第1部分 常用电路

第1章 检测电路

随着现代信息技术的发展，信息获取、传输和处理已经构成一个成熟的技术链条，其中信息获取是信息技术发展的开端，信息传输是信息传递的通道，信息处理则是现代信息发展的重要环节。在工程实践和科学试验中，信息获取主要包括测量和检测。其中，检测是测量系统的第一环节，也是信息技术链的第一环节。它能否获得信息与获取信息的正确与否，直接关系到整个测量系统、信息技术链的精确度。检测电路的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此世界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。基于此，本章主要介绍一些常用的检测电路。

1.1 窗口比较器电路

窗口比较器电路用于检测电压等信号是否超过一定的范围，即是否在一个由固定上限、下限组成的范围内。

1.电路图

窗口比较器电路的电路和波形示意图如图1-1所示。

2.工作原理

图1-1（a）所示为一个典型的窗口比较器电路，该电路由两个集成运放组成，输入电压ui分别接到运放A1的同相输入端和A2的反相输入端，参考电压UH和UL分别加在A1 的反相输入端和A2的同相输入端。两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，成为窗口比较器的输出端。

当输入电压uI＞URH时，uI＞URL，因此集成运放A1 的输出uO1 =+UOM，A2 的输出uO2 =-UOM，使得二极管VD1导通，VD2截止，稳压管VDZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。

当输入电压uI＜URL时，uI＜URH，因此集成运放A1 的输出uO1 =-UOM，A2 的输出uO2=+UOM，使得二极管VD2导通，VD1 截止，稳压管VDZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。

当URL＜uI＜URH时，uO1 =uO2 =-UOM，因此VD1和VD2均截止，稳压管截止，uO=0。

URH和URL分别为比较器的两个阈值电压，设 URH和 URL均大于零，则传输特性如图1-1（b）所示。

1.2 光信号报警电路

光信号报警电路通过光敏电阻检测光信号，并控制声音发生电路，以监视和控制设备的运行情况。

1.电路图

光信号报警电路的接收和控制电路如图1-2所示。

图1-2（a）中的光敏电阻LDR03接收光信号，通过IC（LM3909）产生振荡并发出声音警报信息，通过这种组合，可以实时监控电气设备的运行。图1-2（b）所示的电路通过开关SB控制触发器工作，当开关SB置于接通位置时，输出端为低电平；反之，输出端为高电平。图1-2（c）所示的电路则会在开关SB闭合后产生振荡，并由发光二极管发出闪烁的警报信号。

1.3 采用单向晶闸管的气体、烟雾报警器电路

可以通过气体传感器TGS308来探测目标气体和烟雾，其控制部分是单向晶闸管半波可控整流电路。

1.电路图

采用单向晶闸管的气体、烟雾报警器电路如图1-3所示。

2.工作原理

在如图1-3所示的采用单向晶闸管的气体、烟雾报警器电路中，TGS308是基于氧化锡的传感器，它借助半导体表面对气体的吸附和去除特性来检测气体，主要表现在传感器电阻率的变化上，如果有目标检测气体，传感器的电阻率将变小，进而增加负载电压，通过增加的负载电压触发比较器并开启报警器。当目标检测气体或烟雾消除时，单向晶闸管MCR106-3在第一次过零时关断。上述电路由于没有考虑到电源接通时所产生的警报延时，以及半波运行时会减小警报器的声音强度，所以存在一定的缺陷。

1.4 采用双向晶闸管的气体、烟雾警报器电路

采用双向晶闸管的气体、烟雾警报器电路利用目标气体或烟雾（大多为可燃性气体等）的传感器进行检测，并通过全波交流电压驱动扬声器产生一定分贝的语音警报信息。

1.电路图

采用双向晶闸管的气体、烟雾警报器电路如图1-4所示。

2.工作原理

当出现目标气体时，TGS308型气体传感器的电阻率会变小，通过电位器RP1 滑动点取出电压，其值会从正常的有效值迅速增加数倍，该升高的电压经过二极管和电阻加到三极管VT1上，并使之导通，VT1导通使得双向晶闸管也导通，从而使得全波交流电压驱动产生高分贝的语音警报信息。当气体脱离传感器的检测范围后，传感器的电阻值会恢复到原状，驱动扬声器的信号终止，警报停止。

1.5 光电式烟雾检测器电路

除了采取压电、气敏等元件作为探测器材外，也可以利用发光二极管来检测和控制电路。

1.电路图

光电式烟雾探测器电路如图1-5所示。

2.工作原理

采用连续的烟雾报警信号可以简化触发火情报警器和电池欠压报警器所要求的三极管电路。当电离室的高阻抗因延误或气体而降低时，三极管VT1 ～VT3 就向VT4 提供100 μA的基极电流，使之导通。只要烟雾或气体的含量超过规定阈值，控制电位器RP5 所限定的电压值就会连续不断地驱动报警器发声。

