毕业论文传感器的工作原理及集成

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1、 目 录一、引言1二、传感器的定义、组成及分类1（一）传感器的定义1（二）传感器的组成1（三）传感器的分类1三、传感器的基本特性2四、霍尔元件的工作原理2五、霍尔线性集成电路2六、霍尔开关集成电路2七、霍尔集成电路的磁路设计原理3八、霍尔集成电路与外电路的接口4九、霍尔传感器的应用5（一）在交流变频调速电机中的应用5（二）在接地故障检测中的应用5（三）在电网无功功率自动补偿中的应用5十、结论6参考文献7传感器的工作原理及集成机电一体化专业2班 姓名 王红宾 学号 19摘要：传感器技术是现代科学技术的重要组成部分，在当今时代，随着自动检测技术、控制技术的发展，传感器技术已经成为许多专业工程技术人

2、员必须掌握的技术之一。传感器技术是测量和控制技术的基础，用传感器将非电量转换成电量，从而对原始信息进行精确可靠的捕获和转换。传感器用于非电量的检测，检测的目的不仅是为了获得信息或数据，在一定程度上讲，更是为了生产和研究的需要。因此检测系统的终端设备应该包括各种指示、显示装置和记录仪表，以及各种控制用的伺服机构或元件。关键词：转换，原理，集成电路7一、引言传感器是一种检测装置，是自动化系统和机器人技术中的关键部件，它是实现自动检测的首要环节，为自动控制提供控制依据。传感器在机械电子、测量、控制、计量等领域中受到广泛应用。如人们为了从外界获取信息，需要依靠人的5种感觉器官感受外界信息。在自动控制系

3、统中，获取外界信息需要依靠传感器来完成。人们把电子计算机比作人的大脑，把传感器比作人的5中感觉器官，执行器比作人的肢体。二、传感器的定义、组成及分类（一）传感器的定义传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式。由于电信号是最易于处理和便于传输的，所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。（二）传感器的组成传感器由敏感元件、传感元件及转换电路三部分组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出量转换成电参

4、量（如电阻、电容等）的元件。有些传感器的敏感元件和转换元件合二为一，它感受被测量并直接输出电参量，如热电偶等；有些传感器，转换元件不止一个，信号要经过若干次转换才能输出合适的电参量。转换电路将转换元件输出的电参量转换为电压、电流或电频率的电路。如果转换元件的输出已经是电压、电流或电频率，则不需要转换电路。（三）传感器的分类目前传感器的主要分类方法有：根据传感器工作原理分类、根据传感器能量转换情况分类、根据传感器转换原理分类和按照传感器的使用分类。按被测量分类。可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量和流速等传感器。按测量原理分类。可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、

5、激光、红外和光导纤维等传感器。三、传感器的基本特性传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，它有静态、动态之分。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时，即被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入正弦或阶跃信号时传感器的响应来描述的，即传递函数和频率响应。传感器静态特性的指标主要有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力和阈值、稳定性、漂移等。四、霍尔元件的工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的

6、霍尔效应太弱而没有得到应用。1948年以后，随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，是目前应用最为广泛的一种磁电式传感器。霍尔传感器广泛用于检测磁场、压力、加速度、转速、流量，也可以制作高斯机、电流表和接近开关等。金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势E，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔元件。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。五、霍尔线性集成电路它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图1

7、和图2。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。图1 霍尔线性电路的磁电转换特性曲线 图2功能框图六、霍尔开关集成电路霍尔尔开关集成电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOPBRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。一般规定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向

8、为正，北极接近标志面时为负。锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。典型的霍尔开关电路的性能参数见表1。表1霍尔开关电路的特性参数型号VCCVBopmTBRPmTBHmTIccmAImAVVIffA备注A31444.52473553329250.410开关型A31404.52472051829250.410开关型A31754.524220-20-228250.410锁定型七、霍尔集成电路的磁路设计原理汽车霍尔传感器除了它的核心部分霍尔集成电路以外，相对应

9、的磁路设计是另一个相当重要的部分。用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个的钕铁硼磁钢，就可在它的磁极表面上得到约200300mT的磁感应强度。在气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔集成电路的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔芯片表面算起。在封装好的霍尔集成电路中，霍尔芯片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔集成电路需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔集成电路固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。工作磁体和霍尔集成电路间的

10、运动方式有：(a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断。如图3所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。图3霍尔器件和工作磁体间的运动方式在遮断方式中，工作磁体和霍尔集成电路以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度较高，遮断用的翼片根据不同的功能要求可以设计成不同的形状, 图4就是一些翼片的外形。图4 图5在霍尔集成电路背面放置磁体也可将工作磁体固定在霍尔集成电路背面（外壳上没打标志的一面），如图5所示让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通

11、过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。八、霍尔集成电路与外电路的接口霍尔开关集成电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和一般的NPN开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几A，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共地导通。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在I为20mA（霍尔电路输出管允许吸入的

12、最大电流），发光二极管的正向压VLED=1.4V，当电源电压VCC=12V时，所需的负载电阻器的阻值（4），和这个阻值最接近的标准电阻为560，因此，可取560的电阻器作为负载电阻器。九、霍尔传感器的应用霍尔电动势是关于I、B两个变量的函数，即U=KIB,只要通过测量电路测出U，那么B和I两个参数中，一个参数已知就可求出另一个参数，因而任何可换成B和I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。此外，可转换成B和I乘积的未知量亦可进行测量。霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性好、频带宽，因而得到广泛的应用。霍尔传感器主要用来制作霍尔电流传感器、磁场测量、测量位移、无触点开关以及霍尔接近开关

13、等等。（一）在交流变频调速电机中的应用 用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1s，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。（二）在接地故障检测中的应用 在配电和各种用电设备中，可靠的接地是保证配电和用电设备安全的重要措施。采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测，可保证用电安全。（三）在电网无功功率自动补偿中的应用 电力系统无功功率的自动补偿，是指补偿容量随负荷

14、和电压波动而变化，及时准确地投入和切除电容器，避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济，使电网的功率因数始终保持最佳。无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行，在保证“及时、准确”上具有显著的优点。因为它们的响应速度快，且无相位差。十结论简述了霍尔传感器的应用中磁信息的采集和磁电转换的简单原理，对输出信号的处理和应用，没有作具体讨论。好在霍尔器件的输出，可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质（例如电阻性、电感性等）的负载，使用者可根据需要进行处理。总之，因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，使其应用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，随着人们对它的熟悉和了解，它们将象其他传感器等基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越重要的作用。参考文献（1）姜培刚，盖玉先.机电一体化系统设计.北京：机械工业出版社，2003.9（2）蔡廷文，张冰蔚.机电系统故障分析与维护.北京：化学工业出版社，2005.11（3）吴晓苏，范超毅.机电一体化技术与系统.北京：机械工业出版社，2009.7（4）胡孟谦，张晓娜.传感器与检测技术项目化教程.青岛：中国海洋大学出版社，2011.1（5）张红润，张亚凡.传感器技术与应用教程. 北京：清华大学出版社，2005（6）王煜东，传感器及应用.北京：机械工业出版社，2003