霍爾式速度傳感器

1、霍爾式速度傳感器課程設(shè)計說明書所在學院：電氣工程學院 指導教師： 學生姓名： 學號： 日期： 燕山大學傳感器原理與設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學號學生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目霍爾式速度傳感器的結(jié)構(gòu)和測量電路設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)1.風速測量范圍：0.0330 m/s2.風速測量誤差：±0.001×實際風速3.工作溫度范圍：-40+1504.測量電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計要求1. 理論設(shè)計方案及論證2. 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析、參數(shù)計算3. 測量電路的設(shè)計、分析、參數(shù)計算4. 繪出傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路圖5. 結(jié)合傳感器實驗平臺，設(shè)計振動速度測量實驗，推算梁振動時的振幅范圍6. 提交課程設(shè)計

2、說明書工作計劃第一周：周1周2：收集消化資料及擬定設(shè)計方案周3周5：敏感元件、傳感元件設(shè)計、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計第二周：周1周3：設(shè)計結(jié)果實驗驗證或演示周4周5：撰寫設(shè)計說明書，答辯。參考資料1. 唐文彥 傳感器（第4版）機械工業(yè)出版社 2007年2. 李科杰 新編傳感器技術(shù)手冊國防工業(yè)出版社 2002年3. 其他：傳感器原理、接口電路、設(shè)計手冊類參考書指導教師簽字基層教學單位主任簽字院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系摘要風速是最基本的氣象要素之一，氣象學的理論研究和實驗應(yīng)用離不開風速的測量，特別是微氣象學的研究與應(yīng)用，更對風速測量的精度提出了更高的要求。在測風的各種儀器中，風杯風

3、速計無疑是最常用、使用歷史最長的一種。它成本較低，使用方便。 Hal-12霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,是一種采用霍爾原理的的轉(zhuǎn)速傳感器。它的感應(yīng)對象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號，達到測速或位移檢測的發(fā)訊目的。由于安裝使用方便，通用性好，已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。因此設(shè)計中采用風杯與霍爾傳感器結(jié)合的方法測量風速，以風杯作為敏感元件，感受風速，將風速轉(zhuǎn)換成風杯的轉(zhuǎn)速，并通過霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖計數(shù)，根據(jù)每分鐘計數(shù)脈沖的個數(shù)來計算風杯的轉(zhuǎn)速，進而得出風速。目錄第一章 風杯結(jié)構(gòu).第二章 脈沖信號的獲得.第一節(jié) 霍爾效應(yīng).第二節(jié) 霍爾傳感器.第三章 風杯與霍爾傳感器

4、的組裝.第四章 硬件電路的設(shè)計.第一節(jié) 霍爾元件的補償電路.第二節(jié) Hal-12型霍爾測速傳感器電路設(shè)計.第三節(jié) 信號的計數(shù)處理.第五章 參數(shù)的計算.第六章 參考文獻.第七章 心得總結(jié).第八章 封底.第一章 風杯結(jié)構(gòu)風杯風速計的感應(yīng)部分一般由三個或四個半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120。的三叉型支架或互成90。的十字形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。在穩(wěn)定的風力作用下，風杯受到扭力矩的作用而開始旋轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速和風速成一定的關(guān)系：式中，為風速，N=，D=2r²Ab，為空氣密度，A為風杯的橫截面積，r為杯架的旋轉(zhuǎn)半徑,a和b是由風

5、杯本身所決定的常數(shù), nB1和B0分別是風杯風速計運轉(zhuǎn)時的靜摩擦力矩和動摩擦力矩, B1和B0的量很小，可以忽略,對測量結(jié)果不產(chǎn)生影響。圖1-1 風杯結(jié)構(gòu)簡圖圖1-2 風杯模型實物圖第二章 脈沖信號的獲得第一節(jié) 霍爾效應(yīng)所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差。半導體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強的霍爾效應(yīng)。 利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為 U

6、H=RHIB/d RH=1/nq（金屬）式中 RH霍爾系數(shù)： n載流子濃度或自由電子濃度； q電子電量； I通過的電流； B垂直于I的磁感應(yīng)強度； d導體的厚度。 應(yīng)該指出：霍爾效應(yīng)對于一切導電體（導體、金屬半導體）都成立。圖1-1 霍爾效應(yīng)原理圖第二節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點，所以，在測量技術(shù)、自動化技術(shù)和信息處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用，通常被用來測量位移、壓力、轉(zhuǎn)速等物理量。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結(jié)構(gòu)可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)

