感器信号的采集、放大与处理，对于提高系统的精度和稳定性具有至关重要的作用。
本文将从传感器信号的基本原理入手，介绍电路中的传感器信号放大与处理的方法和技巧。
二、传感器信号的基本原理传感器是将被测量的物理量转化为可测量的电信号的装置。
传感器信号的产生是基于被测量物理量与传感器之间的相互作用。
常见的传感器类型包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。
三、传感器信号放大的需求在实际应用中，传感器产生的信号往往是微弱的，因此需要进行信号放大以增加信号的幅度，从而使得信号更容易被后续的电路进行处理。
四、传感器信号放大的方法1. 增益放大器：增益放大器是最常用的传感器信号放大方法之一。
它通过放大器电路对信号进行放大，将微弱的传感器信号放大到适合后续处理的范围。
2. 运算放大器：运算放大器是一种高增益、差分输入、单端输出的放大器。
通过适当的电阻网络和反馈方式，可以实现对传感器信号的放大和处理。
3. 仪表放大器：仪表放大器是一种专门用于信号放大的放大器，其特点是高精度、低噪声。
在传感器信号放大的场景中，仪表放大器常常可以提供更好的性能。
五、传感器信号处理的方法1. 滤波器：滤波器是对信号进行滤波处理的电路。
常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。
通过滤波器可以去除传感器信号中的干扰和噪声，提高信号的质量。
2. 数字转换：将模拟信号转换为数字信号是传感器信号处理的重要环节。
常用的模数转换器包括逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）、双斜率积分型模数转换器（Σ-Δ ADC）等。
数字信号的处理更易于精确计算和存储。
3. 数据处理算法：对于特定的传感器应用，可以利用算法对传感器信号进行进一步的处理和分析。
例如，通过傅里叶变换可以将传感器信号转换到频率域进行频谱分析。
六、实例分析以温度传感器为例，介绍传感器信号放大与处理的具体实施过程。
微传感器与接口集成电路设计
微传感器与接口集成电路设计微传感器与接口集成电路设计是一种交叉学科领域，涉及电子学、物理学、材料科学、机械工程和化学等多个学科，它们的协同作用使得微传感器和集成电路技术在扩展和拓展领域上具有广泛的应用前景。
本篇文章将着重介绍微传感器与接口集成电路设计的概念、原理、发展和应用等方面。
一、微传感器与接口集成电路设计的概念微传感器与接口集成电路是指在集成电路上嵌入微传感器，在同一个芯片上实现传感、信号处理和控制电路的功能。
它可以将各种传感器集成到一个芯片上，实现微型化、低功耗、多参数监测和高性能等多种优势。
与传统的离散器件相比，它具有体积小、重量轻、集成度高、环境适应性好和性能稳定等优点，因此被广泛应用于精密测量、医疗健康、环境检测、安全监控等领域。
二、微传感器与接口集成电路设计的原理微传感器与接口集成电路的设计原理是将传感器的感知元件、信号调理电路、传输接口和数字信号处理电路等功能部件集成在一起，通过微电子加工工艺实现芯片级别的集成化。
传感器的感知元件根据不同的物理量制备，如电容、电阻、感应、压力、温度、湿度、光学等，将感知到的物理量转化为电信号。
信号调理电路实现对传感器信号的放大、滤波、线性化、温度补偿等处理，保证信号质量和可靠性。
传输接口和数字信号处理电路将传感器的信号通过模拟和数字信号转换传输到外部系统中，实现数据的处理和控制。
三、微传感器与接口集成电路设计的发展微传感器与接口集成电路设计的发展与微机电系统（MEMS）技术的发展密切相关。
20世纪80年代，美国斯坦福大学教授Roger T. Howe等人首次在晶圆加工的硅基板上制造了微机械结构，开创了MEMS技术的研究之路。
在此基础上，人们开始将MEMS技术与集成电路技术相结合，开发微传感器和微致动器等微系统。
随着制造技术的不断进步和应用需求的不断增加，微传感器与接口集成电路的可靠性和性能也得到了大幅度的提高和拓展。
四、微传感器与接口集成电路设计的应用微传感器与接口集成电路的应用非常广泛，主要包括以下方面：1.环境监测。
电子系统设计课程设计
电子系统设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解电子系统的基本原理，掌握电子元件的功能和电子电路的设计方法。
2. 使学生能够运用所学知识，设计并搭建简单的电子系统，如传感器应用、信号处理和控制系统。
3. 引导学生了解电子系统在实际应用中的发展现状和未来趋势。
