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| 編輯推薦： |
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采用问答的形式，从职场新人的角度提出一个个他们想问不齿问、想问不知如何问的有关传感器及其接口电路的具体问题并予以解答，而不用再系统学习一遍已学过的有关知识，更符合该群读者的心理预期。
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| 內容簡介： |
职场新生代实用电子技术问答系列丛书收集了高年级大学生、研究生在实验和课题研究工作中的电路问题，还包括工作不久的工程技术人员在新产品研发或产品维护中遇到的大量问题，并进行了解答。这些问题中的绝大多数是从事电子领域工作的人员必然会面对的。问题涉及面广、解答深入，对电子、机电、测控和仪器仪表类专业的大学生掌握电子电路的理论、提高实践能力有很大的帮助，同时对从事电子领域的工程技术人员也有很高的参考价值。
本书主要是有关传感器及其接口电路应用的问题及其解答，如传感器的基本知识、各种传统的传感器的工作原理与性能、各种现代智能传感器及其特性、经典的和集成的传感器接口电路以及传感器的应用电路，等等。扎实而宽厚的传感器及其接口电路知识与应用能力是构建卓越电子工程师高超创新与设计能力的先决条件。
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| 關於作者： |
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李刚，天津大学精仪学院教授，中国电子学会高级会员，中国电子学会嵌入式计算机专家委员会委员，中国仪器仪表学会理事，天津市单片机学会理事长。出书方向：电子电路、单片机等。
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| 目錄：
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第1章 传感器基础知识
1．什么是传感器？（2）
2．传感器有什么作用？（2）
3．目前传感器的发展有何特点？（2）
4．传感器与人类的感觉有何对应关系？（2）
5．目前传感器有哪些类别和功能？（2）
6．什么是传感器的敏感元件？（3）
7．什么是传感器的转换元件？（3）
8．传感器有哪些主要特性？（3）
9．传感器的常用技术性能指标有哪几类？（4）
10．如何对传感器选型？（5）
11．有关传感器的术语有哪些？（6）
12．环境有可能对传感器产生什么样的影响？（8）
13．什么是多功能传感器？（8）
14．什么是智能传感器？（9）
15．智能传感器有何特点？（10）
16．什么是有源传感器？（10）
17．什么是复合型传感器？（10）
18．两线制传感器是什么？（10）
19．传感器的两线制与三线制和四线制相比有何优点？（11）
20．什么是弹性敏感元件？（11）
21．传感器是怎样组成的？（12）
22．传感器是怎样分类的？（13）
23．传感器现状和发展趋势是什么？（13）
24．传感器电路尽量设计成线性系统，请问什么是线性系统？（13）
25．如何实现非电量的测量？（14）
26．如何从精度上选择传感器？（14）
27．如何实现传感器的“超精度”应用？（14）
28．如何为传感器测量选定ADC？（15）
29．什么是传感器精度？（15）
30．什么是传感器的线性度？（15）
31．什么是传感器的迟滞？（16）
32．什么是传感器的重复性？（16）
33．什么是传感器的灵敏度？（16）
34．什么是传感器的分辨率？（16）
35．什么是传感器的漂移？（17）
36．什么是传感器的测量误差？（17）
37．什么是传感器的误差因素与标准规范？（17）
38．传感器实现不失真测量的条件是什么？（18）
39．如何评估传感器精度？（18）
40．如何评估测试系统精度？（19）
41．在工程中采用什么误差作为测量传感器的精度等级？（19）
42．称重传感器怎样分精度等级？（20）
43．什么是称重传感器的检定分度数？（20）
