传感器中的电压电流、电压频率变换的实现.

第一章 思考题与习题1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。

它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）。

2、传感器动特性取决于什么因素？答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节（接触环节、模拟环节、数字环节等）和不同形式的输入量（正弦、阶跃、脉冲等）其动特性和性能指标不同。

3、某传感器给定相对误差为2%FS ，满度值输出为50mV ，求可能出现的最大误差δ（以mV 计）。

当传感器使用在满刻度的1/2和1/8时计算可能产生的百分误差。

并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。

已知：FS %2=γ, mV y FS 50=；求：δm =？解：∵ %100⨯=FS my δγ；∴ mV y FS m 1%100=⨯∙=γδ若: FS FS y y 211= 则: %4%100251%1001=⨯=⨯=FS m y δγ 若: FS FS y y 812=则: %16%10025.61%1002=⨯=⨯=FS m y δγ 由此说明,在测量时一般被测量接近量程(一般为量程的2/3以上),测得的值误差小一些。

4、有一个传感器，其微分方程为x y dt dy 15.03/30=+，其中y 为输出电压（mV ），x 为输入温度（0C ），试求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k 。

已知：x y dt dy 15.03/30=+；求：τ=？，k =?解：将x y dt dy 15.03/30=+化为标准方程式为：x y dt dy 05.0/10=+ 与一阶传感器的标准方程：kx y dtdy =+τ 比较有： ⎩⎨⎧==)/(05.0)(100C mV k s τ 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f 0=20k Hz,阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。

各类电力传感器的类型与工作原理电力传感器是一种用于测量和监测电力系统中各种参数的设备，它们可以测量电流、电压、功率、功率因素等重要参数，为电力系统的运行和维护提供了必要的数据支持。