技能目标：1. 培养学生运用电子绘图软件进行电路图设计的能力。
2. 提高学生动手实践能力，能够正确组装和调试电子系统。
3. 培养学生团队协作和问题解决能力，能够共同完成电子系统的设计与制作。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子科学的兴趣，激发创新意识，增强探究精神。
2. 引导学生树立正确的工程伦理观念，注重环保和资源利用，培养社会责任感。
3. 培养学生严谨、细致的学习态度，养成良好的学习习惯和团队合作精神。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，结合理论教学和动手实践，注重培养学生的实际操作能力和创新意识。
学生特点：学生已具备一定的电子基础知识，具有较强的求知欲和动手能力，但对电子系统设计的整体认识尚浅。
教学要求：教师需结合学生特点，以理论为基础，实践为导向，引导学生主动参与，注重培养学生的实际操作能力和解决问题的能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际电子系统的设计与制作，达到学以致用的目的。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 电子系统设计基础理论：- 电子元件特性与选型- 电路图绘制原则与方法- 电子电路的基本分析方法2. 电子系统设计实践：- 传感器应用电路设计- 信号处理电路设计- 控制系统电路设计3. 电子系统设计与制作：- 设计流程与方法- 电子绘图软件操作- 电子系统组装与调试4. 电子系统设计案例分析：- 现有电子产品的原理与结构分析- 创新电子系统设计实例讲解- 学生作品展示与评价教学内容根据课程目标，结合教材相关章节，制定以下教学大纲：第1周：电子系统设计基础理论第2周：电子元件特性与选型第3周：电路图绘制原则与方法第4周：电子电路的基本分析方法第5周：传感器应用电路设计第6周：信号处理电路设计第7周：控制系统电路设计第8周：设计流程与方法第9周：电子绘图软件操作第10周：电子系统组装与调试第11周：现有电子产品案例分析第12周：学生作品设计与制作第13周：学生作品展示与评价教学内容注重科学性和系统性，旨在使学生掌握电子系统设计的基本知识和技能，培养实际操作能力和创新意识。
“传感器应用技术”课程标准
“传感器应用技术”课程标准一、课程概要二、课程定位本课程是高职电子信息工程技术专业一门重要的专业拓展课程，旨在培养学生科技强国、文化自信、爱岗敬业、勇于创新、精益求精的思想政治与职业素养，掌握常用传感器的作用、分类、特性、工作原理及典型应用方法，具有传感器选型能力以及初步设计、制作与调试传感器应用电路的基本技能。
三、课程目标（一）素质（思政）目标1.培养学生爱党爱社会主义、担当民族复兴大任的爱国情怀；2.培养学生对社会主义核心价值观的情感认同和行为习惯；3.培养学生爱岗敬业、艰苦奋斗、勇于创新、热爱劳动的劳动精神；4.培养学生执着专注、精益求精、一丝不苟、科技强国的工匠精神；5.培养学生标准意识、规范意识、安全意识、服务质量职业意识；6.培养学生严谨细致、踏实耐心、团队协作、表达沟通的职业素质。
（二）知识目标1. 了解误差的基本概念，熟悉误差分析的基本方法；2. 熟悉传感器的定义、分类与基本特性；3. 熟悉常用仪器仪表功能与工作原理，掌握电子电路常规参数的测试方法；4. 掌握温湿度传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；5. 掌握光敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；6. 掌握力敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；7. 掌握超声波传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；8. 掌握磁敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；9．掌握气敏传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法；10. 掌握其他新型传感器的特性及应用方法。