1.6 MOS逻辑电路控制的过零检测器

过零检测器用于检测输入信号是否超过设定的零，如果超过，则电路的输出状态将相应地发生变化。

1.电路图

MOS逻辑电路控制的过零检测器如图1-6所示。

2.工作原理

图1-6所示的MOS逻辑电路控制的过零检测器用LM311作为比较器，并用R1 将其接成正反馈形式，其反相输入接地，从而实现了过零检测。同时，当变化的输入信号UE过零时，输出端的UA将会改变输出状态。

1.7 确定“是”或“不是”的双电平检测器

在实际应用中，通常会设定一定的范围来筛选需要的信息，并且一种可自行调节范围的筛选器具有实用价值。

1.电路图

确定“是”或“不是”的双电平检测器如图1-7所示。

2.工作原理

图1-7中给出的确定“是”或“不是”的双电平检测器是一个信号筛选电路，该电路中采用了两个并联的比较器，并且分别输入了上限电平信号和下限电平信号，即设定了两个阈值，即图中的“上限”及“下限”。如果输入信号UE超过上、下两个设定值，则比较器输出端的UA为低电平信号；如果输入信号在两个阈值之间，则比较器输出端的UA为高电平信号。

1.8 基于数模转换器的电平检测电路

电平检测电路是非常常用的电路之一。下面介绍一种基于数模转换器的电平检测电路。

1.电路图

基于数模转换器的电平检测电路如图1-8所示。

2.工作原理

图1-8给出的基于数模转换器的电平检测电路由10位数模转换器、运放OP-C1及比较器CMP-02组成。当输入信号UE大于运放输出基准电压UR时，比较器输出为“1”，反之为“0”。

1.9 发现电网电压故障的指示电路

电网故障会严重地影响用户的用电，因此电网故障的检测显得尤为重要。下面基于DAC给出一个典型的发现电网电压故障的指示电路。

1.电路图

发现电网电压故障的指示电路如图1-9所示。

2.工作原理

图1-9所示的发现电网电压故障的指示电路中用到了DAC-08。将DAC-08的输出端接直流输入电压，便构成了一个典型的数模转换器。由于其输出信号为交流电压信号，所以它可以用来检测电网电压的降落情况，并将指示信息送至数字显示装置。

1.10 光导发光元件的反射光检测位移电路

精确的位移测量和检测在一些物理实验中有着广泛的应用，下面给出一种光导发光元件的反射光检测位移电路。

1.电路图

光导发光元件的反射光检测位移电路如图1-10所示。

2.工作原理

图1-10所示的光导发光元件的反射光检测位移电路是利用光导发光元件CNY73检测位移的。它对于被检测元件有一定的要求，即被检测元件反射光线的面应该比较光滑并是平行板，而且检测的指示元件为两个发光二极管。该电路通过CNY73及CNY73的光敏三极管来感应发光二极管产生的光线，并将信号传导至控制芯片。

1.11 基于U237B的液体液面指示器

液面是否到了危险的高度是检测领域里比较关注的一个点，下面给出一种液面检测电路。

1.电路图

基于U237B的液体液面指示器如图1-11所示。

2.工作原理

U237B是一个内部包含5个比较器和驱动器的集成电路，通常被用在物体位置的检测中。在图1-11所示的基于U237B的液体液面指示器中，1kΩ可变电阻用做液体填充发送器，随着液体液面的上升，可变电阻的有效电阻逐渐增加，从而使得引脚7上的电位信号上升，并基于此引发发光二极管发光，从而提示用户液面已经达到了设定的上限。当然，该电路也可以将用发光二极管提示改成用语音提示等。

1.12 检测pH值的检测电路

pH检测仪器对于化学实验等有着重要的帮助作用，下面给出一种检测pH值的检测电路。

1.电路图

检测pH值的检测电路如图1-12所示。

2.工作原理

在图1-12所示的检测pH值的检测电路中，LH0052为精密线性放大器，用做检测放大器。由于外界噪声的存在，所以信号的输入端需要进一步的保护，而且输入信号线均应该有接地屏蔽线。

1.13 HN911L热释红外线探测电路

为了改善工作温度，我们采用了HN911L系列红外探测模块，该模块的工作温度可低至-30℃。

1.电路图

HN911L热释红外线探测电路如图1-13所示。

2.工作原理

在图1-13所示的HN911L热释红外线探测电路中，12V电源经过HC205稳压后施加至HN911L模块的3引脚，并提供5V电压。图中的RP为增益调节电阻；HN911L的引脚1、2都为输出端口。在静态时，若2引脚为高电平，则三极管VT1导通，输出低电平；若1引脚为低电平，则VT2截止，并且指示灯不亮。当有人进入探测区域后，HL911L接收到人体的红外线，于是电路迅速报警，指示灯HL发光。

