传感器课程设计Word文档格式.docx
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完成期限2012.6.25—2012.6.29
指导教师
专业负责人
2012年6月25日
摘要
本课题利用InSb磁阻效应的基本原理，在此基础上对InSb磁阻式转速传感器的组成原理进行了分析。
并从传感器的信号采集、信号放大、脉冲产生和驱动电路分别进行了设计和优化。
选择了InSb磁阻三端输出型信号采集电路，阻容耦合型交流放大电路，正反馈迟滞型电压比较器和大电流推挽驱动电路及稳压电源电路.对传感器的各项性能进行了测试，结果表明：
锑化铟磁阻式传感器的检测距离在小于5mm的条件下，传感器输出脉冲是完全可靠的；
磁阻转速传感器检测齿数的工作频率范围可达2—5KHz。
还可根据不同的需要设计对应的工作频率的范围；
传感器输出脉冲的驱动能力较强，在高电平4.5—5V输出时可以直接提供200mA的拉电流.负载电阻≥25Ω；
传感器的输出特性表明，锑化铟磁阻式转速传感器测量的准确性可以与国外同类产品相媲美，是一种具有市场推广价值的产品；
传感器整机工作稳定可靠、电路简单、调试方便、成本较低,适合工业化大规模生产。
关键词：
锑化铟；
磁敏电阻；
信号处理；
转速传感器
目录
一、设计要求1
1、基本功能1
2、课题意义1
二、方案设计1
1、方案说明1
2、方案论证2
三、传感器工作原理3
四、电路的工作原理3
五、单元电路设计、参数计算和器件选择4
1、单元电路设计4
2、参数计算6
3、器件选择7
六、总结7
磁敏电阻传感器应用电路设计
一、设计要求
1、基本功能
本次要求设计一个锑化铟磁敏转速传感器，设计分几部分进行，按电路的功能不同，依次是信号采集部分电路、模拟信号处理（包括阻抗匹配和信号放大）电路、信号数字化（即整形电路）部分和输出驱动电路。
每一部分各不相同，但是只有这些部分共同起作用才能实现最终结果。
2、课题意义
传感器技术是现代信息技术的关键组成之一。
传感器是采集对象与信息系统
的接口，是系统感知、获取与检测信息的窗口。
磁传感器是传感器大家族中的一个重要分支。
通过磁场的无接触特性，对非电量的测量是磁传感器应用的一个重要方面，本文所研究的如肋磁阻式转速传感器即是针对于转动物体的转速进行高精度无接触测量的一类传感器，它可以把转动的齿轮的角速度信息转换成电脉冲信号，供二次仪表使用
二、方案设计
1、方案说明
对于磁轮转速传感器中信号的检出和测量，目前的产品供应商大都采用两种方式：
无放大的信号处理电路和有适当放大的信号处理电路。
对于第一种方案，其原理框图如图1示。
它一般由信号检出、数字化处理、信号输出部分等组成。
信号检出部分是敏感元件将转速信号从现场环境中提取出来为模拟信号。
数字化处理部分是利用电压比较器电路将提取出来的模拟信号进行处理，输出脉冲，即数字化，以利于后继电路的处理。
信号输出部分用于得到适当的数字量输出，以提高传感器的带负荷能力。
对于第二种方案，其原理框图如图2示。
除了保留第一方案的信号检出、数字化处理、信号输出部分外，增加了模拟信号处理部分，用于将信号检出部分的模拟信号进行适当的放大，使接下部分的数字化处理部分更容易进行。
图1无放大的信号处理示意图
驱动电路
数字化电路
模拟信号放大
信号采集电路
图2有适当放大的信号处理电路
2、方案论证
对于第一种方案，其电路简单。
可实现产品的体积更小，但是由于信号从磁阻检出后，直接进行数字化，这样对传感器的敏感元件的灵敏度要求高，灵敏决定输出信号的幅度，如果信号幅度没有足够大是不能进行可靠的数字化的；
另一方面，采用这种方案，必须要求传感器在使用时与转动的齿轮之间的最大检测距离相对小，因此说这种方案通常在实际应用中并不采用。
而第二种方案增加模拟信号处理部分是考虑到两点：
第一是要解决与前面的信号产生的敏感元件实现阻抗匹配，用电压跟随器能够大大提高信号处理电路的输入电阻，改善了其输入特性；
