第1部分 常用電路

第1章 檢測電路

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，信息獲取、傳輸和處理已經(jīng)構(gòu)成一個成熟的技術(shù)鏈條，其中信息獲取是信息技術(shù)發(fā)展的開端，信息傳輸是信息傳遞的通道，信息處理則是現(xiàn)代信息發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在工程實踐和科學(xué)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(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，也是信息技術(shù)鏈的第一環(huán)節(jié)。它能否獲得信息與獲取信息的正確與否，直接關(guān)系到整個測量系統(tǒng)、信息技術(shù)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(shù)的性能，因此世界各國都將傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展的新技術(shù)。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(nèi)。

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(lián)在一起，成為窗口比較器的輸出端。

當(dāng)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(dǎo)通，VD2截止，穩(wěn)壓管VDZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uO=+UZ。

當(dāng)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(dǎo)通，VD1 截止，穩(wěn)壓管VDZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uO=+UZ。

當(dāng)URL＜uI＜URH時，uO1 =uO2 =-UOM，因此VD1和VD2均截止，穩(wěn)壓管截止，uO=0。

URH和URL分別為比較器的兩個閾值電壓，設(shè) 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(fā)生電路，以監(jiān)視和控制設(shè)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(chǎn)生振蕩并發(fā)出聲音警報信息，通過這種組合，可以實時監(jiān)控電氣設(shè)備的運行。圖1-2（b）所示的電路通過開關(guān)SB控制觸發(fā)器工作，當(dāng)開關(guān)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(guān)SB閉合后產(chǎn)生振蕩，并由發(fā)光二極管發(fā)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(biāo)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(dǎo)體表面對氣體的吸附和去除特性來檢測氣體，主要表現(xiàn)在傳感器電阻率的變化上，如果有目標(biāo)檢測氣體，傳感器的電阻率將變小，進而增加負(fù)載電壓，通過增加的負(fù)載電壓觸發(fā)比較器并開啟報警器。當(dāng)目標(biāo)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(guān)斷。上述電路由于沒有考慮到電源接通時所產(chǎn)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(biāo)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(qū)動揚聲器產(chǎn)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(dāng)出現(xiàn)目標(biāo)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(shù)倍，該升高的電壓經(jīng)過二極管和電阻加到三極管VT1上，并使之導(dǎo)通，VT1導(dǎo)通使得雙向晶閘管也導(dǎo)通，從而使得全波交流電壓驅(qū)動產(chǎn)生高分貝的語音警報信息。當(dāng)氣體脫離傳感器的檢測范圍后，傳感器的電阻值會恢復(fù)到原狀，驅(qū)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(fā)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(xù)的煙霧報警信號可以簡化觸發(fā)火情報警器和電池欠壓報警器所要求的三極管電路。當(dāng)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(dǎo)通。只要煙霧或氣體的含量超過規(guī)定閾值，控制電位器RP5 所限定的電壓值就會連續(xù)不斷地驅(qū)動報警器發(fā)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(shè)定的零，如果超過，則電路的輸出狀態(tài)將相應(yīng)地發(fā)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(xiàn)了過零檢測。同時，當(dāng)變化的輸入信號UE過零時，輸出端的UA將會改變輸出狀態(tài)。

1.7 確定“是”或“不是”的雙電平檢測器

在實際應(yīng)用中，通常會設(shè)定一定的范圍來篩選需要的信息，并且一種可自行調(diào)節(jié)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(lián)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(shè)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(shè)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(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器的電平檢測電路。

1.電路圖

基于數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器的電平檢測電路由10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運放OP-C1及比較器CMP-02組成。當(dāng)輸入信號UE大于運放輸出基準(zhǔn)電壓UR時，比較器輸出為“1”，反之為“0”。

1.9 發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓故障的指示電路

電網(wǎng)故障會嚴(yán)重地影響用戶的用電，因此電網(wǎng)故障的檢測顯得尤為重要。下面基于DAC給出一個典型的發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓故障的指示電路。

1.電路圖

發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)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(fā)現(xiàn)電網(wǎng)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(gòu)成了一個典型的數(shù)模轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓的降落情況，并將指示信息送至數(shù)字顯示裝置。