（二）能力目标1.具有根据被测参量选择合适传感器的能力；2.具有设计传感器接口电路的能力；3.具有制作传感器应用系统硬件电路的能力；4.具有调试传感器应用电路的能力；5.具有传感器应用系统设计和调试的综合能力；6.具有简单电子产品设计的能力；7.具有较强的思考、分析和解决问题的能力；8.具有传感器新技术的学习和应用能力。
基于MEMS技术的传感器设计与应用
基于MEMS技术的传感器设计与应用近年来，随着科学技术的不断发展，微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术在传感器设计与应用领域逐渐得到广泛应用。
MEMS传感器以其小巧、低功耗、高灵敏度和快速响应等特点，已经成为现代科技发展中不可或缺的部分。
本文将从MEMS传感器的基本原理、设计和应用角度，探讨其在现实生活中的重要性和应用前景。
首先，我们来了解一下MEMS传感器的基本原理。
MEMS传感器使用微米级别的加工技术，将电子元器件、机械元件和传感器相互结合，实现对物理量的测量和检测。
其基本工作原理是利用微机电系统制造工艺，将微小的机械振动转化为电信号，通过电路进行信号放大和处理，实现对物理量的检测和测量。
在MEMS传感器的设计过程中，需要考虑多个参数，包括传感元件的灵敏度、响应时间、功耗、稳定性和可靠性等。
首先，灵敏度是传感器设计中最为重要的指标之一。
它决定了传感器对待测物理量变化的响应程度。
其次，响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出满足一定条件的时间。
较短的响应时间意味着传感器对于快速变化的物理量更为敏感。
此外，功耗也是设计中需要考虑的重要指标。
低功耗的传感器可以提高电池续航能力，并减少能源供应对传感器的需求。
最后，稳定性和可靠性是指传感器在长期使用和在不同环境下的性能保持一致。
良好的稳定性和可靠性保证了传感器在各种应用中的准确性和可操作性。
基于MEMS技术的传感器在许多领域都有广泛的应用。
例如，在汽车工业中，MEMS传感器被广泛应用于安全气囊控制系统和车辆稳定控制系统中。
通过检测车辆的动态参数，如加速度和角速度，MEMS传感器能够及时触发安全气囊并提供车辆稳定性控制的依据。
此外，MEMS传感器还广泛应用于智能手机、平板电脑和可穿戴设备等消费电子产品中。
通过加速度传感器和陀螺仪等MEMS传感器，智能手机等设备可以实现自动旋转屏幕、姿势识别等功能。
电压与电流传感器设计
电压与电流传感器设计电压与电流传感器是电子与电气工程领域中非常重要的组成部分。
它们用于测量电路中的电压和电流，并将这些物理量转换为电信号，以便进行后续的处理和控制。
在本文中，我们将探讨电压与电流传感器的设计原理、常见类型以及应用领域。
一、设计原理电压传感器的设计原理基于电压分压技术。
通过将一个高阻抗的电阻串联在待测电路中，使得电压信号被分压，然后通过这个电阻上的电压信号进行测量。
传感器的输出信号与待测电路的电压成正比关系。
电流传感器的设计原理则是基于霍尔效应或电阻分压技术。
在霍尔效应传感器中，通过将一个霍尔元件放置在待测电路中，当电流通过时，霍尔元件产生的磁场会引起霍尔电压的变化，从而测量电流。
而在电阻分压传感器中，通过将一个小电阻串联在待测电路中，测量电阻两端的电压变化来计算电流。
二、常见类型1. 电压传感器常见的电压传感器有电阻分压传感器、电容分压传感器和电感分压传感器等。
电阻分压传感器是最常用的一种类型，它的设计简单、成本低廉，适用于多种应用场景。
电容分压传感器则适用于高频电路的测量，而电感分压传感器则适用于交流电路的测量。
2. 电流传感器电流传感器主要分为霍尔效应传感器和电阻分压传感器。
霍尔效应传感器具有高精度和快速响应的特点，适用于需要高精度测量的场景，如电动车、电力电子设备等。
而电阻分压传感器则适用于一般的电流测量，它的优势在于成本低廉和体积小巧。
三、应用领域电压与电流传感器在众多领域中都有广泛的应用。
在电力系统中，电压与电流传感器用于测量电网的电压和电流，以实现电力的监测和控制。
在工业自动化中，电压与电流传感器用于监测电动机的电流，以确保其正常运行。
在新能源领域，电压与电流传感器用于太阳能电池板和风力发电机组的电压和电流测量，以优化能源利用效率。
此外，电压与电流传感器还广泛应用于电动汽车、家用电器、通信设备等领域，以满足不同场景下的电压和电流测量需求。
结语电压与电流传感器的设计是电子与电气工程领域中的重要课题。
传感器技术与应用
热电阻传感器是利用金属导体电阻值随温
度变化而变化的原理进行测温的。热电阻 广泛用来测量-200～850℃范围内的温度， 少数情况下，低温可测量至1K，高温达 1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高， 作为复现国际温标的标准仪器，