根据其工作原理和用途，可以将电力传感器分为多种类型，包括电流传感器、电压传感器、功率传感器、功率因素传感器等。

本文将介绍各种电力传感器的类型、工作原理以及应用领域。

一、电流传感器电流传感器是用于测量电路中电流大小的传感器，根据其工作原理和测量方式的不同，可以分为电流变压器、霍尔传感器、电阻式电流传感器等。

1. 电流变压器电流变压器是一种通过电磁感应原理来测量电路中电流大小的传感器。

它是利用电流在导体中产生的磁场来实现测量的，一般由磁芯、一次绕组和二次绕组组成。

当电路中通过电流时，一次绕组产生的磁场会感应在二次绕组上，从而实现对电流大小的测量。

电流变压器具有测量范围广、精度高、响应速度快等优点，广泛应用于电力系统中的电流测量和保护。

2. 霍尔传感器霍尔传感器是一种利用霍尔效应来测量电路中电流大小的传感器。

当电流通过导体时，导体周围会形成磁场，而霍尔传感器可以感应到这种磁场的变化，并将其转换为对电流大小的测量值。

霍尔传感器具有结构简单、使用方便等优点，适用于对电流进行非接触式测量的场合。

3. 电阻式电流传感器电阻式电流传感器是一种利用电路中电流通过电阻产生的电压来实现测量的传感器。

它通常由一根电阻和电流变换电路组成，通过测量电阻两端的电压来计算电路中的电流值。

电阻式电流传感器具有价格低、体积小、可靠性高等优点，适用于对电流进行低成本测量的场合。

二、电压传感器电压传感器是用于测量电路中电压大小的传感器，根据其测量原理和结构不同，可以分为电位器式电压传感器、电容式电压传感器、电压变压器等。

1. 电位器式电压传感器电位器式电压传感器是一种利用电位器原理来测量电路中电压大小的传感器。

它通过调节电位器的位置来改变电路中的输出电压，从而实现对电压大小的测量。

电压传感器原理
电压传感器是一种广泛应用于工业自动化控制系统中的传感器，它能够将被测
电压转换成与之成正比的电信号输出。

其原理是利用电压变换器将被测电压转换成标准的电信号输出，从而实现对电压变化的监测和测量。

电压传感器的原理主要包括两个方面，电压变换和信号输出。

首先，电压传感
器通过电压变换器将被测电压转换成标准的电信号输出，这个过程通常会经历采样、放大和滤波等环节。

其次，经过电压变换的电信号将被传感器输出，通常以模拟信号或数字信号的形式输出，以便于后续的数据处理和控制。

电压传感器的原理基于电压与电阻的关系，即欧姆定律，U=IR。

当被测电压
施加在传感器的输入端时，会产生相应的电流流过传感器内部的电阻，从而产生一个与被测电压成正比的电压信号输出。

这个输出信号可以被连接到数据采集系统或控制系统中，用于实现对电压变化的监测和控制。

在实际应用中，电压传感器可以用来测量各种电气设备和电路中的电压变化，
例如电力系统中的电压监测、电动机的电压控制、电池组的电压检测等。

通过对电压传感器原理的深入理解和应用，可以实现对电压变化的准确测量和控制，从而提高工业自动化系统的稳定性和可靠性。

总之，电压传感器原理是基于电压与电阻的关系，利用电压变换器将被测电压
转换成标准的电信号输出，实现对电压变化的监测和测量。

通过对电压传感器原理的理解和应用，可以为工业自动化控制系统提供准确可靠的电压监测和控制功能。

第一章传感器是技术和的重要部件。

传感器测试对象分为：与传感器是获取中信息的主要途径与手段。

传感器可狭义的定义为: “将外界的变换为的一类元件。

”传感器的发展：1、什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义。

2、传感器由哪几部分组成。

试述它们的作用和相互关系。

3、传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？4、空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？第二章1．今有0.5级的0℃～300 ℃和1.0级的0 ℃～100 ℃两个温度计，要测80 ℃的温度，试问采用哪一个温度计好？2．对某一重物进行了十次等精度测量，测值为20.62 20.82 20.78 20.82 20.7020.78 20.84 20.78 20.85 20.85 （单位：g）求：（1）测量值的算术平均值（2）测量值的标准差3）测量结果的表达3．有一组等精度无系统误差的独立测量列，16个测量值分别为：39.44,39.27,39.94,39.44,38.91,39.69,39.48,40.56，39.78,39.35,39.86,39.71,39.46,40.12,39.39,39.76。

试判断粗大误差4．某超声波测距传感器装置，检查范围为0~500m，在整个测量范围内，与理想线性输出的最大误差为3m，其线性度为多少？5．测得某检查装置的一组输入输出数据如下：x123456y 2.20 4.00 5.987.910.1012.05求: （1）端基线性度（2）最小二乘线性度6玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传递给水银，可用一阶微分方程式来表示。

现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是，y代表水银柱高（m），x代表输入温度（℃）。

求该温度计的时间常数及静态灵敏度7. 用某一阶环节的传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？1、误差按表示方法划分可分为（）和（），按误差出现的规律划分可分为（），（）和（），按被测量随时间变化的速度划分可分为（）和（），按使用条件划分可分为（）和（）。

霍尔型传感器信号调理电路的设计【摘要】所谓信号调理就是通过电子元器件的有机组合，对传感器输出的信号进行调节、变换和整理的过程。

信号调理电路的具体设计需要综合考虑数据采集的目的、现场环境及控制系统的算法设计等各种因素。

本文论述了霍尔型电压、电流传感器信号的调理电路的具体实现方法，并应用试验方法验证了电路的可靠性等有关特征参数。

【关键词】传感器；信号调理；放大器；电路设计；霍尔当代社会中在工业控制等方面，经常要将电流、电压、温度、湿度等模拟量转换成数字量，然后在微处理器内作进一步运算和处理，完成相应的数据存储、数据传输和数据输出，达到分析和控制的目的。

