第13章集成传感器

1、13.1 13.1 概述概述r 半导体技术和电子技术的进步推动了传感器技术的迅猛发展。半导体技术和电子技术的进步推动了传感器技术的迅猛发展。 目前，传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、目前，传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、 网络化、系统化的方向发展。网络化、系统化的方向发展。r 据预测，目前据预测，目前智能传感器的市场智能传感器的市场销售量将以每年销售量将以每年20%的速度的速度 增长，应用领域也越来越广泛，仅在汽车上使用的智能传感增长，应用领域也越来越广泛，仅在汽车上使用的智能传感 器就达几十种，如：器就达几十种，如： 加速度传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器

2、；加速度传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器； 还有高智能化的用于车道跟踪、车辆识别、车距探测、卫星还有高智能化的用于车道跟踪、车辆识别、车距探测、卫星 定位等新型传感器。定位等新型传感器。 单片集成传感器作为单片集成传感器作为21世纪最具有影响力和发展前景的一项世纪最具有影响力和发展前景的一项 高科技产品，必然引起国内外相关领域的高度关注。高科技产品，必然引起国内外相关领域的高度关注。13.1.1 13.1.1 智能传感器基本特点智能传感器基本特点r 智能传感器的最大特点是将传感器检测信息的功能与微处理智能传感器的最大特点是将传感器检测信息的功能与微处理 器的信息处理功能有机地融合在一

3、起，一定意义上看具有类器的信息处理功能有机地融合在一起，一定意义上看具有类 似人工智能的作用似人工智能的作用。智能传感器的主要功能与特点如下：。智能传感器的主要功能与特点如下： 1.1.智能传感器的功能加智能传感器的功能加 智能传感器不仅可自动检测各种被测量，还具有自动调零、智能传感器不仅可自动检测各种被测量，还具有自动调零、自动调节平衡、自动校准、自标定功能。自动调节平衡、自动校准、自标定功能。2.2.智能传感器的特点智能传感器的特点 与传统传感器相比，智能传感器的主要特点是：高精度、宽与传统传感器相比，智能传感器的主要特点是：高精度、宽量程、多功能化、高可靠性、量程、多功能化、高可靠性、高

4、性价比、自适应能力、微型高性价比、自适应能力、微型化、微功耗、高信噪比等。化、微功耗、高信噪比等。 13.1.2 13.1.2 智能传感器发展智能传感器发展r 智能传感器正朝着单片集成化、网络化、系统化、多功能、智能传感器正朝着单片集成化、网络化、系统化、多功能、 高精度、高可靠性的方向发展。其发展趋势主要表现在以下高精度、高可靠性的方向发展。其发展趋势主要表现在以下 几个方面：几个方面：1.1.新的半导体工艺新的半导体工艺 计算机技术和微电子技术的进步推动了传感器技术发展，这种计算机技术和微电子技术的进步推动了传感器技术发展，这种技术和生产力的转化使传感器的研究和制作有新的突破功能。技术和生

5、产力的转化使传感器的研究和制作有新的突破功能。指纹芯片指纹芯片，内嵌指纹识别技术的芯片，能够片上实现指纹的图像，内嵌指纹识别技术的芯片，能够片上实现指纹的图像采集、特征提取、特征比对的芯片采集、特征提取、特征比对的芯片 2.2.单片传感器系统单片传感器系统 单片系统的英文缩写为单片系统的英文缩写为SOCSOC（System On ChipSystem On Chip），可译为），可译为“系系 统级芯片统级芯片”或或“系统芯片系统芯片”，其含义是将一个可灵活应用的系，其含义是将一个可灵活应用的系 统集成在一个芯片上。统集成在一个芯片上。13.1.2 13.1.2 智能传感器发展智能传感器发展3.

6、3.智能微尘传感器智能微尘传感器 理想的智能微尘（理想的智能微尘（Smart Micro DustSmart Micro Dust）是一种具有电脑功能的）是一种具有电脑功能的 超微型传感器。用肉眼看，它和一粒沙子差不多大，但是内部超微型传感器。用肉眼看，它和一粒沙子差不多大，但是内部 包含了从信息收集、信息处理到信息传输所必需的全部部件。包含了从信息收集、信息处理到信息传输所必需的全部部件。 目前智能微尘直径约为目前智能微尘直径约为5mm5mm。 4.总线技术的标准化与规范化总线技术的标准化与规范化 传感器的总线技术正逐步实现标准化、规传感器的总线技术正逐步实现标准化、规范化。目前智能型传范化

7、。目前智能型传 感器的总线主要有：感器的总线主要有：1-WIRE1-WIRE总线总线 单总线；单总线；USB USB 通用串行总线；通用串行总线；SPI SPI 三线串行总线；三线串行总线；I I2 2 C C 二线串行总线；二线串行总线；1 2 3GND I/O VDD13.1.2 13.1.2 智能传感器发展智能传感器发展5.5.虚拟传感器和网络传感器虚拟传感器和网络传感器 所谓虚拟传感器有虚拟仪器的概念，就是基于软件系统开发和所谓虚拟传感器有虚拟仪器的概念，就是基于软件系统开发和研制智能传感器。研制智能传感器。 霍尼威尔的霍尼威尔的精密智能压力传感器精密智能压力传感器PPTPPT系列系列

