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3.6 传感器电路.doc
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2019-07-20
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电子设计大赛----传感器电路.doc。
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3.6 传感器及其应用电路
3.6.1 传感器种类介绍
1. 传感器定义
传感器是能感受(或响应)规定的被测物理量,并按照一定规律转换成可用信号输出
的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元
件以及相应的电子电路所组成。
2. 传感器分类
(1)按传感器的机理及转换形式分类有结构型、物性型、数字(频率)型、量子型、
信息型和智能型。
(2)按敏感材料分类有半导体型(如元素硅或Ⅲ—V 族、Ⅱ—VI 族化合物)、功能
陶瓷型(如电子型半导体瓷、压电瓷)、功能高聚物型(如各种高分子有机半导体、压电
体)等。
(3)按测量对象参数分类有光传感器、湿度传感器、温度传感器、磁传感器、压力
(压强)感器、振动传感器、超声波传感器等。
(4)按应用领域分类有机器人传感器、医用(生物)感器、环保传感器、各种过程
和检测传感器等。
3.6.2 霍尔传感器与应用电路
1. 基本原理
霍尔传感器是利用半导体的磁电效应中的霍尔效应,将被测量转换成霍尔电势。
霍尔效应:将一载流体置于磁场中静止不动,若此载流体中的电流方向与磁场方向不
相同时,则在此载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电势,此电
势称为霍尔电势,此现象称为霍尔效应。
霍尔电势 U
H
=BbI/nebd
式中:B——外磁场的磁感应强度;
I——通过基片的电流;
n——基片材料中的载流子浓度;
e——电子电荷量,e=1.602×10
-9
C;
33
b——基片宽度;
d——基片厚度。
半导体材料的电阻率 ρ 和迁移率 μ 均高,砷化铟和锑化铟常被大量采用作为制作霍尔
元件的材料。霍尔元件通常被制作成长方形薄片。
2. 集成霍尔传感器
集成霍尔传感器利用硅集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起,实现了材料、
元件、电路三位一体,有线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。
基本应用电路,如图 3.6.1 所示,控制电流(激励电流)由电源 E 供给,其大小可由调
节电阻 R 来实现,霍尔片输出端接负载 R
f
,R
f
可以是一般电阻,也可以是放大器的输入电
阻或指示器的内阻。
在磁场和控制电流的作用下,负载上就有输出电压。在实际使用中,输入信号可为电
流 I 或磁感应强度 B,或者两者同时作为输入,则输出信号可正比于 I 或 B,或两者之积。
由于建立霍尔效应所需的时间很短(约 10
-12
~10
-14
S 之间),因此,控制电流用交流电
时,频率可以很高(几千兆赫)。
3. 典型应用——转速测量
霍尔传感器是基于 UH=(kH/d)IBsinα 式工作的,如图 3.6.2 所示的非电量通过弹
性元件产生位移便可利用霍尔传感器进行测量。
34
图 3.6.1 霍尔传感器基本应用
电路
(1)转速测量原理
应用开关型霍尔传感器检测转速的示意图如图 3.6.3 所示。在非磁材料的圆盘边缘上粘
贴一块磁钢,将圆盘固定在被测转轴上,开关型霍尔传感器固定在圆盘外缘附近,圆盘每
旋转一周,霍尔传感器便输出一个脉冲,用频率计测量这些脉冲,便可知道转速。
设频率计的频率为 f,粘贴的磁钢数为 Z,则转轴转速为
n=60f/Z(r/min)
若 Z=60,则 n=f,即转速为频率计的示值。但是,粘贴 60 块磁钢实在麻烦,而且若圆盘很
小便装不下这么多。因此,可视情况粘贴适当的块数。例如:可粘贴 6 块磁钢,则转速为
n=10f
这样读数与计算都比较方便。
(2)测量转速电路
测量转速的装置示意图如图 3.6.4 所示,将霍尔传感器按图 3.6.3 的方式装成后,再将
霍尔传感器 H 的 1 脚和 3 脚间接 2KΩ 的电阻,将其输出端接到数字式频率计的输入端,即
可根据相应的情况计算出被测机械的转速。
35
图 3.6.2 非电量通过霍尔传感器测量原理
图 3.6.3 霍尔传感器检测转速示意图
具体的转速测量电路如图 3.6.5 所示。该电路采用霍尔 IC UGN3040 检测磁性转子的转
数。UGN3040 是集电极开路元件,外接上拉电阻。当磁性转子转动时,霍尔 IC 的输出也
随之变化,B 点是经过三极管反相后的输出。后续电路可用计数器记录转速。
开关型霍尔传感器还
可选用 UGN-
3020,UGN-3030 型,其
电源电压为 4.5~25V,对
磁感应强度 B 的大小要
求不严格,当电源电压为
12V 时,其输出截止电压
的幅值 U0≤12V。亦可选
用国产 CS837,CS6837 型,其电源电压为 10V;CS839,CS6839 其电源电压为 18V。但应
注意的是,CS 型开关集成霍尔传感器为双端输出,也属于集电极开路输出级。
不管是单端输出还是双端输出,电源和集电极间必须接上负载电阻才能正常工作。
3.6.3 金属传感器与应用电路
1. 集成金属传感器的分类
集成金属传感器包括两种类型:电容式接近开关和电感式接近开关。
(1)电感式接近开关
电感式接近开关是建立在电磁场的理论基础上而工作的。由电磁场理论可知,在受到
时变电磁场作用的任何导体中,都会产生电涡流。成块的金属置于变化的磁场中,或者在
固定的磁场中运动时,金属导体内就要产生感应电流,这种电流的磁力线在金属内是闭合
的,所以称为涡流。
36
图 3.6.4 测量转速的装置
图 3.6.5 转数检测电路
导体影响使线圈的阻抗发生变化,这种变化称为反阻抗作用。该传感器利用受到交变
磁场作用的导体中产生的电涡流,调节线圈原有阻抗。因此电感式接近开关可以作为金属
探测器。几种常用的电感式接近开关的外形如图 3.6.6 所示。
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