模拟量的采集一般使用传感器来将它们转换为电气量来进行处理。

然而传感器送出的信号往往不能满足处理器输入信号的要求，这就需要我们设计相应的信号调理电路来把这种不合要求的信号变换为符合处理器输入信号要求的信号。

此电路设计的优化程度如何，直接关系到微处理器采集到的信号的准确程度。

霍尔型电压、电流传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、无触点、使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成化等优点，在测量技术、自动化技术和信息处理等新技术领域得到广泛的应用。

本文就其输出信号特点设计了相应的信号调理电路，并且通过实验验证了所设计电路的可行性及可靠性。

1 霍尔型传感器霍尔传感器是一种磁传感器。

用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

它采用双电源供电，可采集电压、电流等电气信号，输出信号可以是电压信号，也可以是电流信号。

本文以LV28-P型霍尔电压传感器为例说明霍尔型传感器输出信号调理电路的设计过程。

传感器LV 28-P的原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直流、交流电压和脉冲电压。

其各参数指标如下：1）电参数IP N：原边额定有效值电流10mA IS N：副边额定有效值电流25mAKN：转换率2500：1000 VC：电源电压（±5%）±15V2）精度-动态参数XG：总精度@IP N，TA = 25℃±0.6 %IO T ：IO 的温漂：0℃～+25℃± 0.2mA+25℃～70℃± 0.3mATr：响应时间@90% of VPmax 40μs。

传感器中的电压/电流、电压/频率变换的实现传感器中的电压/电流、电压/频率变换的实现类别：传感与控制随着电子技术和计算机技术的迅速进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用。

但是很多传感器只提供４～２０ｍＡ或者０～５Ｖ的直流模拟信号输出，而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入１～５ｍＡ或者２００～１０００Ｈｚ的模拟信号，所以在一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。

这种输出信号的转换如果购买专用的转换设备，不仅价格高，使用也不是很方便。

实际上自己设计制作一些转换电路也可以方便的实现所需性能，下面就介绍两种实用的电压／电流、电压／频率转换电路的设计和原理。

１电压／电流转换电路电压／电流转换即Ｖ／Ｉ转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。

Ｖ／Ｉ转换原理如图１。

由图１可见，电路主要元件为一运算放大器ＬＭ３２４和三极管ＢＧ９０１３及其他辅助元件构成，Ｖ０为偏置电压，Ｖｉｎ为输入电压即待转换电压，Ｒ为负载电阻。

其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压Ｖ－进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，ＢＧ９０１３的射级电流Ｉｅ作用在电位器Ｒｗ上，由运放性质可知：Ｖ－＝Ｉｅ·Ｒｗ＝（１＋ｋ）Ｉｂ·Ｒｗ（ｋ为ＢＧ９０１３的放大倍数）流经负荷Ｒ的电流Ｉｏ即ＢＧ９０１３的集电极电流等于ｋ·Ｉｂ。

令Ｒ１＝Ｒ２，则有Ｖ０＋Ｖｍ＝Ｖ＋＝Ｖ－＝（１＋ｋ）Ｉｂ·Ｒｗ＝（１＋１／ｋ）Ｉｏ·Ｒｗ其中ｋ》１，所以Ｉｏ≈（Ｖｏ＋Ｖｉｎ）／Ｒｗ。

由上述分析可见，输出电流Ｉｏ的大小在偏置电压和反馈电阻Ｒｗ为定值时，与输入电压Ｖｉｎ成正比，而与负载电阻Ｒ的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。

霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理与使用方法一、霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理与使用方法1( 霍尔器件霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。

如果在输入端通入控制电流I，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势V。

CH如图1,1所示。

IBsin霍尔电势V的大小与控制电流I和磁通密度B的乘积成正比，即:V,KHCHHCΘ霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。

因此，使电流的非接触测量成为可能。

通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。

因此，电流传感器经过了电,磁,电的绝缘隔离转换。

2( 霍尔直流检测原理如图1,2所示。

由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U可以间接反映出被测电流I的大小，即:I?B?U 01110我们把U定标为当被测电流I为额定值时，U等于50mV或100mV。