第2章 传感器
1．传感器与传感元件有何关系？（22）
2．温度传感器中的热敏元件是什么？（22）
3．半导体热敏电阻的工作原理是什么？（22）
4．国产热敏电阻是如何制定型号的？（23）
5．热敏电阻器有哪些主要参数？（23）
6．光敏传感器主要有哪些光敏元件？（24）
7．为什么有的光电三极管只有两只引脚？（26）
8．光敏电阻有哪些主要参数？（26）
9．气敏传感器及其种类和相应的气敏元件有哪些？（26）
10．红外气体传感器的工作原理是什么？（27）
11．半导体气敏传感器的工作原理是什么？（29）
12．热导式气体传感器的工作原理是什么？（30）
13．催化燃烧式气体传感器的工作原理是什么？（30）
14．电化学气体传感器的工作原理是什么？（31）
15．半导体气敏传感器及其气敏元件是什么？（31）
16．QM-N5型气敏元件的性能如何？（32）
17．催化型可燃气体传感器的工作原理是什么？（32）
18．氧气体传感器的工作原理是什么？（32）
19．一氧化碳传感器的工作原理是什么？（33）
20．烟雾传感器的工作原理是什么？（34）
21．酒精气体传感器的工作原理是什么？（34）
22．氧化氮传感器的工作原理是什么？（35）
23．二氧化硫传感器的工作原理是什么？（35）
24．硫化氢传感器的工作原理是什么？（36）
25．氯化氢传感器的工作原理是什么？（36）
26．甲烷（CH4）传感器的工作原理是什么？（36）
27．甲醛（CH2O）传感器的工作原理是什么？（36）
28．卤素传感器的工作原理是什么？（37）
29．CO传感器的工作原理是什么？（38）
30．氨气（NE-NH3）传感器的工作原理是什么？（38）
31．二氧化硫（SO2）传感器的工作原理是什么？（38）
32．氢气（H2）传感器的工作原理是什么？（39）
33．溴化氢（HBr）传感器的工作原理是什么？（39）
34．气体传感器的工作原理是什么？（39）
35．可燃气体传感器的工作原理是什么？（40）
36．固体电解质气体传感器的工作原理是什么？（40）
37．力敏传感器及其使用的力敏元件有哪些？（40）
38．什么是压阻式传感器？（40）
39．磁敏传感器及其使用的磁敏元件有哪些？（40）
40．电阻式传感器可以传感哪些信息？有哪些种类的敏感元件？（41）
41．什么是称重传感器？采用哪些传感原理？（41）
42．什么是热电阻传感器？（41）
43．什么是生物传感器?（42）
44．生物传感器有哪些类型？（43）
45．电化学传感器的工作原理是什么？（43）
46．电化学传感器的结构是什么？（44）
47．电化学传感器是如何制造的？（44）
48．电化学传感器有哪些主要的应用？（44）
49．气体传感器有哪些主要特性？（45）
50．如何选择气体传感器？（45）
51．接触燃烧式气体传感器有何特点？（46）
52．电化学气体传感器有哪些类型？（46）
53．光学气体传感器有哪些类型及其应用？（46）
54．什么是霍尔传感器？（47）
55．霍尔器件有何特点？有哪些应用？（47）
56．什么是位移传感器？（48）
57．位移传感器有哪些运动方式？（48）
58．角位移传感器有哪些常见的形式？（49）
59．各种位移传感器的工艺和特点是什么？（49）
60．霍尔器件可以用于哪些非电量测量？（51）
61．相比于其他原理的传感器，霍尔电流传感器有何优越性？（53）
62．位移传感器是什么？（54）
63．磁敏传感器的工作原理有哪些？（54）
64．压电陶瓷是什么？（55）
65．接近开关有哪些？怎样选择？（56）
66．什么是铠装热电偶？（58）
67．什么是变磁阻式传感器？（58）
68．变磁阻式传感器有哪些类型？（59）
69．光电二极管与光电池有何区别？（62）
70．光电二极管与光电三极管有何区别？（62）
71．光敏电阻与光电二极管在应用中有什么区别？（62）
72．各种光电传感器的特点是什么？（63）
73．什么是电容传感器？（63）
74．什么是锑电极酸度传感器？（65）
75．什么是酸、碱、盐浓度传感器？（66）
76．什么是电导传感器？（66）
77．常用大位移传感器（或技术）有哪些？（66）
78．什么是光栅（尺）位移传感器？（66）
