第1部分 常用電路

第1章 檢測電路

隨著現代信息技術的發展，信息獲取、傳輸和處理已經構成一個成熟的技術鏈條，其中信息獲取是信息技術發展的開端，信息傳輸是信息傳遞的通道，信息處理則是現代信息發展的重要環節。在工程實踐和科學試驗中，信息獲取主要包括測量和檢測。其中，檢測是測量系統的第一環節，也是信息技術鏈的第一環節。它能否獲得信息與獲取信息的正確與否，直接關系到整個測量系統、信息技術鏈的精確度。檢測電路的性能在很大程度上決定著整個信息技術的性能，因此世界各國都將傳感器技術列為重點發展的新技術。基于此，本章主要介紹一些常用的檢測電路。

1.1 窗口比較器電路

窗口比較器電路用于檢測電壓等信號是否超過一定的范圍，即是否在一個由固定上限、下限組成的范圍內。

1.電路圖

窗口比較器電路的電路和波形示意圖如圖1-1所示。

2.工作原理

圖1-1（a）所示為一個典型的窗口比較器電路，該電路由兩個集成運放組成，輸入電壓ui分別接到運放A1的同相輸入端和A2的反相輸入端，參考電壓UH和UL分別加在A1 的反相輸入端和A2的同相輸入端。兩個集成運放的輸出端各通過一個二極管后并聯在一起，成為窗口比較器的輸出端。

當輸入電壓uI＞URH時，uI＞URL，因此集成運放A1 的輸出uO1 =+UOM，A2 的輸出uO2 =-UOM，使得二極管VD1導通，VD2截止，穩壓管VDZ工作在穩壓狀態，輸出電壓uO=+UZ。

當輸入電壓uI＜URL時，uI＜URH，因此集成運放A1 的輸出uO1 =-UOM，A2 的輸出uO2=+UOM，使得二極管VD2導通，VD1 截止，穩壓管VDZ工作在穩壓狀態，輸出電壓uO=+UZ。

當URL＜uI＜URH時，uO1 =uO2 =-UOM，因此VD1和VD2均截止，穩壓管截止，uO=0。

URH和URL分別為比較器的兩個閾值電壓，設 URH和 URL均大于零，則傳輸特性如圖1-1（b）所示。

1.2 光信號報警電路

光信號報警電路通過光敏電阻檢測光信號，并控制聲音發生電路，以監視和控制設備的運行情況。

1.電路圖

光信號報警電路的接收和控制電路如圖1-2所示。

圖1-2（a）中的光敏電阻LDR03接收光信號，通過IC（LM3909）產生振蕩并發出聲音警報信息，通過這種組合，可以實時監控電氣設備的運行。圖1-2（b）所示的電路通過開關SB控制觸發器工作，當開關SB置于接通位置時，輸出端為低電平；反之，輸出端為高電平。圖1-2（c）所示的電路則會在開關SB閉合后產生振蕩，并由發光二極管發出閃爍的警報信號。

1.3 采用單向晶閘管的氣體、煙霧報警器電路

可以通過氣體傳感器TGS308來探測目標氣體和煙霧，其控制部分是單向晶閘管半波可控整流電路。

1.電路圖

采用單向晶閘管的氣體、煙霧報警器電路如圖1-3所示。

2.工作原理

在如圖1-3所示的采用單向晶閘管的氣體、煙霧報警器電路中，TGS308是基于氧化錫的傳感器，它借助半導體表面對氣體的吸附和去除特性來檢測氣體，主要表現在傳感器電阻率的變化上，如果有目標檢測氣體，傳感器的電阻率將變小，進而增加負載電壓，通過增加的負載電壓觸發比較器并開啟報警器。當目標檢測氣體或煙霧消除時，單向晶閘管MCR106-3在第一次過零時關斷。上述電路由于沒有考慮到電源接通時所產生的警報延時，以及半波運行時會減小警報器的聲音強度，所以存在一定的缺陷。