PT100 欧
0度—100欧 100度—138.5
CU50
0度—50欧
电子设计专题讲座
传感器技术与应用
一、传感器的概念 1、定义：
人类为了从外界获取信息, 必须借助于 感觉器官。
随着科学技术的发展。 一系列代替、 补充、 延伸人的感觉器官功能的各种手 段就应运而生, 从而出现了各种用途的传 感器。
传感器是与人的感觉器官相对应的元 件。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义
0
③ CTR
② P TC
① NTC
40
80
12 0 16 0 20 0
t/℃
（2）半导体热敏电阻电路
RTh Ub
Rs Uout
3 k Ub 33 2.2
RTh
Uout
Rs 3.322 k
（3）晶体二极管PN二极管测 温电路
R1 RW
R3
V
R2 R4
R5 VD
Rf
－ ＋ R6
（4）热电阻传感器
(1)压力; (2 ） 力/荷重; (3 ） 位移（厚 度）; (4）力矩; (5）角度; (6）角速度 （转速）; (7）速度; (8）加速度; (9）角 加速度; (10）倾斜角; (11）编码器; (12） 振动; (13）气体/烟雾; (14）温度; (15） 热能; (16）湿度; (17）水份; (18）露点; (19）液位; (20）料位; (21）流量; (22） 流速
压力传感器的原理及其应用电路设计
1.引言汽车传感器是汽车电子化、智能化的基础和关键，而其中使用较多、发展最快的是压力传感器。
汽车压力传感器应用在汽车的很多系统中，如电子检测系统、保安防撞系统等。
其中应用在轮胎气压方面的目的在于最大限度地减少或消除高压爆胎和低压辗胎造成的轮胎早期的损坏，使轮胎经常保持标准气压，延长轮胎的寿命，降低轮胎的消耗，提高经济效益。
有报道说，将微型压力传感器埋置于汽车轮胎中，测量其中气压，以控制对轮胎的充气量，避免过量和不够，由此可节省百分之十的汽油。
2.汽车压力传感器2.1 压力传感器的原理和应用分类传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源。
传感器方框图如图1所示。
传感器方框图制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。
压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。
根据晶体不受定向应力时，电导率是同性的，只有受定向应力时才表现出各向异性，由于应力能引起能带的变化，能谷能量移动，导致电阻率的变化，于是就有电阻的变化，从而产生压阻效应。
单晶硅效应包括n型和p型硅压阻效应。
选用扩散硅目的在于在设计制造压力传感器时可根据不同温度下硅扩散层的压阻特性选择合适的扩散条件，力求使压力传感器具有良好的性能。
多晶硅在传感器中有广泛的用途，可作为微结构和填充材料、敏感材料。
压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。
按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源。
后者是传感器自身产生电荷，不需要外加电源，根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器。
2.2 气压传感器1）能和原理：主要是用来检测气压的传感器。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
O2 + 2e- + 2H+ = H2O2 • Pt electrode at specific voltage consumes oxygen by above reaction to produce current proportional to [O2] • Ag-AgCl / KCl reference electrode required
• 使用双绞线
Basic sensor setup
加速度传感器
生物电：ECG
电量转换传感器需要信号调理
• • • • • 隔离缓冲（或阻抗匹配） 放大 滤波 电平移动 等
2.3 常用传感器及调理电路
• 温度传感器：热电阻、热敏电阻、PN结、 • 压力传感器：扩散硅压力应变片 • 光电效应传感器：发光管光敏管 CCD，CMOS，等 • 霍尔效应传感器：线性、开关型 • 数字式传感器：直接数字信号 • 传感器变送器：模拟式（电流环） 数字式（RS485）