79．什么是铠装热电偶？（68）
80．什么是容栅传感器？（70）
81．什么是磁栅传感器？（71）
82．什么是光电倍增管？（73）
83．光电二极管和光电倍增管的区别？（75）
84．人体的非电量参数有哪些？如何进行提取？（75）
85．什么是电涡流式传感器？其工作原理如何？（75）
86．什么是差动变压器式位移传感器？其工作原理如何？（76）
87．什么是压阻式传感器？（77）
88．生物传感器的工作原理是什么？（78）
89．热电阻与热敏电阻有何不同？（78）
90．热敏电阻有哪几个主要参数？（78）
91．什么是话筒（驻极体拾音器）？（81）
92．什么是超声传感器？（82）
93．电阻应变片有何特点？有哪些主要参数？（85）
94．测量电流的集成霍尔传感器是什么？性能如何？（86）
95．什么是四自由度的集成惯性测量传感器？其性能如何？（88）
96．ADT75集成温度传感器的工作原理是什么？性能如何？（90）
97．MPXY8300集成胎压监控传感器的工作原理是什么？性能如何？（92）
98．TSL2560和TSL2561集成光强度数字传感器的工作原理是什么？性能如何？（95）
99．LM1042集成液位传感器的工作原理是什么？性能如何？（98）
100．TCS230可编程彩色光频转换器的工作原理是什么？性能如何？（100）
101．MS5534集成气压计模块的工作原理是什么？性能如何？（104）
102．FCD4B14集成指纹传感器的工作原理是什么？性能如何？（109）
103．集成三轴角速度传感器MAX21000的工作原理是什么？性能如何？（113）
104．MAX6632集成温度传感器的工作原理是什么？性能如何？（122）
105．MAX44006MAX44008集成色彩传感器的工作原理是什么？性能如何？（125）
106．ADIS16000ADIS16229振动传感器的工作原理是什么？性能如何？（138）
107．ADIS16266可编程数字陀螺仪的工作原理是什么？性能如何？（142）
108．ADT7310集成温度传感器的工作原理是什么？性能如何？（153）
109．集成化的光电传感器OTP101的工作原理是什么？性能如何？（166）
110．ADXL377集成三轴加速度计的工作原理是什么？性能如何？（167）
111．ADIS16445集成惯性传感器的工作原理是什么？性能如何？（171）
112．ADIS16375集成惯性传感器的工作原理是什么？性能如何？（173）
113．电容数字转换器（CDC） AD7747的工作原理是什么？如何应用？（175）
114．单轴加速度传感器ADXL193的工作原理是什么？如何应用？（178）
115．ADXL203型双轴加速度传感器的工作原理是什么？如何应用？（181）
116．双轴加速计ADXL202ADXL210的工作原理是什么？如何应用？（184）
117．ADIS22151集成惯性传感器的工作原理是
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图4-106示出了一款采用 LTC6244简单的小面积光电二极管放大器。放大器的输入电容由 CDM （放大器的差模电容） 和一个 CDM（共模电容仅在放大器的反向输入） 组成，或约为 6pF 的总电容。小型光电二极管具有1.8pF 电容，因此放大器的输入电容在电容中居支配地位。小反馈电容器是一个实际组件（AVX Accu-F系列），但它也与运算放大器引线、电阻器和寄生电容相并联，所以实际的总反馈电容可能在0.4pF左右。这之所以重要，是因为反馈电容设定了电路的补偿，以及运算放大器增益带宽和电路带宽。该特殊设计具有一个 350kHz 带宽，在该带宽内所测得的输出噪声为 120μVrms。
（2）大面积光电二极管放大器