7、軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。在設(shè)計中使用是Hal-12霍爾傳感器，Hal-12霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,是一種采用霍爾原理的的轉(zhuǎn)速傳感器。它的感應(yīng)對象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號，達到測速或位移檢測的發(fā)訊目的。由于安裝使用方便，通用性好，已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。技術(shù)參數(shù)：1.發(fā)訊頻率：010kHz2.供電電源：1225V(

8、DC)3.負載電阻：1.0k4.檢測距離：14mm(磁鋼)6.輸出信號：矩形波幅值：近電源電壓7.環(huán)境條件：溫度：-20°C80°C相對濕度：85%8.安裝螺紋：M12×1輸出線棕色：接電源+12V；藍色：接電源地0V；黑色：接信號圖2-1 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2 Hal-12霍爾傳感器實物圖圖2-3 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)第三章 風杯與霍爾傳感器的組裝風杯與霍爾傳感器的整體組裝如圖，為盡量減小風杯的誤差，在風杯的每個轉(zhuǎn)臂上距轉(zhuǎn)軸等距離處各黏貼一片規(guī)格相同的磁鋼，使其不影響風杯的正常旋轉(zhuǎn)，將霍爾傳感器安裝在風杯的支撐軸上，使其能夠正對磁鋼的位置，當風杯轉(zhuǎn)過霍爾傳

9、感器的位置時，才能保證傳感器能感受到磁鋼產(chǎn)生的磁場，將引線沿著支架導出，接入后續(xù)轉(zhuǎn)換電路。圖3-1 風杯與霍爾傳感器組裝圖第四章 硬件電路設(shè)計第一節(jié) 霍爾元件的補償電路零位誤差的存在,影響了霍爾傳感器的測量精度。因此,在使用霍爾傳感器時,必須考慮如何克服零位誤差,以保證電路的高精度測量。1 零位誤差所謂零位誤差,就是指在無外加磁場或無控制電流的情況下,霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差稱為零位誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式:(1)不等位電動勢 不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種,它是當霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對應(yīng)的電流)作用下,不加外磁場時,霍爾輸出端之間的空載

10、電勢。不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè),致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜,致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。(2)寄生直流電勢在無磁場的情況下,通入交流電流,輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量是寄生直流電勢。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因大致上有兩個方面:由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應(yīng),使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。輸出極焊點熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。（3)感應(yīng)零電勢感應(yīng)零電勢是在未通電流的情況下,由于脈動或交變磁場

11、的作用,在輸出端產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。（4)自激場零電勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，由于元件的左右兩半場相等,故產(chǎn)生的電勢方向相反而抵消。實際應(yīng)用時由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場,使元件左右兩半場強不等,因而有霍爾電勢輸出,這一輸出電勢即是自激場零電勢。在上述的四種零位誤差中,寄生直流電勢、感應(yīng)零電勢和自激場零電勢,是由于制作工藝上的原因而造成的誤差,可以通過工藝水平的提高加以解決,而不等位電動勢所造成的零位誤差,則必須通過補償電路給予克服。2 零位誤差的補償電路在實驗中發(fā)現(xiàn),對于霍爾元件來說,不等位電動勢與不等位電阻是一致的,

12、因此,可以將霍爾元件等效為一個電橋,并通過調(diào)整其電阻的方法來進行補償圖4為霍爾元件的結(jié)構(gòu),其中A、B為控制電極,C、D為霍爾電極,在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示,等效電路如圖5所示。在理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零),從而消除不等位電動勢。實際上,若存在零位電動勢,則說明此4個電阻不完全相等即電橋不平衡。為使其達到平衡,可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻RP和R。理論上可采用三種調(diào)整方案,第一種方案為單橋臂掛可調(diào)電阻,如圖6所示;第二和第三種方案為雙橋臂掛可調(diào)電阻,如圖7、圖8所示。在多次實驗中發(fā)現(xiàn),以圖8所示