8、传感器是一个既非常精传感器是一个既非常精确又标准的模拟电压输出装置确又标准的模拟电压输出装置, ,也是一个完善的、具有地址的也是一个完善的、具有地址的数字传感器数字传感器, ,并可在并可在RS232RS232总线上很多传感器一起联网使用。总线上很多传感器一起联网使用。PPTPPT传感器可以帮助用户向数字丈量系统过渡传感器可以帮助用户向数字丈量系统过渡, ,而不用增加新的而不用增加新的昂贵的硬件设备。昂贵的硬件设备。6.6.可靠性与安全性设计可靠性与安全性设计 智能传感器一般具有自检和自校准功能。利用传感器的自检模智能传感器一般具有自检和自校准功能。利用传感器的自检模式，可以模拟各种条件下的不同

9、状态，定期检查系统的式，可以模拟各种条件下的不同状态，定期检查系统的性能。性能。13.2 13.2 单片智能温度传感器单片智能温度传感器 目前，温度传感器正向着单片集成化、数字化、智能化、目前，温度传感器正向着单片集成化、数字化、智能化、 网络化和系统化的方向发展。网络化和系统化的方向发展。 实际应用中单片集成式温度传感器分为：数字集成温度传实际应用中单片集成式温度传感器分为：数字集成温度传 感器；模拟式集成温度传感器；智能温度传感器；通用感器；模拟式集成温度传感器；智能温度传感器；通用 智能温度控制器。智能温度控制器。 工作原理、输出信号和使用方法上也有一定的差别。工作原理、输出信号和使用方

10、法上也有一定的差别。 r 智能型智能型温度传感器温度传感器、温控器温控器是将是将 A/D 转换电路，转换电路，ROM存储存储器集成在一个芯片上，广泛应用于自动控制系统器集成在一个芯片上，广泛应用于自动控制系统。 智能传感器的智能传感器的总线技术总线技术已实现标准化、规范化；传感器作已实现标准化、规范化；传感器作为从机，通过专用总线接口与主机进行通讯，传输数据。为从机，通过专用总线接口与主机进行通讯，传输数据。13.2.1 13.2.1 基于基于1-WIRE1-WIRE总线的总线的DS18B20DS18B20型智能温度传感器型智能温度传感器 DS1820是是DALLAS半导体公司生产半导体公司生

11、产的的可组网数字式可组网数字式温度传感器温度传感器 与其它温度传感器相比有以下特点：与其它温度传感器相比有以下特点：1 2 3GND I/O VDD两种封装形式；两种封装形式；I/O ：输入：输入/输出端输出端VDD ：外部电源：外部电源+5VGND ：地；：地；NC ：空脚：空脚DB18B20DB18B20引脚、封装引脚、封装 单线接口单线接口方式，可实现双向通讯；方式，可实现双向通讯； 支持多点组网功能，多个支持多点组网功能，多个18B20可并联可并联 在唯一的总线上实现在唯一的总线上实现多点测温多点测温； 内部有唯一序列号；内部有唯一序列号； 使用中使用中不需要任何外围器件；不需要任何外

12、围器件； 测量结果以测量结果以9位数字量方式串行传送；位数字量方式串行传送； 温度范围温度范围 -55+125 ； 供电电压供电电压 +3 +5.5V。 每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl820内部的ROM(只读存贮器)中开始8位是产品类型编码(DSl820编码均为10H)接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码F 基于基于1-WIRE总线的总线的DS18B20型智能温度传感器型智能温度传感器内内部部原原理理框框图图 DS18B20内部电路框图主要包括内部电路框图主要包括7个部分：个部分： 寄生电源、温度传感器、寄生电源、温

13、度传感器、64位位ROM与接口、便笺式与接口、便笺式 RAM、高速暂存器、高速暂存器、高温高温TH触发寄存器、触发寄存器、低温低温TL触发寄存器，触发寄存器，存储与控制逻辑，存储与控制逻辑，8位循环冗余校验码（位循环冗余校验码（CRC）发生器。）发生器。 测温原理测温原理 低温度系数振荡器温度影响小低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频率信号送计数器，用于产生固定频率信号送计数器1;1; 高温度系数振荡频率随温度变化高温度系数振荡频率随温度变化，产生信号脉冲送计数器，产生信号脉冲送计数器2 2； 计数器计数器1 1和温度寄存器被和温度寄存器被预置在预置在 -55-55对应的对应的基数值基数

14、值； 计计数器数器1 1对低温度系数振荡器产生的脉冲进行减法计数；对低温度系数振荡器产生的脉冲进行减法计数； 当计数器当计数器1 1预置减到预置减到0 0时，温度寄存器加时，温度寄存器加1 1，计数器，计数器1 1预置重新装入；预置重新装入； 计数器计数器1 1重新对低温度系数振荡器计数；重新对低温度系数振荡器计数； 测温原理测温原理如此循环，直到计数器如此循环，直到计数器2计数到计数到0时，停止对温度寄存器时，停止对温度寄存器累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。高温度系数振荡器相当于高温度系数振荡器相当于T/ f 转换器，将被测温度转换转换器，