第二是增加放大滤波级电路，对磁阻输出信号进行放大处理，从而解决了在实际生产中的部分敏感元件的灵敏度偏低输出信号小的问题，提高产品出厂的成品率；
而滤波功能可以提高输出信号的信噪比，抑制了噪声的干扰，提高了产品的可靠性。
况且目前市场上的通用四运放的IC与两运放的IC价格不相上下，因此不会因为把两运放改为四运放而增加产品的成本。
除此之外，实际电路还要考虑电源供电的问题，传感器不同的功能模块可能对电压要求不同，因此电源部分也应该称为一个重点考虑的部分。
因此采用这种方案就顺理成章了。
综上所述，电路方案图由信号采集、阻抗匹配、信号滤波放大、数字化、输出驱动和稳压电源等组成。
我们采用的电路方案如图3示
图3电路方案图
三、传感器工作原理
若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。
称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。
磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件,也称MR元件。
磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。
磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。
InSb磁敏齿轮转速传感器，是一种无接触式测量转动物体转速的装置，是基于InSb磁敏电阻元件开发的一种新型的半导体传感器。
它利用InSb磁敏电阻的磁敏感特性，当铁磁性齿轮在磁敏电阻附近旋转改变空间的磁力线分布，由于磁阻效应通过电压反映电阻的变化进行无接触的测量，这是一种开关量的测量，输出的是周期性的脉冲。
半导体锑化锢转速传感器的工作原理的理论基础是霍尔效应和磁阻效应，基于载流子在磁场中受洛伦磁力的作用而发生偏转的机理。
四、电路的工作原理
整个电路由信号采集、阻抗匹配、信号滤波放大、数字化、输出驱动和稳压电源组成。
信号采集电路采用磁阻三端型具有两个优点：
采集输出的信号幅度是磁阻二端型的信号两倍左右；
信号输出的温度稳定性要比两端型好。
采用迟滞电压比较器克服了输出脉冲抖动的现象，提高了传感器的抗干扰性和稳定性。
推挽输出使传感器输出电流达200mA，并且对应输出脉冲高电平电压仍然稳定在空载时电压的90％之内。
）设计出用于锑化铟磁头的硅稳压电源电压，改善了磁头工作电源，提高了磁头输出信号的稳定性。
通过增加一个由晶体管等组成有源泄放回路，提高驱动级状态切换的速度。
优化选择了温漂较小、共模抑制比较高、价格较便宜的集成运放LM324。
三个方面全面优化电路，使齿轮转速传感器更加准确可靠。
图4磁敏电阻测量转速电路
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
使用敏感元件实现非电学量转换成电学量输出的过程叫信号采集。
可实现电路通常有两种：
磁阻两端型和磁阻三端（差分）型。
两种电路都可以实现齿轮旋转是信号采集。
其中两端型信号采集方案是采用一个锑化铟（InSb）磁阻MR和一个固定电阻RP串连，VB为恒稳电压，当MR变化是，a点的电位变化，信号输出，经由耦合电路输出到信号处理电路。
三端（差分）型信号采集方法使用两个完全相同的磁阻芯片MRI和MR2串连，做在同一个基片上。
从它们中间点b抽出信号输出线。
模拟信号处理电路
图7模拟信号处理电路
电压跟随器位于信号采集和放大部分之间，如图，电阻R，构成负反馈，实际是电压串连负反馈电路的一种特殊情况。
电阻＆和R1只是起限流作用，防止因意外造成过大的电流，电阻R，几乎没有电压降。
运放工作在线性区，根据“虚短”和“虚断”概念可以得到输出电压。
由于选用集成运放性能优良，由它构成的电压跟随器不仅精度高，跟随电压误差很小，输入信号电压几乎无损失地输出。
所以它能真实地将输入信号传给下级电路或负载，而向信号源索取的电流极小。
而且其输入电阻大，输出电阻小，可以达到阻抗匹配的作用。
图电压跟随器
2、参数计算
