传感器原理及应用技术第11章

第11章传感器应用技术这些变换通常包括：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(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)。

第11章传感器应用技术 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。

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Uo=IiR

图11.1最简单的电流 -电压变换电路

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Ii -+

图11.2简单电流 -电压变换器电路

第11章传感器应用技术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。它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-电压变换器电路如图11.3所示。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0.1~1 A范围内,变换精度为±0.5%。

第11章传感器应用技术根据该电路的结构,只要选R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,则差动放大倍数为

K d 2(1

Rf R7

)(

Rf RF

)

由上式可见,R7越小,Kd越大。调节Rw2,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(107~1012Ω)、低漂移的运算放大器。

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R3 36 k+15 V - R2 4.99 k DL802+ I1 R w1 10 k -15 V R 5 36 k I1 2k R6 36 k I2 I1+I2 R7 R w2 I1 I2 10 k R4 36 k Uo

I I1 Rs 0.1

R1 4.99 k

图11.3大电流 -电压变换器电路

第11章传感器应用技术另一种微电流-电压变换器电路如图11.4所示。该电路只

需输入 5 pA电流,就能得到 5V电压输出。图中,输入级 CH3130本身输入阻抗极高,加上因同相输入端和反相输入端均处于零电位,进一步减小了漏电流。如果对输入端接线工艺处理得好,其漏电流可以小于1 pA。第二极CH3140接成100倍反相放大器。根据输入电流的极性,一方面产生反相的电压输出,一方面提供负反馈,保证有稳定的变换系数。该电路的一个特点在于反馈引出端不是在Uo,而是在 100Ω和9.9 kΩ电阻中间。按常规的接法,10 GΩ反馈电阻产生的变换系数为1010,即5pA电流产生0.05V电压。但是该电路的反馈从输出电压的1/100分压点引出,将灵敏度提高了100倍。于是,当输出Uo=5V时,反馈电阻两端的电压为50mV,这时仅需电流为50 mV/10 GΩ=5 pA。

第11章传感器应用技术 I 10 G

+7.5 V50 p 10 M Ii 0.1

10 p

+CH3130

10 k 560 k

+15 V -CH3140

-100 k 10 M

+ -7.5 V -15 V10 k

9.9 k

-15 V100

图11.4微电流 -电压变换器电路

第11章传感器应用技术 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变换器电路如图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为 Ui Io R1 R2调节Rw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20 mA。为了降低运算放大器功耗,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。该电路的输入为0~1 V,输出为0~10mA。

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A RL Io

图11.5负载浮动的U-I变换器电路

第11章传感器应用技术 +Ucc Ui (0~1 V) R3 500 V - R4 500 RL (0~1 k)

-Ucc

R1 80 R2 50

图11.6一种改进的U-I变换器电路

第11章传感器应用技术 2.负载接地的U-I变换器一种负载接地的U-I变换器电路如图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

R3 Io Ui R1 R7

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+Ucc R3 R1+ - Ui R2 R4 R6 R7 RL Io R5

图11.7负载接地的U-I变换器电路