15、将被测温度转换成频率信号成频率信号f ；当门打开时对低温度系当门打开时对低温度系数振荡器计数；数振荡器计数；计数门的开启时间有高计数门的开启时间有高温度系数振荡器决定。温度系数振荡器决定。F DS18B20DS18B20型智能温度传感器接口电路型智能温度传感器接口电路v 第一种方法第一种方法 利用一个利用一个CMOS管，把传感器的数据线接连接到电源的正，利用微管，把传感器的数据线接连接到电源的正，利用微机来控制机来控制CMOS管的导通与截止，即给数据线提供一个很强的上拉管的导通与截止，即给数据线提供一个很强的上拉电压；使用这种方法时，必须把传感器第三引脚电压；使用这种方法时，必须把传感器第三引

16、脚VDD接到电源的接接到电源的接地端；地端；v不对不对E2ROM进行操作时，传感器处于省电状态。进行操作时，传感器处于省电状态。v对对E2ROM进行操作时，由导通的进行操作时，由导通的CMOS管通过数据线给传感器提供管通过数据线给传感器提供一个较大的工作电流，这个时间至少要维持一个较大的工作电流，这个时间至少要维持10S以上。以上。省电方式连接省电方式连接F DS18B20DS18B20接口电路接口电路v 第二种方法第二种方法 把传感器的数据线通过一个上拉电阻直接接到正电源的把传感器的数据线通过一个上拉电阻直接接到正电源的上，同时把第三引脚也连接到正电源上。上，同时把第三引脚也连接到正电源上。

17、v 使用这种方法，在对使用这种方法，在对E2ROM进行操作时，不要求通过进行操作时，不要求通过传感器的数据线来给传感器提供工作电流，因此可以在传感器的数据线来给传感器提供工作电流，因此可以在该该I/O线上连接其它的驱动。线上连接其它的驱动。F DS18B20DS18B20接口电路接口电路v 在进行温度数据转换的时候，发出跳过内存命令和转换在进行温度数据转换的时候，发出跳过内存命令和转换启动命令即可。启动命令即可。v 需要注意的是在这种工作方式下，只要传感器的需要注意的是在这种工作方式下，只要传感器的3脚上脚上有正电压，传感器就处于工作状态。有正电压，传感器就处于工作状态。v 18B20的耗电比

18、较小，无须考虑省电状态，这种方法的耗电比较小，无须考虑省电状态，这种方法使用起来不但硬件电路比较简单，软件设计也较简单。使用起来不但硬件电路比较简单，软件设计也较简单。F DS18B20DS18B20接口电路接口电路v 由于由于DS1820 输出端属于输出端属于漏极开路输出漏极开路输出，传感器数据线通过，传感器数据线通过上拉电阻时常态为高电平；上拉电阻时常态为高电平；v 可在可在I/O线连接其它驱动。可同时在一根总线上进行线连接其它驱动。可同时在一根总线上进行8个个温温度通道的测量。度通道的测量。v 温度传感器温度传感器18B20几乎不需要什么外围器件，有专门的转换几乎不需要什么外围器件，有专

19、门的转换以及读写指令。其转换速度快，转换一个以及读写指令。其转换速度快，转换一个12位的温度数据不位的温度数据不超过超过750ms，在温度转换期间，数据总线上必需达到，在温度转换期间，数据总线上必需达到1.5mA的电流。的电流。F DS18B20DS18B20操作指令操作指令v 18B20内部自带内部自带5个个ROM指令、指令、6条专用指令：条专用指令： ROM指令；指令； Read ROM(33h），）， 读读ROM Match ROM(55h)， 比较比较 Skip ROM(CCh)， 跳过跳过ROM Search ROM(F0h)， 搜索、查找搜索、查找 Alarm ROM(ECh)，

20、报警报警 专用指令；专用指令； Write Scratchpad便签式便签式(4Eh)， 写便签写便签RAM Read Scratchpad(BEh), 读数据读数据 Copy Scratchpad(48h), 复制复制 Convert T(44h), 启动转换启动转换 Recall E2(B8h), 搜索、调用搜索、调用 Read Power Supply(B4h)， 读电源电压读电源电压F DS18B20DS18B20编程编程温温度度转转换换关关系系表表通过数据线，利用串行传输方式，先发出跳过通过数据线，利用串行传输方式，先发出跳过ROM命令，命令，再发出温度转换命令；再发出温度转换命令；