13、電路作為霍爾元件的補償電路,不但電路簡單,而且測量精度高、容易操作,可作為霍爾元件補償電路的首選。第二節(jié) Hal-12型霍爾測速傳感器電路設(shè)計在該系統(tǒng)中,利用Hal-12型霍爾測速傳感器檢測風杯轉(zhuǎn)速,輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號,達到測速目的。在構(gòu)成檢測電路時,在原電路構(gòu)成的基礎(chǔ)之上,設(shè)計了一個針對零位誤差的補償電路,通過補償電路的調(diào)節(jié),抵消了零位誤差的影響,從而提高了系統(tǒng)的測量精度。其工作原理是:風杯旋轉(zhuǎn)的同時,使霍爾元件的磁極產(chǎn)生變化,從而檢測到風杯轉(zhuǎn)速變化?；魻栐妮敵龆私拥讲顒臃糯笃鞯妮斎攵?因此,c點電壓等于d點電壓時,運算放大器無輸出;當c點電壓大于d點電壓或小于d點電壓時,有差

14、動信號輸入,這時,運算放大器輸出端有較大的輸出電壓,說明此時霍爾元件存在零位誤差,必須調(diào)節(jié)可變電阻Rp,保持c點電壓等于d點電壓。所以,由于系統(tǒng)中采用了零位誤差的補償電路(增加了可調(diào)電阻RP),可人為消除零位誤差的影響,有效的提高了轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的測量精度。圖4-1 傳感器電路圖第三節(jié) 信號的計數(shù)處理信號的計數(shù)處理采用了單片機技術(shù)，單片機的程序代碼如下測量轉(zhuǎn)速，使用霍爾傳感器，被測軸安裝有3只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生3個脈沖，要求將脈沖的頻率 F（脈沖個數(shù)/秒）顯示在數(shù)碼管上。用C語言編制的程序如下：/硬件：老版STC實驗版/P3-5口接轉(zhuǎn)速脈沖 #include <STC12C5410

15、AD.H> / 單片機內(nèi)部專用寄存器定義 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /數(shù)據(jù)類型的宏定義 uchar code LK10=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90, ;/數(shù)碼管09的字型碼 uchar LK14=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7; /位選碼 uint data z,counter; /定義無符號整型全局變量lk /= void init(void) /定義名為init的初始化子函數(shù) /init子函數(shù)開始，分別賦值 TMOD=0X5

16、1; /GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 計數(shù)器T1 定時器T0 / 0 1 0 1 0 0 0 1 TH1=0; /計數(shù)器初始值 TL1=0;TH0=(65536-50000)/256; /定時器t0 定時50ms TL0=(65536-50000)%256; EA=1; TR1=1; TR0=1; TF0=1; /= void delay(uint k)/延時程序 uint data i,j; for(i=0;i<k;i+) for(;j<121;j+) ; /= void display(void) /數(shù)碼管顯示 P1=LKz/1000;P2=LK1

17、0;delay(10); P1=LK(z/100)%10;P2=LK11;delay(10); P1=LK(z%100)/10;P2=LK12;delay(10); P1=LKz%10;P2=LK13;delay(10); /= void main(void) /主程序開始 uint temp1,temp2; init(); /調(diào)用init初始化子函數(shù) for(;) temp1=TL1;temp2=TH1; counter=(temp2<<8)+temp1; /讀出計數(shù)器值并轉(zhuǎn)化為十進制 display(); /無限循環(huán)語句結(jié)束 /主程序結(jié)束/=void timer0(void)

18、interrupt 1 using 1 TH0=(65536-50000)/256; /定時器t0 定時50ms TL0=(65536-50000)%256; z=counter /0.05 ; /讀出速度 TH1=0; /每50MS清一次定時器 TL1=0;第五章 參數(shù)的計算式中，為風速，N=，D=2r²Ab，為空氣密度，A為風杯的橫截面積，r為杯架的旋轉(zhuǎn)半徑,a和b是由風杯本身所決定的常數(shù)，Z為每秒鐘產(chǎn)生脈沖信號個數(shù)，F(xiàn)為脈沖信號的頻率，可以同過數(shù)碼管得出。nB1和B0分別是風杯風速計運轉(zhuǎn)時的靜摩擦力矩和動摩擦力矩,對測量的影響很小，可以忽略，所以風速為風杯設(shè)計具體參數(shù)如下圖所示A=R2=×252=625 mm2r=97 mm本設(shè)計中風速的具體計算公