图4-107示出了一个简单的大面积光电二极管放大器。光电二极管的电容为 3650pF （标称值为 3000pF ），这对电路的噪声性能有着显著的影响。例如，在 10kHz频率条件下，光电二极管电容等同于一个4.36kΩ 的阻抗，因此采用1MΩ反馈电阻器的运算放大器电路在该频率下具有一个 NG=1+1M4.36k=230的噪声增益。于是，LTC6244 的输入电压噪声到达输出端时成为 NG×7.8nV ，从图4-108所示的电路输出噪声频谱中便可清楚地看出这一点。请注意，我们尚未把运算放大器电流噪声或增益电阻器的 130nV 考虑在内，不过，与运算放大器电压噪声和噪声增益相比，这些显然是微不足道的。作为参考，该电路的 DC输出失调约为 100μV，带宽为 52kHz，而总噪声是在一个 100kHz 的测量带宽和在 1.7mVrms的条件下测量的。
图4-106 小面积光电二极管的跨阻抗放大器 图4-107 大面积光电二极管跨阻抗放大器
图4-108 图4-106所示电路的输出噪声频谱密度。在10kHz频率条件下，
1800nV 输出噪声几乎完全是由LTC6244的7.8nV电压噪声以及高光电
二极管电容中的1M反馈电阻器的高噪声增益所致
图4-109示出了该电路的改良，其中，利用一个 1nV JFET 对大二极管电容进行了自举。该耗尽型 JFET具有一个约 –0.5V 的 VGS，因此，RBIAS 强制它在刚刚超过 1mA 的漏电流条件下运作。按照图示进行连接，光电二极管具有一个 VGS 的反向偏压，因此其电容将比前一种情形略低（测量值为 2640pF），但是，最剧烈的影响是由自举产生的。图4-110示出了该新电路的输出噪声。10kHz 频率条件下的噪声现在为220nV ，而 1M 反馈电阻器的 130nV 热噪声层在低频条件下是可识别的。发生的情况是：运算放大器的 7.8nV 有效地被 JFET 的 1nV 所取代。这是因为1M反馈电阻器不再“回溯”至大光电二极管电容中，而是回溯至一个 JFET 栅电容、一个运算放大器输入电容和一些寄生电容中，总电容约为 10pF。低噪声 JFET 的栅至源极电压加在大光电二极管电容的两端。如前文所述，在 10kHz 频率下进行计算后得出：光电二极管电容似乎是 6kΩ，因此JFET 的 1nV 将产生一个 1nV6k=167fA 的电流噪声。该电流噪声必需流过 1M 反馈电阻器，于是在输出端上表现为 167nV 。增加电阻器的130nV （以 RMS 值） 将得出一个 210nV 的总计算噪声密度，与图4-110中所示的测量噪声十分吻合。另一个重大的改进是带宽 （现在超过了350kHz），这是因为自举导致补偿反馈电容减小。请注意，自举并未影响放大器的 DC 准确度，只是使栅电流增加了几个皮安。
图4-109 大面积二极管自举
图4-110 图4-109所示电路的输出噪声频谱密度。简单的JFET自举大幅度地改善了噪声（和带宽）。
10kHz频率条件下的噪声密度现为220nV ，大约有8.2倍下降。这主要是由于自举效应
（即：采用JFET的1nV 替换了运算放大器的7.8nV ）所致
035 如何应用电容-数字转换器AD7150？
AD7150采用一种响应快速的超低功耗转换器，为电容式接近传感器提供了一种全面的信号处理解决方案。AD7151是AD7150的更低功耗、单信道形式。
AD7150采用ADI公司的电容-数字转换器（CDC）技术，这种技术汇集与实际传感器接口过程中起着重要作用的多种特色功能于一身，如高输入灵敏度以及较高的输入寄生接地电容和泄漏电流容限。
集成自适应式阈值算法可对因环境因素（如湿度和温度）或绝缘材料老化而导致传感器电容发生的任何变化进行补偿。默认情况下，AD7150采用默认上电设置以独立模式运行，并以两路数字输出显示检测结果。另外，AD7150也可通过串行接口与微控制器连接，可通过用户自定义设置对内部寄存器进行编程，而数据和状态信息则可从该器件中读取。
AD7150工作电压为2.7～3.6V，额定温度范围为?40～+85℃。
（1）架构与主要特性
AD7150内核是一款高性能电容-数字转换器（CDC），允许器件直接连接容性传感器。
比较器将CDC结果与阈值相比较，该阈值可以是固定值，也可以由片内自适应阈值算法引擎动态调整。因此，输出表示输入传感器电容定义的变化。
AD7150还集成一个激励源和用于容性输入的CAPDAC、一个输入多路复用器、一个完整的时钟发生器、一个掉电定时器、一个电源监控器、控制逻辑和I2C兼容型串行接口，用来在系统需要时配置器件并访问内部CDC数据和状态（见图4-111）。
图4-111 AD7150功能框图
A．电容数字转换器