21、温度传感器把采集到的温度经过转换后，以十六进制温度传感器把采集到的温度经过转换后，以十六进制 10H 表示表示1存储于自带的存储器存储于自带的存储器 E2ROM 中；中；后发出读数据指令，把温度传感器后发出读数据指令，把温度传感器 E2ROM 中的数据读入中的数据读入单片机。单片机。在在E2ROM 中，当温度为负中，当温度为负值时，以补码的形式表示。值时，以补码的形式表示。复位时，其值为复位时，其值为+85。 温温度的低字节、温度的高字节度的低字节、温度的高字节分别装入两个单元分别装入两个单元13.3 13.3 集成湿度传感器集成湿度传感器 近年来，国内外湿度传感器取得了长足的发展和进步，湿敏

22、近年来，国内外湿度传感器取得了长足的发展和进步，湿敏传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发湿度向迅速发展，为开发湿度/温度测控系统和提高测量技术水平温度测控系统和提高测量技术水平提供了有利条件。提供了有利条件。 目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品有：目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品有：Honeywell公司的公司的HIH-3602 HIH-3605 HIH-3610型；型；Humirel公司的公司的HM1500 HM1520 HTF3223 HF3223型；瑞士型；瑞士Sens

23、iron（森斯瑞）公司的（森斯瑞）公司的SHT11 SHT15型。这些产品主要分为四种型。这些产品主要分为四种类型：类型： ； ； ； 13.3.1 13.3.1 HM1500 / HM1520传感器内部包含一个由传感器内部包含一个由HS1101湿敏电容器湿敏电容器构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能够输出与相对湿度构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能够输出与相对湿度呈线性关系的直流电压信号，输出阻抗为呈线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70，适配带，适配带ADC的单的单片机。采用片机。采用+5V电源供电，工作电流典型值为电源供电，工作电流典型值为0.4mA，漏电流，漏电流300A，工

24、作温度范围是，工作温度范围是-30+60。 HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围属于通用型湿敏传感器，测量范围0100%RH，输，输出电压出电压+1 V+ 4V，相对湿度为，相对湿度为55%时的标称输出电压为时的标称输出电压为2.48V。测量精度测量精度3%RH，灵敏度为，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为，温度系数为+0.1% RH/，响应时间，响应时间10s。1. HM1500 HM1520结构特征结构特征 13.3.1 13.3.1 元件尺寸为元件尺寸为34mm（长）（长）22mm（宽）（宽）9mm（高），（高）， 3个引脚分别是：个引脚分别是：GND；Ucc（电源）；（电源）；

25、Uo（电压输出）；（电压输出）； 相对湿度在（相对湿度在（10%95%）RH范围内，范围内，TA=+23时，时， 输出电压输出电压Uo与相对湿度与相对湿度RH的对应关系见表的对应关系见表13-1。 输出电压的计算公式为：输出电压的计算公式为：2. HM1500 HM1520工作原理工作原理 1.0790.2568UoRH13.3.1 13.3.1 2. HM1500 HM1520工作原理工作原理 RH(%)101520253035404550Uo /V1.3251.4651.6001.7351.8601.9902.1102.2352.360RH(%)556065707580859095Uo /

26、V2.4802.6052.3702.8602.9903.1253.2603.4053.555 13.3.1 13.3.1 3. HM1500 HM1520典型应用典型应用 13.3.1 13.3.1 3. HM1500 HM1520典型应用典型应用 13.3.2 HTF322313.3.2 HTF3223型频率型频率/ /温度集成湿度传感器温度集成湿度传感器1. HTF3223的性能特点的性能特点13.3.2 HTF322313.3.2 HTF3223型频率型频率/ /温度集成湿度传感器温度集成湿度传感器2. HTF3223的原理与应用的原理与应用13.3.3 SHT1013.3.3 SHT1

27、0型数字湿度型数字湿度/ /温度传感器温度传感器1. SHT10传感器主要特性传感器主要特性13.3.3 SHT1013.3.3 SHT10型数字湿度型数字湿度/ /温度传感器温度传感器2. SHT10接口电路与工作原理接口电路与工作原理 13.3.3 SHT1013.3.3 SHT10型数字湿度型数字湿度/ /温度传感器温度传感器2. SHT10传感器主要特性传感器主要特性13.4 13.4 单片硅压力传感器单片硅压力传感器13.4.1 MPX2100/4100/5100/570013.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器1. 单片集成

28、硅压力传感器性能与特征单片集成硅压力传感器性能与特征 13.4.1 MPX2100/4100/5100/570013.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器2. 单片集成硅压力传感器工作原理单片集成硅压力传感器工作原理 13.4.1 MPX2100/4100/5100/570013.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器2. 单片集成硅压力传感器工作原理单片集成硅压力传感器工作原理 13.4.1 MPX2100/4100/5100/570013.4.1 MPX2100/4100/5100

29、/5700系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器2. 单片集成硅压力传感器工作原理单片集成硅压力传感器工作原理 13.4.1 MPX2100/4100/5100/570013.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器3. 单片集成硅压力传感器典型应用单片集成硅压力传感器典型应用13.4.1 MPX2100/4100/5100/570013.4.1 MPX2100/4100/5100/5700系列集成硅压力传感器系列集成硅压力传感器3. 单片集成硅压力传感器典型应用单片集成硅压力传感器典型应用13.4.2 ST300013.4.2 ST300

