南工院电气学院电子传感器论文

毕业设计(论文)报告共 23 页 第 1 页装订线1 概述 随着现代科学技术的不断发展，世界正面临一场大规模的新的工业革命(又称信息革命)。人们正在对原有的工业结构和组织结构进行改革，把当代的工业技术划分为物质技术、能源技术和信息技术，相应地把整个工业改组为物质工业、能源工业和信息工业。在工农业生产、科学研究、国防建设和日常生活中，人们需要测 量外部世界的一些非电量，例如，位移、速度、加速度、力、力矩、温度、压力、流量和成分等，以便及时、准确地获得信息，这就必须合理选择和善于应用各种传感器和检测仪表。信息工业的关键在于信息的采集和信息的处理，信息采集主要依靠各种类型的传感器进行。1.1 传感器的基础概述1.1.1 传感器的定义及其重要性国家标准 GB765-87 对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。也就是说传感器包括以下几个方面：（1）传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息。（2）传感器能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。（3）传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。传感器的重要性集中体现在传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，那么一切测量和控制都是不可能实现的。传感器好比人的五官和四肢，直接感观外部世界的一切信息，这些信息通过神经系统传递给大脑进行加工处理，控制器就好比是大脑。显然，没有传感器也就没有现代化的自动检测和控制系统，没有传感器更将没有现代科学技术的迅速发展。一台普通的家用电器也常装备有控温、控时等传感器，一架波音飞机上的传感器达千只以上，而“阿波罗 10”运载火箭部分的传感器竟达 2077 个。各种高技术的智能武器、机器及家用电器的水平的高低，其分界与所应用的传感器的数量和水平密切相关。传感器已是智能化高技术的前驱和标志，在现代科学技术中发挥着越来越大的作用。毕业设计(论文)报告共 23 页 第 2 页装订线1.1.2 传感器的组成和分类 （1）传感器的组成 传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源，基本传感器的组成如图 1.1 所示。图1.1 基本传感器的组成方块图A. 敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。B. 转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。 C. 转换电路转换电路又称测量电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。（2）传感器的分类传感器一般都是利用物理、化学和生物等学科的某些效应、规律或原理，按照一定的制造工艺设计制造出来的。由某一原理设计制造的传感器可以同时测量多种非电参数，而有时一种非电量又可用几种不同的传感器测量，因此传感器的分类方法很多，一般可按如下几种方法分类。标准信号的输出 基本转换电路转换元件敏感元件被测量信号毕业设计(论文)报告共 23 页 第 3 页装订线A. 按被测物理量分类这种方法是根据被测物理量的性质进行分类的，如被测物理量为温度、压力、流量、位移、速度等，则相应的传感器分别称为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。B. 按工作原理分类传感器的工作原理主要是基于物理、化学和生物等学科的原理、规律和效应。据此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、光电式等类别。这种分类法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究分析。C. 能量的关系分类根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。D. 按输出信号的性质分类按传感器输出信号的性质分类，可分为输出为开关量“1”和“0”或“开”和“关”的开关型传感器;输出为模拟信号的模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。其中，数字传感器输出为开关量便于与计算机联用，且抗干扰性较强。1.1.3 传感器的基本特性传感器的输出输入关系特性是传感器的基本特性。输入输出特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系。这是因为传感器不同的内部结构参数决定了它不同的外部特性。传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳态（静态或准静态）的，即不随时间变化或变化极其缓慢的，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化的，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。一个高精度的传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，才能完成信号（或能量）不失真的转换。（1）静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。（2）传感器动态特性传感器的动态特性就是指其输出对于随时间变化的输入量的响应特性。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响毕业设计(论文)报告共 23 页 第 4 页装订线应和频率响应来表示。实际上大量的被测量信号是动态信号，这时传感器的输出能否良好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态特性非常好，但不能很好地追随输入量的快速变化而导致严重误差。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输入与输出间的差异就是所谓的动态误差。与传感器相关的各项特性如图 1.2 所示1.2 传感器及其相关特性1.2 霍尔传感器1.2.1 霍尔效应霍尔传感器作为传感器中一种磁感应传感器，除了具有传感器的一般特性外，还有一些自身的特殊性能。