3.6 传感器电路3.6 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、振动传咸器、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 UH=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=1.602×10-9C; 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Rf,Rf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10-12~10-14S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。 (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。 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

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