30、0系列智能压力传感器系列智能压力传感器13.4.2 ST300013.4.2 ST3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器1. ST3000系列产品的性能特点系列产品的性能特点13.4.2 ST300013.4.2 ST3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器1. ST3000系列产品的性能特点系列产品的性能特点13.4.2 ST300013.4.2 ST3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器2. ST3000系列传感器工作原理系列传感器工作原理13.4.2 ST300013.4.2 ST3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器2. ST3000系列传感器工作原理系列传感器工

31、作原理13.4.2 ST300013.4.2 ST3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器2. ST3000系列传感器工作原理系列传感器工作原理13.4.2 ST300013.4.2 ST3000系列智能压力传感器系列智能压力传感器3. ST3000系列传感器应用系列传感器应用 13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器1. PPT、PPTR系列压力传感器的性能特点系列压力传感器的性能特点 13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化

32、智能压力传感器 2. 传感器工作原理传感器工作原理 13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器 2. 传感器工作原理传感器工作原理 13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器 2. 传感器工作原理传感器工作原理 13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器 3. 智能压力传感器的应用智能压力传感器的应用13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器 3. 智能压力传感器的应用智能压力传感器的应用13.4.313.4.3 PPT

33、PPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器 3. 智能压力传感器的应用智能压力传感器的应用13.4.313.4.3 PPTPPT系列网络化智能压力传感器系列网络化智能压力传感器 3. 智能压力传感器的应用智能压力传感器的应用 目前，单片集成磁场传感器有着非常广泛的应目前，单片集成磁场传感器有着非常广泛的应用领域，它不仅可以用领域，它不仅可以测量磁场测量磁场（如磁场强度、（如磁场强度、磁通密度），还可以磁通密度），还可以测量电量测量电量（如频率、相位）（如频率、相位）以及以及非电量测量非电量测量（如振动、位移、位置、转速、（如振动、位移、位置、转速、转数、导磁产品的计数等）。转数、导

34、磁产品的计数等）。 单片集成磁场传感器是把单片集成磁场传感器是把磁敏电阻、霍尔元件磁敏电阻、霍尔元件以及信号调理电路以及信号调理电路集成在一个芯片上，使磁场集成在一个芯片上，使磁场传感器的性能、可靠性、稳定性、灵敏度以及传感器的性能、可靠性、稳定性、灵敏度以及实用性大大提高。实用性大大提高。 下面主要介绍基于磁敏电阻的下面主要介绍基于磁敏电阻的HMC系列系列单片单片集成磁场传感器和基于集成磁场传感器和基于霍尔元件的霍尔元件的AD22151线线性输出式集成磁场传感器。性输出式集成磁场传感器。1 12 23 34 45 56 67 78 8 HMC1001HMC1001（SIP-8SIP-8）封装

35、）封装 HMC系列是美国霍尼威尔（系列是美国霍尼威尔（Honeywell）公司生）公司生产的产的单片集成化磁场传感器单片集成化磁场传感器，简称，简称 MR（磁敏电（磁敏电阻）阻）传感器。传感器。该系列有该系列有6种型号：其中种型号：其中HMC1001、1021D、1021S、1021Z为为单轴单轴磁场传感器，磁场传感器，HMC1002、1022属于属于双轴双轴磁场传感器磁场传感器。单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可构成单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可构成3轴轴（X、Y、Z轴轴）磁场传感器，测量立体）磁场传感器，测量立体空间空间磁场。磁场。 这种传感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于这种传

36、感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于地球磁场地球磁场探测仪、导航系统、磁疗设备以及自动探测仪、导航系统、磁疗设备以及自动化装置中。化装置中。1 12 23 34 45 56 67 78 8 HMC1001HMC1001（SIP-8SIP-8）封装）封装 HMC1022HMC1022SOIC-16SOIC-16封装封装1 12 23 34 45 56 67 78 816161515141413131212111110 10 9 9A AB B传感器内部有传感器内部有4只半导体磁敏电阻（只半导体磁敏电阻（HMC1001典型值为典型值为850）构成构成MR电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化

37、，电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使电桥输出一个差分电压信号；使电桥输出一个差分电压信号；灵敏度：对磁场的敏感程度可达灵敏度：对磁场的敏感程度可达3nT;测量范围测量范围: 可达可达610-4T（地球磁场仅为（地球磁场仅为510-5T）。）。1.1.HMC系列传感器性能特点系列传感器性能特点UBR供电供电桥压桥压+5V，GND公共地；公共地；OUT+、OUT-差分电压输出端；差分电压输出端；OFFSET+、OFFSET-为内部补偿线圈引线，为内部补偿线圈引线，表示电流极性表示电流极性 ；S/R+、S/R-为置位、复位线圈引出端，为置位、复位线圈引出端， 改变改变电流的极性可分别实