1.10 光導(dǎo)發(fā)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(yīng)用，下面給出一種光導(dǎo)發(fā)光元件的反射光檢測位移電路。

1.電路圖

光導(dǎo)發(fā)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(dǎo)發(fā)光元件的反射光檢測位移電路是利用光導(dǎo)發(fā)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(yīng)該比較光滑并是平行板，而且檢測的指示元件為兩個發(fā)光二極管。該電路通過CNY73及CNY73的光敏三極管來感應(yīng)發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線，并將信號傳導(dǎo)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(lǐng)域里比較關(guān)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(nèi)部包含5個比較器和驅(qū)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(fā)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(fā)發(fā)光二極管發(fā)光，從而提示用戶液面已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的上限。當(dāng)然，該電路也可以將用發(fā)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(xué)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(yīng)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(jīng)過HC205穩(wěn)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(diào)節(jié)電阻；HN911L的引腳1、2都為輸出端口。在靜態(tài)時，若2引腳為高電平，則三極管VT1導(dǎo)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(dāng)有人進入探測區(qū)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(fā)光。

1.14 沖擊傳感器應(yīng)用電路

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

1.電路圖

沖擊傳感器的具體應(yīng)用電路如圖1-14所示。

2.工作原理

當(dāng)圖1-14所示的沖擊傳感器應(yīng)用電路處于靜態(tài)時，由于C1上的電壓為0，所以運放A輸出低電平。當(dāng)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(diào)至高電平。之后，C1 通過R1 放電，當(dāng)C1 上的電壓低于E的一半時，A的輸出端又變?yōu)榈碗娖健＠肁g使運算放大器A的輸出電壓UO產(chǎn)生變化，控制繼電器或其他負(fù)載，從而可以起到?jīng)_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(yōu)異的功能而被廣泛地應(yīng)用在國防和民用領(lǐng)域，作為遙控、檢測、防盜、警戒等自動化設(shè)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(shù)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(fā)射出來的紅外線能量變化，并將檢測到的能量變化轉(zhuǎn)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(tǒng)；其輸出電阻為10kΩ，適用于溫度的遠(yuǎn)距離探測，但它同樣也可用于防盜和自動控制系統(tǒng)。

在這個電路中，當(dāng)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(jīng)過晶體管VT1及運放A1組成的兩級放大器放大至75dB，再經(jīng)過A2等組成的電壓比較器，如果沒有目標(biāo)進入，則末級無輸出；如果有目標(biāo)進入探測范圍，AT則有信號輸出，經(jīng)過放大后，電壓高于早先設(shè)計的參考電壓，則A2 輸出高電平，VT2 導(dǎo)通，開關(guān)K導(dǎo)通，接通報警電路，進而實現(xiàn)熱釋紅外線探測的目的。

另外，金屬封裝熱釋紅外傳感器內(nèi)裝有變阻抗用的場效應(yīng)晶體管，其輸出阻抗一般為10～47kΩ，其頂端或側(cè)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(nèi)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(nèi)，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?zhèn)鞲衅?/h3>

UV紫外線火焰?zhèn)鞲衅鲗δ静摹⒓垙垺⒂皖悺⑺芰系瓤扇夹詺怏w等燃燒散發(fā)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(yīng)用于賓館、飯店、辦公樓等重要設(shè)施作為火災(zāi)報警器，其電路圖和原理如下。

1.電路圖

UV紫外線火焰?zhèn)鞲衅麟娐啡鐖D1-16所示。

2.工作原理

一般而言，UV紫外線火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄒ韵潞喎QUV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?zhèn)鞲衅麟娐分校琕T1與變壓器T構(gòu)成了一個振蕩回路，在T的二次側(cè)獲得較高的交流電路，經(jīng)過二極管VD1 整流，C1 濾波后獲得350V的直流高壓，再經(jīng)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(fā)生火災(zāi)，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(jīng)過R5加到放大器A上，A輸出的是直流電路，使得K導(dǎo)通，從而使電路報警。當(dāng)然，根據(jù)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(diào)節(jié)UV紫外線火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度。

UV傳感器的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)高阻抗。當(dāng)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(fā)出大量的光電子，在電極之間電壓的作用下，光電子與管內(nèi)的氣體發(fā)生碰撞、電離，氣體導(dǎo)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。