1.4 采用雙向晶閘管的氣體、煙霧警報器電路

采用雙向晶閘管的氣體、煙霧警報器電路利用目標氣體或煙霧（大多為可燃性氣體等）的傳感器進行檢測，并通過全波交流電壓驅動揚聲器產生一定分貝的語音警報信息。

1.電路圖

采用雙向晶閘管的氣體、煙霧警報器電路如圖1-4所示。

2.工作原理

當出現目標氣體時，TGS308型氣體傳感器的電阻率會變小，通過電位器RP1 滑動點取出電壓，其值會從正常的有效值迅速增加數倍，該升高的電壓經過二極管和電阻加到三極管VT1上，并使之導通，VT1導通使得雙向晶閘管也導通，從而使得全波交流電壓驅動產生高分貝的語音警報信息。當氣體脫離傳感器的檢測范圍后，傳感器的電阻值會恢復到原狀，驅動揚聲器的信號終止，警報停止。

1.5 光電式煙霧檢測器電路

除了采取壓電、氣敏等元件作為探測器材外，也可以利用發光二極管來檢測和控制電路。

1.電路圖

光電式煙霧探測器電路如圖1-5所示。

2.工作原理

采用連續的煙霧報警信號可以簡化觸發火情報警器和電池欠壓報警器所要求的三極管電路。當電離室的高阻抗因延誤或氣體而降低時，三極管VT1 ～VT3 就向VT4 提供100 μA的基極電流，使之導通。只要煙霧或氣體的含量超過規定閾值，控制電位器RP5 所限定的電壓值就會連續不斷地驅動報警器發聲。

1.6 MOS邏輯電路控制的過零檢測器

過零檢測器用于檢測輸入信號是否超過設定的零，如果超過，則電路的輸出狀態將相應地發生變化。

1.電路圖

MOS邏輯電路控制的過零檢測器如圖1-6所示。

2.工作原理

圖1-6所示的MOS邏輯電路控制的過零檢測器用LM311作為比較器，并用R1 將其接成正反饋形式，其反相輸入接地，從而實現了過零檢測。同時，當變化的輸入信號UE過零時，輸出端的UA將會改變輸出狀態。

1.7 確定“是”或“不是”的雙電平檢測器

在實際應用中，通常會設定一定的范圍來篩選需要的信息，并且一種可自行調節范圍的篩選器具有實用價值。

1.電路圖

確定“是”或“不是”的雙電平檢測器如圖1-7所示。

2.工作原理

圖1-7中給出的確定“是”或“不是”的雙電平檢測器是一個信號篩選電路，該電路中采用了兩個并聯的比較器，并且分別輸入了上限電平信號和下限電平信號，即設定了兩個閾值，即圖中的“上限”及“下限”。如果輸入信號UE超過上、下兩個設定值，則比較器輸出端的UA為低電平信號；如果輸入信號在兩個閾值之間，則比較器輸出端的UA為高電平信號。

1.8 基于數模轉換器的電平檢測電路

電平檢測電路是非常常用的電路之一。下面介紹一種基于數模轉換器的電平檢測電路。

1.電路圖

基于數模轉換器的電平檢測電路如圖1-8所示。

2.工作原理

圖1-8給出的基于數模轉換器的電平檢測電路由10位數模轉換器、運放OP-C1及比較器CMP-02組成。當輸入信號UE大于運放輸出基準電壓UR時，比較器輸出為“1”，反之為“0”。

1.9 發現電網電壓故障的指示電路

電網故障會嚴重地影響用戶的用電，因此電網故障的檢測顯得尤為重要。下面基于DAC給出一個典型的發現電網電壓故障的指示電路。

1.電路圖

發現電網電壓故障的指示電路如圖1-9所示。

2.工作原理

圖1-9所示的發現電網電壓故障的指示電路中用到了DAC-08。將DAC-08的輸出端接直流輸入電壓，便構成了一個典型的數模轉換器。由于其輸出信號為交流電壓信號，所以它可以用來檢測電網電壓的降落情況，并將指示信息送至數字顯示裝置。