38、现置位、复位；电流的极性可分别实现置位、复位；图中小尖头代表图中小尖头代表MR传感器灵敏度的方向传感器灵敏度的方向。双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部有双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部有A、B两组两组MR传感器适合测量平面磁场传感器适合测量平面磁场。1 12 23 34 45 56 67 78 8 HMC1001 SIP-8封装S/R+S/R+OFFSET+OFFSET+S/R-S/R-GNDGNDOUT+OUT+OFFSET-OFFSET-UBRUBROUT-OUT- HMC1022HMC1022SOIC-16SOIC-16封装封装1 12 23 34 45 56 67 78 816161

39、515141413131212111110 10 9 9A AB BYX1.1.HMC系列传感器性能特点系列传感器性能特点 以以HMC 1001为例，为例，HMC1001内部电路框图包括：内部电路框图包括：集成工艺制成的集成工艺制成的MR电桥；电桥；两个带绕式线圈；两个带绕式线圈；一个一个补偿线圈补偿线圈可等效于可等效于2.5的标称电阻的标称电阻; 另一个是另一个是置位置位/复位线圈复位线圈，等效，等效1.5的标称电阻。的标称电阻。HMC1001MR电桥电桥 RRRRUBROUT+OUT-GND OFFSET+OFFSET-S/R+S/R-补偿线圈补偿线圈 置位置位/复位线圈复位线圈 YX当线

40、圈上有电流通过时，当线圈上有电流通过时，所产生的磁场就耦合到所产生的磁场就耦合到MR电桥上。电桥上。这两个线圈具有磁场信号这两个线圈具有磁场信号调理调理功能。功能。 2.2.HMC系列传感器工作原理系列传感器工作原理接入电源后，传感器能测接入电源后，传感器能测量沿水平轴方向的环境磁量沿水平轴方向的环境磁场或外加磁场；场或外加磁场；外部磁场加到传感器时改外部磁场加到传感器时改变磁敏电阻的电阻值，产变磁敏电阻的电阻值，产生变化率生变化率R/R，使，使MR输出电压随外部磁场信号输出电压随外部磁场信号变化，配上数字电压表即变化，配上数字电压表即可测量磁场。可测量磁场。YX2.2.HMC系列传感器工作原

41、理系列传感器工作原理 补偿线圈可实现下述功能：补偿线圈可实现下述功能：1） 无检测磁场时，补偿线圈上有电流通过，就形成无检测磁场时，补偿线圈上有电流通过，就形成X轴方向轴方向的磁场的磁场（敏感方向），利用这个磁场可以（敏感方向），利用这个磁场可以抵消环境磁场抵消环境磁场（地磁）的影响。（地磁）的影响。 因为补偿电流从因为补偿电流从-端流向端流向+端时，补偿线圈产生一个与原磁场方向端时，补偿线圈产生一个与原磁场方向相反的磁场；相反的磁场；25mA电流产生磁通电流产生磁通510-5T 使原磁场减弱，只要使原磁场减弱，只要合理选择调节补偿电流合理选择调节补偿电流IOFFSET值就可以值就可以完全抵消

42、环境磁场完全抵消环境磁场和和铁磁铁磁性物质性物质对测量的影响。对测量的影响。2）补偿线圈可作为闭环反馈元件，）补偿线圈可作为闭环反馈元件，消除待测磁场的影响；消除待测磁场的影响；3）补偿线圈用于）补偿线圈用于MR电桥自动校准；电桥自动校准；4）当环境温度变化时，）当环境温度变化时，MR传感器的传感器的灵敏度会变化，利用补偿线圈可灵敏度会变化，利用补偿线圈可检测沿灵敏轴方向的灵敏度。检测沿灵敏轴方向的灵敏度。YX2.2.HMC系列传感器工作原理系列传感器工作原理该线圈主要作用是在测量磁场时能保持该线圈主要作用是在测量磁场时能保持MR传感器的高灵传感器的高灵敏度特性，当被测弱磁场受到一个强磁场干扰

43、时，敏度特性，当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时，MR传传感器的输出信号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信感器的输出信号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利用置位用置位/复位线圈。复位线圈。1.置位置位/复位线圈必须通过几安的脉复位线圈必须通过几安的脉冲电流，持续时间冲电流，持续时间2s ；2.该线圈产生沿该线圈产生沿Y轴方向的磁场，轴方向的磁场，这是这是MR最最不敏感的方向不敏感的方向；3. 利用置位（或复位）可改变利用置位（或复位）可改变输出极性。输出极性。 置位置位/复位线圈功能：复位线圈功能：Y

44、X1.0 0.5 0 0.5 1.00 B/101.0 0.5 0 0.5 1.00 B/10-4-4T T40402020 0 0-20-20-40-40-60-60-80-80置位曲线置位曲线复位曲线复位曲线U UO O/mV/mV当置当置/复位脉冲电流通过引脚复位脉冲电流通过引脚S/R+时时,输出响应曲线斜率为正值输出响应曲线斜率为正值,反之为负反之为负值值,可改变输出电压的极性；可改变输出电压的极性；电流方向电流方向S/R+ S/R- 输出输出 UoSET，电流方向电流方向S/R- S/R+输出输出 UoRESET 输出电压差值能消除温漂和非线性输出电压差值能消除温漂和非线性影响。影响