1.14 冲击传感器应用电路

冲击传感器应用电路在机械领域有较多的应用，下面给出一个冲击传感器的具体应用电路。

1.电路图

冲击传感器的具体应用电路如图1-14所示。

2.工作原理

当图1-14所示的冲击传感器应用电路处于静态时，由于C1上的电压为0，所以运放A输出低电平。当冲击传感器Ag受到某种力量而作用时，电源E给C1迅速充电，C1两端的电压上升至+E，于是A输出端调至高电平。之后，C1 通过R1 放电，当C1 上的电压低于E的一半时，A的输出端又变为低电平。利用Ag使运算放大器A的输出电压UO产生变化，控制继电器或其他负载，从而可以起到冲击传感器的控制作用。

1.15 CK型热释红外线传感器

CK型热释红外线传感器由于具有独特优异的功能而被广泛地应用在国防和民用领域，作为遥控、检测、防盗、警戒等自动化设施，其电路图和原理如下。

1.电路图

CK型热释红外线传感器电路如图1-15所示。

2.工作原理

如图1-15所示的CK型热释红外传感器电路中的传感器主要由高热系数的钴钛酸铅系陶瓷及硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口组成，它能以非接触形式检测出物体发射出来的红外线能量变化，并将检测到的能量变化转化为电平信号输出。

在图1-15中，AT为双元件热释红外线传感器，其能够接收的波长为1～20μm，适用于防盗系统；其输出电阻为10kΩ，适用于温度的远距离探测，但它同样也可用于防盗和自动控制系统。

在这个电路中，当AT接收到人体信号后会输出一个微弱的低频信号，其频率为0.3～3Hz，该信号经过晶体管VT1及运放A1组成的两级放大器放大至75dB，再经过A2等组成的电压比较器，如果没有目标进入，则末级无输出；如果有目标进入探测范围，AT则有信号输出，经过放大后，电压高于早先设计的参考电压，则A2 输出高电平，VT2 导通，开关K导通，接通报警电路，进而实现热释红外线探测的目的。

另外，金属封装热释红外传感器内装有变阻抗用的场效应晶体管，其输出阻抗一般为10～47kΩ，其顶端或侧面有滤光镜片，用来选择接受不同波长的热释红外线。人体辐射的红外线中心波长为9～10μm，而这种探测元件的波长灵敏度在0.2～20μm的范围内几乎是恒定不变的。在硅片表面贴上截止波长为7～10μm的滤光片，使波长超过7～10μm的红外线通过，而小于7μm的红外线被吸收，便可以得到只对人体灵敏的热释红外线。在此波长范围内，光线不被空气吸收，因此该传感器可高效率地检测红外线。

1.16 UV紫外线火焰传感器

UV紫外线火焰传感器对木材、纸张、油类、塑料等可燃性气体等燃烧散发出的紫外线极为敏感，而且有很强的抗干扰能力，因而被广泛地应用于宾馆、饭店、办公楼等重要设施作为火灾报警器，其电路图和原理如下。

1.电路图

UV紫外线火焰传感器电路如图1-16所示。

2.工作原理

一般而言，UV紫外线火焰传感器（以下简称UV传感器）有两种型号，分别为R244顶式传感器和R286卧式传感器。

在图1-16所示的UV紫外线火焰传感器电路中，VT1与变压器T构成了一个振荡回路，在T的二次侧获得较高的交流电路，经过二极管VD1 整流，C1 滤波后获得350V的直流高压，再经过R3限流后加到UV传感器的阳极。与UV传感器阴极相连的R4 为传感器取样电阻。如果发生火灾，则火焰中的紫外线会透过UV传感器的玻璃照射到阴极，形成电子流，同时在电阻R4上形成阶跃电压，再经过R5加到放大器A上，A输出的是直流电路，使得K导通，从而使电路报警。当然，根据实际的要求，可以在电路中引入一些其他元件，如C5用来滤掉一些干扰脉冲信号，VD2 则用于钳位以免使得放大器A击穿。另外，改变R3 的值可以调节UV紫外线火焰传感器的灵敏度。

UV传感器的结构比较简单，从表面上来看它只是一个氖泡，氖泡中有两个电极，一个是阳极，另一个是阴极，管内充有特种气体。采用玻璃壳的目的是让紫外线顺利通过，阳极、阴极之间呈现高阻抗。当UV传感器接收到紫外线，大量的紫外线照射到其阴极时，阴极会发出大量的光电子，在电极之间电压的作用下，光电子与管内的气体发生碰撞、电离，气体导通，这样在回路中的电流表头便会有电流值显示，而R4 上会有电压降，提取电压，便可形成紫外线传感器信号。