1.10 光導發光元件的反射光檢測位移電路

精確的位移測量和檢測在一些物理實驗中有著廣泛的應用，下面給出一種光導發光元件的反射光檢測位移電路。

1.電路圖

光導發光元件的反射光檢測位移電路如圖1-10所示。

2.工作原理

圖1-10所示的光導發光元件的反射光檢測位移電路是利用光導發光元件CNY73檢測位移的。它對于被檢測元件有一定的要求，即被檢測元件反射光線的面應該比較光滑并是平行板，而且檢測的指示元件為兩個發光二極管。該電路通過CNY73及CNY73的光敏三極管來感應發光二極管產生的光線，并將信號傳導至控制芯片。

1.11 基于U237B的液體液面指示器

液面是否到了危險的高度是檢測領域里比較關注的一個點，下面給出一種液面檢測電路。

1.電路圖

基于U237B的液體液面指示器如圖1-11所示。

2.工作原理

U237B是一個內部包含5個比較器和驅動器的集成電路，通常被用在物體位置的檢測中。在圖1-11所示的基于U237B的液體液面指示器中，1kΩ可變電阻用做液體填充發送器，隨著液體液面的上升，可變電阻的有效電阻逐漸增加，從而使得引腳7上的電位信號上升，并基于此引發發光二極管發光，從而提示用戶液面已經達到了設定的上限。當然，該電路也可以將用發光二極管提示改成用語音提示等。

1.12 檢測pH值的檢測電路

pH檢測儀器對于化學實驗等有著重要的幫助作用，下面給出一種檢測pH值的檢測電路。

1.電路圖

檢測pH值的檢測電路如圖1-12所示。

2.工作原理

在圖1-12所示的檢測pH值的檢測電路中，LH0052為精密線性放大器，用做檢測放大器。由于外界噪聲的存在，所以信號的輸入端需要進一步的保護，而且輸入信號線均應該有接地屏蔽線。

1.13 HN911L熱釋紅外線探測電路

為了改善工作溫度，我們采用了HN911L系列紅外探測模塊，該模塊的工作溫度可低至-30℃。

1.電路圖

HN911L熱釋紅外線探測電路如圖1-13所示。

2.工作原理

在圖1-13所示的HN911L熱釋紅外線探測電路中，12V電源經過HC205穩壓后施加至HN911L模塊的3引腳，并提供5V電壓。圖中的RP為增益調節電阻；HN911L的引腳1、2都為輸出端口。在靜態時，若2引腳為高電平，則三極管VT1導通，輸出低電平；若1引腳為低電平，則VT2截止，并且指示燈不亮。當有人進入探測區域后，HL911L接收到人體的紅外線，于是電路迅速報警，指示燈HL發光。

1.14 沖擊傳感器應用電路

沖擊傳感器應用電路在機械領域有較多的應用，下面給出一個沖擊傳感器的具體應用電路。

1.電路圖

沖擊傳感器的具體應用電路如圖1-14所示。

2.工作原理

當圖1-14所示的沖擊傳感器應用電路處于靜態時，由于C1上的電壓為0，所以運放A輸出低電平。當沖擊傳感器Ag受到某種力量而作用時，電源E給C1迅速充電，C1兩端的電壓上升至+E，于是A輸出端調至高電平。之后，C1 通過R1 放電，當C1 上的電壓低于E的一半時，A的輸出端又變為低電平。利用Ag使運算放大器A的輸出電壓UO產生變化，控制繼電器或其他負載，從而可以起到沖擊傳感器的控制作用。