45、。UO=(UOSET-UORESET)/2置位和复位曲线是对称的置位和复位曲线是对称的;由于工艺使桥臂不可能完全一致由于工艺使桥臂不可能完全一致,可可采用补偿技术使采用补偿技术使MR电桥平衡电桥平衡.具体办法在输出之间跨接一只电阻具体办法在输出之间跨接一只电阻,使零磁场时输出电压为零使零磁场时输出电压为零.MR电桥 R RR RR RR RUBRUBROUT+OUT+OUT-OUT-GND GND OFFSET+OFFSET+ OFFSET-OFFSET-S/R+S/R+S/R-S/R-补偿线圈 置位/复位线圈 IOFFSET 输出响应曲线：输出响应曲线：3.3.HMC系列磁场传感器应用系列磁

46、场传感器应用接近开关接近开关 HMC1001接运放接运放AMP04（做比较器使用），构成接近开关（做比较器使用），构成接近开关电路，磁铁接近时电路，磁铁接近时MR输出电压达到输出电压达到30mV，使比较器翻转，使比较器翻转，输出变低输出变低LED发光。可用来检测位移、转速等非电量。发光。可用来检测位移、转速等非电量。7 854UBROUT+OUT-GNDAMP04磁磁铁铁LED 特斯拉计特斯拉计 由由HMC1001/1002构成系统，构成系统，可测量小于可测量小于10nT的磁场，的磁场，S/R脉冲电流幅度需大于脉冲电流幅度需大于4A。3.3.HMC系列磁场传感器应用系列磁场传感器应用接近开关接

47、近开关 HMC1001接运放接运放AMP04（做比较器使用），构成接近（做比较器使用），构成接近开关电路，磁铁接近时开关电路，磁铁接近时MR输出电压达到输出电压达到30mV，使比较，使比较器翻转，输出变低器翻转，输出变低LED发光。可用来检测位移、转速等发光。可用来检测位移、转速等非电量。非电量。7 854UBROUT+OUT-GNDAMP04磁磁铁铁LED 特斯拉计特斯拉计 由由HMC1001/1002构成系统，构成系统，可测量小于可测量小于10nT的磁场，的磁场，S/R脉冲电流幅度需大于脉冲电流幅度需大于4A。3.3.HMC系列磁场传感器应用系列磁场传感器应用用用HMC1052双轴磁场传感

48、器实现的环境磁场检测电路双轴磁场传感器实现的环境磁场检测电路信号采集与接口电路原理图信号采集与接口电路原理图 3.3.HMC系列磁场传感器应用系列磁场传感器应用 HMC1052双轴磁场传感器信号采集与接口电路双轴磁场传感器信号采集与接口电路 电路组成：由磁场传感器、放大器、单片机、输入输出电路组成：由磁场传感器、放大器、单片机、输入输出接口；接口； 图中磁敏传感器图中磁敏传感器HMC1052L把测量到的电磁信号直接转把测量到的电磁信号直接转换为电压输出；换为电压输出； 由由LMV358组成运算放大器，把微弱信号放大到单片机能组成运算放大器，把微弱信号放大到单片机能够检测到的电压；够检测到的电压

49、； 通过单片机通过单片机Atmega16L自带的模数转换器，把模拟信号自带的模数转换器，把模拟信号转换成数字信号，经过计算处理后在转换成数字信号，经过计算处理后在LCD1602液晶显示液晶显示屏上显示出磁场大小值。屏上显示出磁场大小值。 1. 1. AD22151磁场传感器性能特点磁场传感器性能特点 AD22151型线性集成磁场传感器内型线性集成磁场传感器内置温度传感置温度传感器器可检测环境温度，并提供温度参考电压，通可检测环境温度，并提供温度参考电压，通过温度补偿电路去调节霍尔元件的控制电流，过温度补偿电路去调节霍尔元件的控制电流，从而补偿霍尔元件及外部磁场因温度变化引起从而补偿霍尔元件及外

50、部磁场因温度变化引起的漂移。的漂移。 AD22151有有两种工作模式两种工作模式：双极性模式和单极：双极性模式和单极性模式。双极性模式是将磁场零点偏置在电源性模式。双极性模式是将磁场零点偏置在电源电压的中点位置（电压的中点位置（Ucc /2），使），使AD22151的静态的静态输出电压输出电压U0 = 0V。AD22151引脚图引脚图 2. 2. AD22151磁场传感器工作原理磁场传感器工作原理 芯片内主要包括芯片内主要包括7各部分：内置温度传感器；温度补偿放各部分：内置温度传感器；温度补偿放大器（大器（A1）；霍尔元件；为霍尔元件提供工作电流的可）；霍尔元件；为霍尔元件提供工作电流的可调电

