角位移传感器设计

传感器课程设计报告

专 业：班 级：姓 名：设计课题：

电 子 信 息 工 程 0 7 0 2 谭 伟 角位移传感器设计

2 0 1 0 年 6 月 24 日

角位移传感器设计

目 录

《角位移传感器设计》课程设计任务书 ------------------------------ 2

一、序言 -------------------------------------------------------- 2

二、磁电式传感器 ------------------------------------------------ 3

三、基于UZZ9000和KMZ41的角度检测电路 --------------------------- 3

3.1、UZZ9000的主要技术性能与特点 ------------------------------ 3

3.2、UZZ9000的引脚功能与封装形式 ------------------------------ 4

3.3、UZZ9000的内部结构与工作原理 ------------------------------ 4

3.4、磁阻式传感器KMZ41的特点 ---------------------------------- 4

3.5、由UZZ9000和KMZ41构成的角度检测电路 ---------------------- 5

《角位移传感器》课程设计任务书

1、总要求

能够独立进行小型检测模块系统方案的设计及论证，选择合理的传感器、设计必要的接口电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。 2、总任务

针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。 3、设计题目

角度传感器设计 4、设计内容

居于UZZ9000和KMZ41组成的角度传感器电路

一、序言

角度传感器是把对角度测量转换成其他物理量的测量，角度传感器的原理有将角度变化量的测量变为电阻变化测量的变阻器式角度传感器、将角度变化量的测量变为电容变化的测量的面积变化型电容角度传感器，将角度变化量的测量变为感应电动势变化量的测量的磁阻式角度传感器等等。

从我的传感器设计任务——角度传感器设计出发，进行任务分析，查阅资料，确定总体方案。传感器的选用特别关键，因为这是训练式的设计，我可以选用结构简单，使用方便磁阻式传感器类型，通过查阅资料我选用角度传感器KMZ41

要将角度传感器得到的有用的信息显示出来，就必须将没有的干扰信号和噪声排除，所以在传感器后接上调制解，滤波，解调电路。由于KMZ41由两路正弦电压输出，我选择有两个A/D转换器的芯片——UZZ9000。而且通过查阅资料可以知道UZZ9000和KMZ41连接可以将KMZ41输出的两路正弦电压信号转换成线性电压信号输出，

在报告首先简述一下所使用的芯片（UZZ9000和KMZ41）中A/D、D/A转换器、滤波器、时钟振荡、逻辑控制、算法控制和电桥的原理，通过阅读这些原理的介绍可以让读者更好地理解我所选用的设计方案。介绍完这些原理之后就介绍我的设计方案。由于没有实物，方案的可读性就大大降低了，所以本报告就介绍尽可能的详细，尽可能地让每一位读者能够很容易理解这个角度传感器设计方案

角位移传感器设计

二、磁电式传感器

磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。

对于一个匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通Φ发生变化时，其感应电动势：

（1）

可见，线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式传感器可分为动圈式与磁阻式。

磁阻式磁电传感器

可变磁阻式磁电传感器简称磁阻式磁电传感器。磁阻式磁电传感器由永久磁钢及缠绕其上的线圈组成。传感器在工作时线圈与磁钢都不动，由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻，引起通过线圈的磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电势。下图表示了磁阻式磁电传感器应用于转速、偏心量、振动的测量。

(a) 测频数 (b) 测转速

(c) 偏心测量 (d) 振动测量

图1 磁阻式磁电传感器工作原理及应用

三、基于UZZ9000和KMZ41的角度检测电路 3.1、UZZ9000的主要技术性能与特点

UZZ9000时philips

公司推出的单片角度传感器信号调理器。配上磁阻式角度传感器

KMZ41，可实现非接触的，精确的角度测量。

UZZ9000为线性电压输出式角度传感器信号调理器电路，输出电压与被测角度信号成正比，测量角度的范围为0~180o，且在0~100o范围内，测量误差小于0.45o分辨力达到0.1o。测量范围和输出零点均可调节，电源电压范围为4.5~5.5V，电源电流为10Ma,工作温度范围为-40~+150℃

3.2、UZZ9000的引脚功能与封装形式

UZZ9000采用SO—24封装，引脚端功能如下表所示

3.3、UZZ9000的内部结构与工作原理

UZZ9000的芯片内部包括A/D转换器1和A/D转换器2，滤波器，算法逻辑，D/A转换器，数字振荡器，逻辑控制及复位等。UZZ9000与KMZ41连接，能够将磁阻式传感器KMZ41输出的2个有相位差的正弦信号转换成线性电压输出信号，UZZ9000的输出电压与被测角度α呈线性关系，线性的输出范围为0～180o。

3.4、磁阻式传感器KMZ41的特点

磁阻式角度传感器KMZ41由philips公司生产的专门用于测量角度的集成传感器，给予坡莫合金的磁阻效应，与采用其他技术（如霍尔传感器）的角度传感器相比，具有灵敏度高；线性度好；量程宽；失调电压低；磁滞量极小；稳定性强；耐高温；抗震动及防灰尘等优点。

磁阻式角度传感器KMZ41采用了SO~8封装，其内部包含有两个由磁阻构成的，

位置成正交的，独立的电桥（Wheatstone Bridge），其引脚功能如表3所示，桥路等效电路

角位移传感器设计

如图10所示。

表3 KMZ41引脚端功能

图10 KMZ41的桥路等效电路

将KMZ41置于由X轴、Y轴构成的平面上，当旋转磁场强度发生变化时，KMZ41会产生两路正弦输出信号，两信号的相位差就代表了芯片的轴向与磁场方向的夹角α。输出波形如图12所示。

3.5、由UZZ9000和KMZ41构成的角度检测电路

由UZZ9000和KMZ41构成的电压输出式角度检测电路图如下所示，改变Rp1的电刷的位置，可以调节传感器1的偏移量；改变Rp2的电刷的位置，可以调节传感器2的偏移量；改变Rp3电刷的位置，可以调节零点偏移；改变Rp4电刷的位置，可以调节测量

（a）芯片轴向与磁场方向的夹角 （b） KMZ41产生的两路正弦信号

图12 当旋转磁场发生变化时，KMZ41的输出信号波形

角度范围。电阻Rp1至Rp4可以采用固定电阻代替。电路输出电压送至数字电压表或者微控制器系统，即可显示出被测角度值。该电路可广泛用于发动机凸轮/曲轴速度及位置检测、节流阀控制、转向操作控制、汽车中的ABS系统等领域。

图13 UZZ9000和KMZ41构成的电压输出式角度检测电路

采用UZZ9000与KMZ41构成的电压输出式角度检测电路，使用时应注意： 1、UZZ9000与KMZ41的连接方式。UZZ9000与KMZ41可以采用不同连接方式。注意：根据输出电压的零点相位的不同，分别相移0°、45°、90°、135°。

图14 串行接口调整协议时序图

2、两输入信号偏移的调整。为了获得线性的输出特性，必须在UZZ9000的输入级调整两输入信号偏移。UZZ9000提供了一个专门的调整协议和接口，可用来完成对两输入信号的偏移的调整。串行接口由SMODE（引脚端10）和DATA_CLK(引脚端9)组成。

表4 状态字与模式关系

3、设置角度范围。在UZZ9000的引脚端13（SENSIN）加上不同的外部电压可以选择0至30°到1至180°共16个不同的角度范围。

4、零点偏移调节。在UZZ9000的引脚端14（VOFFIN）加上一个外部电压，可以调节零点偏移或者设置到0°。