1.15 CK型熱釋紅外線傳感器

CK型熱釋紅外線傳感器由于具有獨特優異的功能而被廣泛地應用在國防和民用領域，作為遙控、檢測、防盜、警戒等自動化設施，其電路圖和原理如下。

1.電路圖

CK型熱釋紅外線傳感器電路如圖1-15所示。

2.工作原理

如圖1-15所示的CK型熱釋紅外傳感器電路中的傳感器主要由高熱系數的鈷鈦酸鉛系陶瓷及硫酸三甘鈦等配合濾光鏡片窗口組成，它能以非接觸形式檢測出物體發射出來的紅外線能量變化，并將檢測到的能量變化轉化為電平信號輸出。

在圖1-15中，AT為雙元件熱釋紅外線傳感器，其能夠接收的波長為1～20μm，適用于防盜系統；其輸出電阻為10kΩ，適用于溫度的遠距離探測，但它同樣也可用于防盜和自動控制系統。

在這個電路中，當AT接收到人體信號后會輸出一個微弱的低頻信號，其頻率為0.3～3Hz，該信號經過晶體管VT1及運放A1組成的兩級放大器放大至75dB，再經過A2等組成的電壓比較器，如果沒有目標進入，則末級無輸出；如果有目標進入探測范圍，AT則有信號輸出，經過放大后，電壓高于早先設計的參考電壓，則A2 輸出高電平，VT2 導通，開關K導通，接通報警電路，進而實現熱釋紅外線探測的目的。

另外，金屬封裝熱釋紅外傳感器內裝有變阻抗用的場效應晶體管，其輸出阻抗一般為10～47kΩ，其頂端或側面有濾光鏡片，用來選擇接受不同波長的熱釋紅外線。人體輻射的紅外線中心波長為9～10μm，而這種探測元件的波長靈敏度在0.2～20μm的范圍內幾乎是恒定不變的。在硅片表面貼上截止波長為7～10μm的濾光片，使波長超過7～10μm的紅外線通過，而小于7μm的紅外線被吸收，便可以得到只對人體靈敏的熱釋紅外線。在此波長范圍內，光線不被空氣吸收，因此該傳感器可高效率地檢測紅外線。

1.16 UV紫外線火焰傳感器

UV紫外線火焰傳感器對木材、紙張、油類、塑料等可燃性氣體等燃燒散發出的紫外線極為敏感，而且有很強的抗干擾能力，因而被廣泛地應用于賓館、飯店、辦公樓等重要設施作為火災報警器，其電路圖和原理如下。

1.電路圖

UV紫外線火焰傳感器電路如圖1-16所示。

2.工作原理

一般而言，UV紫外線火焰傳感器（以下簡稱UV傳感器）有兩種型號，分別為R244頂式傳感器和R286臥式傳感器。

在圖1-16所示的UV紫外線火焰傳感器電路中，VT1與變壓器T構成了一個振蕩回路，在T的二次側獲得較高的交流電路，經過二極管VD1 整流，C1 濾波后獲得350V的直流高壓，再經過R3限流后加到UV傳感器的陽極。與UV傳感器陰極相連的R4 為傳感器取樣電阻。如果發生火災，則火焰中的紫外線會透過UV傳感器的玻璃照射到陰極，形成電子流，同時在電阻R4上形成階躍電壓，再經過R5加到放大器A上，A輸出的是直流電路，使得K導通，從而使電路報警。當然，根據實際的要求，可以在電路中引入一些其他元件，如C5用來濾掉一些干擾脈沖信號，VD2 則用于鉗位以免使得放大器A擊穿。另外，改變R3 的值可以調節UV紫外線火焰傳感器的靈敏度。

UV傳感器的結構比較簡單，從表面上來看它只是一個氖泡，氖泡中有兩個電極，一個是陽極，另一個是陰極，管內充有特種氣體。采用玻璃殼的目的是讓紫外線順利通過，陽極、陰極之間呈現高阻抗。當UV傳感器接收到紫外線，大量的紫外線照射到其陰極時，陰極會發出大量的光電子，在電極之間電壓的作用下，光電子與管內的氣體發生碰撞、電離，氣體導通，這樣在回路中的電流表頭便會有電流值顯示，而R4 上會有電壓降，提取電壓，便可形成紫外線傳感器信號。