这就制成010霍尔直接检测(无放大)电流传感器。

3( 霍尔磁补偿原理原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。

所以称为霍尔磁补偿电流传感器。

这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。

霍尔磁补偿原理如图1,3所示。

从图1,3知道:Φ,Φ 12IN,IN 1122I,N/N?I 2I21当补偿电流I流过测量电阻R时，在R两端转换成电压。

做为传感器测量电2MM压U即:U,IR 02M0按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从0.01A,500A系列规格的电流传感器。

由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加;其次，工作电流消耗也相应增加;但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。

4( 磁补偿式电压传感器为了测量mA级的小电流，根据Φ,IN，增加N的匝数，同样可以获得高磁1111通Φ。

简述传感器工作原理
传感器是一种能够感知周围环境并将其转化为可量化的电信号的设备。

它们的工作原理基于不同的物理原理，但都遵循一个基本的过程：感知环境变化→产生电信号→将信号转化为可读取的信息。

其中，光、声、温度、压力和加速度等常见的传感器类型具有如下工作原理：
1. 光传感器（光电二极管）：利用光敏材料的光电效应，当光线照射到材料上时，产生电荷，进而形成电流或电压信号。

2. 声传感器（麦克风）：利用压电效应或电容效应，当声波振荡使得压电材料或电容器发生变化时，产生相应的电信号。

3. 温度传感器（热敏电阻）：热敏电阻材料随温度的变化而改变电阻值，进而测量温度的变化。

4. 压力传感器（应变片）：采用应变片的物理特性，当受到外力压迫时，形变导致电阻或电压的变化，进而测量压力的变化。

5. 加速度传感器（微机电系统）：利用微机电系统技术，通过检测传感器产生的微小振动或形变来测量加速度。

除了以上几种传感器，还有许多其他类型的传感器，如湿度传感器、气体传感器、磁力传感器等，它们的工作原理也各不相同。

传感器的电信号输出可以是模拟信号或数字信号，根据需要，可以通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，进一步提供给电子设备进行处理和分析。

通过传感器的工作，我们能够获得环境的各种参数和信号，为物联网、智能化设备和其他应用领域提供了必要的数据。

功率放大器简介利用三极的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

功率放大器原理////////////////////////////////////////////////////电参量的测量方法1电压、电流信号的测量电流的测量可采用磁平衡式霍尔电流传感器（亦称为零磁通式霍尔传感器）。

如图3所示。

当被测电流I IN流过原边回路时，在导线周围产生磁场H IN这个磁场被聚磁环聚集，并感应给霍尔器件，使其有一个信号U H输出；这一信号经放大器A 放大，输人到功率放大器中Q1，Q2中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流I O；由于此电流通过多匝绕组所产生的磁场H O与原边回路电流所产生的磁场H IN相反；因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出电压U H逐渐减小，最后当I O与匝数相乘N2I O所产生的磁场与原边N1I IN所产生的磁场相等时，I O不再增加，这时霍尔器件就达到零磁通检测作用。

这一平衡所建立的时间在1μs之内，这是一个动态平衡过程，即原边回路电流I IN的任何变化均会破坏这一平衡的磁场，一旦磁场失去平衡，就有信号输出，经过放大后，立即有相应的电流流过副边线圈进行补偿。

因此从宏观上看副边补偿电流的安匝数在任何时间都与原边电流的安匝数保持相等，即N1I IN=N2I O，所以I IN=N2I O／N1 (I IN为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的匝数；I O为补偿绕组中的电流；N2为补偿绕组的匝数)。

4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。

2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。

图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。

石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。

当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。

因此，输出电压也随x而变化。

输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。

图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。

3、特点✧调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。

✧调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。

4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。

试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。

【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。

S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。

若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。