51、流源；开关式调制器、放大器（调电流源；开关式调制器、放大器（A2）、解调器；缓）、解调器；缓冲器（冲器（B）；输出放大器（）；输出放大器（A3）。）。 其中内置电阻其中内置电阻RA、RB ，温度补偿放大器，温度补偿放大器A1的的A、B两点两点温度系数分别为：温度系数分别为：TA 300010-6/；TB -300010-6/。 2. 2. AD22151磁场传感器工作原理磁场传感器工作原理AD22151AD22151内部电路框图内部电路框图 3. 3. AD22151磁场传感器典型应用磁场传感器典型应用 根据内部电路结构可知，放大器根据内部电路结构可知，放大器A1采用的是差分输出结采用的是差分

52、输出结构，需外接温度补偿电阻构，需外接温度补偿电阻R1，根据需要，根据需要R1可接在可接在TC1 TC3之间，也可接在之间，也可接在TC2 TC3两端之间。两端之间。 当环境温度发生变化时，当环境温度发生变化时，TC3端端输出的信号通过可调电流源改变输出的信号通过可调电流源改变霍尔传感器上控制电流的大小，霍尔传感器上控制电流的大小，保证温度变化时霍尔元件的输出保证温度变化时霍尔元件的输出电压（电压（U1）不随温度变化，从而）不随温度变化，从而达到温度补偿目的。达到温度补偿目的。 13.6 13.6 电容式集成传感器电容式集成传感器 硅电容式集成传感器大体由硅电容式集成传感器大体由压力敏感压力敏

53、感电容器电容器、转换电路转换电路和和辅助电路辅助电路三部分三部分组成；组成；其中压力敏感的电容器是核心部件，其中压力敏感的电容器是核心部件，压力敏感的电容器所传感的电容量信压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。调理电路处理后输出。 从原理上讲，电容式集成传感器与传统的结构型电容传感器从原理上讲，电容式集成传感器与传统的结构型电容传感器没有区别，只是集成式电容传感器采用了集成工艺，特点是没有区别，只是集成式电容传感器采用了集成工艺，特点是电容尺寸很小，并将电容器与信号处理电路集成在一起；电容尺寸很小，并将电容器与信号处

54、理电路集成在一起；硅梁硅梁芯片芯片13.6 13.6 电容式集成传感器电容式集成传感器 结构：是在玻璃基底上镀一层金属结构：是在玻璃基底上镀一层金属铝（铝（AL）膜做电容器的一个极板，）膜做电容器的一个极板，在硅（在硅（Si）片上是电容器的另一个）片上是电容器的另一个极板，极板，硅膜厚几十微米硅膜厚几十微米。 硅电容式集成传感器结构硅电容式集成传感器结构电容器电容量由两个电容极板面积和间距决定，极板间电容器电容量由两个电容极板面积和间距决定，极板间介质为空气，当硅膜片受力变形时电容的变化量介质为空气，当硅膜片受力变形时电容的变化量C与压与压力差力差P大小有关。大小有关。1. 硅电容式集成传感器

55、结构原理硅电容式集成传感器结构原理实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一个实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同，分硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同，分别为别为受力电容受力电容、参考电容参考电容，参考电容不受外力作，参考电容不受外力作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在受用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在受力变形时，电容两极间距变化引起电容量变化。力变形时，电容两极间距变化引起电容量变化。压差与变形量呈线性关系。压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器扩散硅电容器的灵敏度是结构型电容传感器灵敏度的的灵敏度是结构型电容传感器灵敏度的1010

56、倍。倍。从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电只是采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一起。路集成在一起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。电压信号，再由调理电路处理后输出。1. 硅电容式集成传感器结构原理硅电容式集成传感器结构原理2. 硅电容式集成传感器内部电路硅电容式集成传感器内部电路2. 硅电容式集成传感器内部电路硅电容式集成传感器内部电路3. 硅电容式集成

57、传感器应用硅电容式集成传感器应用它由一它由一变容压力传感器变容压力传感器元件、元件、一个一个温度传感温度传感元件和一个元件和一个界界面电路面电路(具有唤醒功能具有唤醒功能)组成，组成，所有这三个元件都在单块芯所有这三个元件都在单块芯片中片中(如后图所示如后图所示)。MPXY8020A可与遥控车门开可与遥控车门开关关(RKE)系统结合使用，提系统结合使用，提供一个高度集成的低成本系供一个高度集成的低成本系统。统。 胎压监测传感器胎压监测传感器MPXY8020AMPXY8020A是一款高集成度产品是一款高集成度产品3. 硅电容式集成传感器应用硅电容式集成传感器应用7 7） 智能型电容传感器智能型电容传感器 正温度系数正温度系数温度传感器温度传感器 胎压监测传感器胎压监测传感器MPXY8020A是一款高集成度产品是一款高集成度产品运动传感器运动传感器3. 硅电容式集成传感器应用硅电容式集成传感器应用MEMS（微机电系统）（微机电系统）是面向汽车安全应用的传感器技是面向汽车安全应用的传感器技术的一个亮点。专家最新提出一个术的一个亮点。专家最新提出一个汽车汽车“黑匣子黑匣子”的概的概念，该念，该“黑匣子黑匣子”用以