图4-112 CDC简化功能框图
图4-112所示为CDC简化功能框图。转换器由一个二阶?-?电荷平衡调制器及一个三阶数字滤波器组成。所测电容CX连接在激励源和?-?调制器输入端之间。转换期间在CX上施加激励信号，而调制器会对流过CX的电荷进行连续采样。
数字滤波器负责处理调制器输出，也就是以0和1密度形式表示信息的0和1数据流。数据通过自适应阈值引擎和输出比较器处理，还可通过串行接口读取。
AD7150针对浮动式容性传感器而设计。因此，两个CX板必须与地或系统中的任何其他固定电位节点相隔离。
AD7150在激励电压输出端具有压摆率限制特性，可降低激励信号中较高谐波的能量，并极大改善系统的电磁兼容性（EMC）。
B．CAPDAC
AD7150 CDC内核的最大满量程输入范围为4 pF。但是，该器件可在输入端接受较高的电容，并且可利用片内可编程CAPDAC来平衡最高10 pF的失调（不变成分）电容。
CAPDAC可以理解为在内部连接到CIN引脚的负电容。
图4-113 使用CAPDAC
CAPDAC具有6位分辨率和单调传递函数。图4-113显示如何使用CAPDAC来转换CDC 4 pF输入范围，以便测量10pF和14pF之间的电容。
C．比较器与阈值模式
AD7150比较器和其阈值可编程工作在多种不同模式下。在自适应模式下，阈值动态调节，比较器输出指示输入（传感器）电容的快速变化，同时忽略慢速变化。此外，阈值可编程设置为恒定（固定）数值，以便输出指示所有的输入电容超过定义固定阈值的变化。
在自适应和固定阈值模式下，AD7150逻辑输出（高电平有效）均指示输入电容的正变化或负变化（见图4-114和图4-115）。
图4-114 正阈值模式指示输入电容的正变化 图4-115 负阈值模式指示输入电容的负变化
此外，仅就自适应模式而言，比较器可用作窗口比较器，指示选定灵敏度范围以内或以外的输入（见图4-116和图4-117）。
图4-116 窗外（自适应）阈值模式 图4-117 窗内（自适应）阈值模式
D．自适应阈值
图4-118 自适应阈值指示输入电容的
快速变化并消除慢速变化
在自适应模式下，阈值动态调节，确保指示输入（传感器）电容的快速变化（如物体向容性近距离传感器移动）并消除慢速变化（通常由环境变化导致，如湿度或温度改变，或者传感器电介质材料随时间而改变），如图4-118所示。
E．数据平均值
自适应阈值算法采用之前CDC输出数据的平均计算值。针对输入电容步长变化平均值的响应（更确切地说，是针对CDC输出数据变化的响应）是一条指数沉降曲线，可通过下列等式表述：
AverageN=Average0+Change1-eNTimeConst
其中：
Average（N）是输入端步长改变后，N个完整CDC转换周期的平均值。
Average（0）是步长改变前的数值。
图4-119 针对数据步长变化的平均值响应
TimeConst可在2至65536的范围内选择，步长为2的幂；通过对设置寄存器中的_rSettling位编程即可更改。参见图4-119和寄存器描述部分。
F．灵敏度
在自适应阈值模式下，输出比较器阈值设置为数据平均值之上的定义距离（灵敏度），也可设置为数据平均值之下或者上下皆有，具体取决于所选工作阈值模式（见图4-120）。12位CDC转换器的灵敏度可在0至255 LSB范围内编程设置（见寄存器描述部分）。
G．迟滞
在自适应阈值模式下，比较器具有迟滞特性（见图4-121）。迟滞固定为阈值灵敏度的四分之一，可编程为开启或关闭。比较器在固定阈值模式下无迟滞。
图4-120 阈值灵敏度 图4-121 阈值迟滞
H．超时
若容性输入具有幅度大且持续时间长的变化，这种情况下平均值可能需要很长时间适应新的条件，此时可设置超时。当CDC数据位于平均值±灵敏度范围以外时，超时激活（计数）。超时时间耗尽之后（完成定义数量的CDC转换计数），平均值（进而阈值）被迫立即跟随新的CDC数值（见图4-122）。超时可单独针对接近（数据向阈值变动）或远离（数据远离阈值变动）而设置，参见图4-123、图4-124和寄存器描述部分。
图4-122 CDC数据大幅变化后的阈值超时
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