无需电量变换的机械式传感器
• 气压表
直接电量控制的机械式传感器
• 温控开关（电饭煲）
氧传感器
氟 里 昂 传 感 器
气体传感器结构
生物传感器
Sensor basics
• Clark sensor is amperometric type sensor, utilizing following reaction:
• 因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑 兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚， 因而形成一个电场——霍尔电场。 • 霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍 载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相 等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这 就是霍尔电压。
/prodinfo/magnetic%5F position/
2.3.6 数字式传感器：AD7417
DS1820
2.4.1 传感器变送器：模拟式 （4-20mA电流环）
2.4.2 HART通信协议
• HART 可寻址远程传感器高速通道 通信协议
• 美国Rose-mount公司20世纪80年代中期推出，之后又 进行了修订和增补，作为开放标准由HART通信基金 会HCF向全世界发布 • 主要用于现场智能仪表和控制室系统间进行数字通信
第二章
常用传感器 及其应用电路
电子系统的定义： 由电子元器件或部件组成的能够产 生、传输或处理电信号及信息的客 观实体。 例： 通信系统、雷达系统、计算机系统、 电子测量系统、自动控制系统等。 特点： 这些应用系统在功能与结构上具有 高度的综合性、层次性和复杂性。
2.1 ห้องสมุดไป่ตู้感器用途
2.1.1 控制中的应用
线性霍尔传感器
开关型
GMR传感器
• 磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通 常用电阻变化率Δ/描述。 • 研究发现，一般金属导体的Δ/很小，只 有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例 如坡莫合金），Δ/可达（3~5）%。 • 巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或 合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧 减小，而Δ/急剧增大的特性，一般增大 的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻 约高10倍。利用这一效应制成的传感器称 为GMR传感器。
热电偶、红外线（非接触）等
2.3.1 温度传感器： 热电阻
热敏电阻
热电偶
PN结（集成）
红外线
（非接触）
2.3.2 压力传感器
仪 表 放 大 器
2.3.4 光电效应传感器
2.3.5 霍尔效应传感器
• 在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂 直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电 压——霍尔效应（爱德文· 霍尔1879年发现）
2.1.2 测量中应用
2.2 传感器种类
• 从工作原理分：
– 电容式：物理量引起位移、面积、介 电常数等改变 – 电感式：物理量引起位移、磁导率、 磁通量等改变 – 电阻式：物理量引起位移、温度、光 辐射等改变 – 电和[/或]磁 效应和[/或]感应： 测量电机、霍尔效应、雷电感应等 – 直接电量：生物电、热电偶等 – 等等
• 兼容传统4～20mA模拟系统的HART协议具有诸多优 点，发展至今，已被世界上三分之二以上的现场设备 所采用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。
AD421(兼容HART总线)
2.4.3 RS-485串行总线标准
• 终端匹配电阻RT的作用是吸收反射、减少驻波 • 收端用作侦听，选中则进行收发操作 • 未发送时，发端输出常为高阻