对于锑化铟磁敏转速传感器，设其输出信号的频率（f，单位：
Hz）、齿轮的转速（n，单位：
rpm）和齿轮的齿数Z之间是由确定的规律可循的。
当齿轮的某一个齿部通过MRl（或MR2）时，磁敏电阻器都会有一个具有一定幅度的峰输出。
这样，当连续的齿部通过MRl和MR2时，就输出了一个连续的具有周期性的类正（余）弦信号，该信号直接体现了单位时间内通过MRl（或MR2）的齿轮齿部的多少，也即直接体现了齿轮转速的快慢。
输出信号的频率（f）、齿轮的转速（n）和齿轮的齿数Z之间的关系为：
（1）
或
（2）
3、器件选择
磁敏电阻是一种磁电转换元件，它是根据霍尔效应和磁阻效应的原理制成的，这种原件随着磁场的增加，电阻值增加的很明显，电流偏转的霍尔角也很大，主要是由材料迁移率决定的，因此必须选用电子迁移率高的锑化铟之类的材料，本设计中选择锑化铟磁敏电阻。
锑化铟磁敏转速传感器由敏感元件和处理电路共同组成，其中敏感元件采用国家专利产品“半导体磁头”组成半，可实现对转动齿轮的信号采集。
需要阻值为3.3K的电阻器件R1两个，阻值为5K的电阻器件R2一个，阻值为1K的电阻R3一个，阻值为220K的电阻一个，以及大小为0.1uf的电容一个。
系统需要的元器件清单
表1元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
R1
电阻
3.3K
2
R2
5K
1
R3
1K
R4
220K
C
电容
0.1uf
六、总结
本文是基于对锑化铟磁敏电阻器的应用展开的，分析了锑化铟磁敏电阻基本原理以及锑化铟磁敏转速传感器电路的工作原理。
深入讨论了锑化铟磁阻试磁轮转速传感器的原理和功能。
通过对组成电路的各电路的分析比较，选择了阻容耦合型信号处理电路，实现了传感器对低转速的测量和较大电流稳定输出，实现了能大规模生产的传感器电路。
本文从理论上描述了传感器的工作机理：
当铁磁性齿轮在锑化铟磁敏电阻器的上表面划过时，由于磁阻效应，造成了MRl的电阻值增大而MR2的电阻值减小或者是相反的情况。
这就使得锑化铟磁敏电阻器的中点的静态电压发生微小的周期性变化，而这种变化是由于齿轮转动引起的。
也就是说，锑化铟磁敏电阻器检测到了齿轮的转动。
本文的主要结果如下：
1、设计了实际生产中能用的适合于齿轮转速传感器信号处理电路。
该电路采用磁敏电阻三端输出型信号采集电路，最大检测距离可以达到5mm。
该电路采用阻容耦合放大的方式设计，并且恰当选择处理电路的频率范围，使得本传感器能够实现对低转速的测量，测量齿数频率2～5KHz之间；
且能将噪声的影响降低到最低限度。
2、重点突破了以往产品在低转速测量时，输出脉冲的高电平出现的来回跳动的碎波抖动的问题。
通过采用双阈值迟滞比较器和稳定磁敏电阻的办法，使优化后的齿轮转速传感器在各个频率段输出脉冲工整，克服了低频时碎波的问题。
3、解决了以往齿轮传感器输出负载能力的问题，针对以往传感器的输出脉冲高电平幅度随负载电流增加时迅速下降缺点。
优化了传感器驱动电路，采用晶体开关管推挽输出电路，使传感器负载电流可达200多mA，并且输出电压稳定在4.8V左右。
4、通过反复的实验可以证明：
该齿轮转速传感器输出的脉冲具有准确性高、一致性好、稳定性高的特点。
这在生产中实施大规模产出是重要的。
参考文献
[1]刘洪，黄钊洪.InSb—In共晶体薄膜磁阻型齿轮转速传感器，传感器技术[J].2003.6．
[2]黄继昌等.传感器工作原理及应用实例[M].人民邮电出版社，2000.
[3]石利英，毕常青.传感技术[M].同济大学出版社，1993.
[4]田敬民.锑化铟磁敏电阻的研究[M].1994.4.
[5]戴丽英,徐盛东.新型半导体磁敏传感器固体电子学研究与进展[J].1998.2.
[6]朱言彬.传感器技术的最新进展和市场机遇传感器技术[M].2000.3.
[7]张维新,朱秀文,毛赣如.导体传感器[M].天津大学出版社，1990.12.
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