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于 1879 年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔元件是一种磁电转换器件,根据霍尔效应原理， 能把磁场信号转换为电信号, 当霍尔器件 H 处于磁感应强度为 B 的磁场中, 在 H (由半导体材料制成的薄片) 纵向通过控制电流 I，如图 1.3 所示, 将引起薄片两边载流子数量的变化, 因而产生一个电势差, 即霍尔电压 Uh。输出电压 Uh 与输入电流 I 将满足以下的表达式（2-1）dK/毕业设计(论文)报告共 23 页 第 5 页装订线式中,K 为所用材料霍尔常数;d 为薄片厚度;I 为控制电流; B 为磁感应强度。这样就成为一个霍尔发生器。 图1.3 霍尔元件工作原理 1.2.2 霍尔电流传感器 分流器和电流互感器是检测电流的常用器件。分流器用于直流检测，使用分流器存在的最大问题是输入与输出之间没有电隔离，此外，用分流器检测高频和大电流时，不可避免地带有电感性，既影响被测电流的波形，也不能真实传递非正弦波形。电流互感器只能用于交流检测，在规定的工作频率下有较高的精确度，但是它能适应的频率范围很窄,尤其不能传递直流，由于它是铁芯线圈之间的互感为基础的，体积大，作时存在激磁电流，因此存在和分流器相同的缺点。随着电力电子技术的发展，用分流器和电流互感器作为检测电流的器件已不能满足中、高频、高 d i/ d t、宽频谱 (包含直流分量 )电流波形的传递，霍尔电流传感器是目前弥补这一空缺的主要电流检测器件。霍尔电流传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点, 因而被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、 逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。 在电力电子产品中,对大电流进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根本保证。电流传感器可以测量各种类型的电流,从直流电到几十千赫兹的交流电。霍尔电流传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。 毕业设计(论文)报告共 23 页 第 6 页装订线2 方案设计与论证2.1 产品的性能指标和功能要求本课题需要设计霍尔电流传感器，要求该传感器设备具有以下性能：性能可靠、测量准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具制作简捷、使用灵活、抗干扰性好等优点,可在工程实际中得到应用。霍尔电流传感器的技术参数如表 2.1 所示。霍尔电流传感器的功能：1.可以检测交流,也可以检测直流，以电压形式输出。2.能实现主电路回路和电子控制电路的隔离。表 2.1 霍尔电流传感器的技术参数毕业设计(论文)报告共 23 页 第 7 页装订线2.2 总体方案设计2.2.1 方案一霍尔电流传感器有两种工作模式:第一种为霍尔效应开环电流传感器如图 2.2所示,当电流通过一根长直导线时, 导线周围即有磁场产生, 磁场的大小与流过导线的电流成正比, 这一磁场可以通过软磁材料聚集, 然后用霍尔器件来检测, 由于磁场与霍尔器件输出有很好的线性关系, 因此利用霍尔器件测得的信号大小可以直接反映出电流的大小, 控制电流 Ic 是由恒流源供给。在滞环线性区内:IpKB1霍尔电压表达式如下: （2-1）IpKIcdcdUh 21/其中 为常数,Ip 为被测电流。12K图 2.2 霍尔效应开环电流传感器工作原理图测量信号 Uh 再经运算放大器放大后, 输出一个电压信号。此霍尔电流传感器可用于测量直流、交流和其它复杂波形的电流, 并且功耗低、尺寸小、重量轻, 相对来说, 价格较低, 抗干扰能力强,很适应于一般工业应用的智能仪表。毕业设计(论文)报告共 23 页 第 8 页装订线2.2.2 方案二 霍尔效应闭环电流传感器。前一种开环电流传感器给出一个正比于放大的霍尔电压 Uh 的输出电压 Uout。而闭环电流传感器 (也称为补偿或零磁链传感器)是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式的。当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信号，直接反应出导线中的电流大小：里有一个集成的补偿电路, 用了它以后, 可使依据霍尔效应的电流传感器的性能大大提高。总之，闭环电流传感器的工作原理是将主电流回路所产生的磁场, 通过一个次级线圈的电流 (补偿电流 Is) 所产生的磁场进行补偿, 使霍尔器件始终处于 0 磁通的条件下工作。如图 2.3 所示, 它由主电流、聚磁环、霍尔传感器、次级线圈、放大电路等部分组成。其工作原理为: 当主回路有一大电流 Ip 流过时, 在导线周围产生强磁场, 这一磁场被聚磁器聚集, 并感应霍尔器件, 使它有一个信号输出。这一信号经放大器放大, 输入至功率放大器 , 这时相应功率管导通 , 从电源获得一个补偿电流 Is , 由于这一电流 Is 要通过许多匝导线, 多匝导线所产生的磁场与主电流 Ip 产生的磁场相反, 因而补偿了原来的磁场, 使霍尔器件的输出逐渐减小, 最后当 Is 与匝数相乘所产生的磁场与 Ip 产生的磁场相等时, Is 不再增加, 霍尔器件就达到了磁平衡。上述过程在极短时间内完成, 平衡所建立时间小于 1us, 并且这是一个动态平衡过程, 一旦主电流 Ip 的任何变化就会破坏这一平衡的磁场, 磁场一旦失去平衡, 霍尔器件便会有信号输出, 经放大器放大后, 立即有相应的电流流过线圈, 进行补偿。因此从客观上看, 次级补偿电流的安匝数在任何时刻皆与主电流的安匝数一模一样, 但是由于匝数不一样, 只要测得补偿线圈的小电流, 就知道主电流大小。即 （2-3）NsIp式中 Np 为主电流匝数;Ip 为主电流; Ns 为次级线圈匝数; Is 为次级电流。闭环电流传感器能测量直流、交流和脉冲等其它复杂波形电流, 具有与被测回路绝缘的特点, 有很高的测量精度与很好的线性度, 响应快, 非常适应高精度智能仪表。毕业设计(论文)报告共 23 页 第 9 页装订线图 2.3 霍尔效应闭环电流传感器工作原理图2.3 方案论证综上所述，对比方案一与方案二，两种工作形式的电流传感器都有各自有其优点，开环霍尔电流传感器是一种新型电流传感器，它利用霍尔器件的一种新工作模式“单端霍尔电流”模式，其热点是响应速度快、线性精度高具有精度高，并且供电方式简单，只有正电源、接地和输出端三个外接端子。与闭环电流传感器不同，开环电流传感器直接检测原边电流的磁场信号，副边没有磁平衡绕组，也没有磁补偿电流，因而体积小、重量轻、功耗低、过载能力强，并且在任何情况下副边也不会出现感应高压尖峰。开环电流传感器具有直流宽频带响应，可用于直流、交流、高频及脉冲大电流的隔离测量、反馈控制与过电流保护等。虽然霍尔效应闭环式工作模式的精度