課程設(shè)計-基于霍爾式傳感器的電子秤

PAGE《科研訓(xùn)練》設(shè)計報告設(shè)計題目基于霍爾式傳感器的電子秤指導(dǎo)老師設(shè)計者摘要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對稱重技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù)的巨大進步，大大加速了這個進程。目前，電子秤在商業(yè)銷售中的使用已相當(dāng)普遍，但在市場上仍廣泛使用的電子秤有很大局限性。這些電子秤體積大、成本高，又不便隨身攜帶，而目前市場上流行的便攜秤又大都采用桿式秤或以彈簧壓縮、拉伸變形來實現(xiàn)計量的彈簧秤等，其計量誤差大，又容易損壞。桿式秤和彈簧秤等計量器械將逐漸被淘汰。因此，一種能夠在未來更方便、更準(zhǔn)確的普及型電子秤的發(fā)展受到人們的重視，設(shè)計一種重量輕、計量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀的民用電子秤迫在眉睫。本設(shè)計過程充分利用傳感器的有關(guān)知識，利用霍爾傳感器設(shè)計的簡單電子秤很大程度上滿足了此應(yīng)用需求，并從簡單電子秤的基本構(gòu)造進一步了解大型電子秤的構(gòu)造原理。關(guān)鍵詞：CSY傳感器實驗儀；電子秤；霍爾式傳感器；差動放大器目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第一章緒論 11.1電子秤概述 11.1.1電子秤的發(fā)展 11.2電子秤的組成 11.2.1電子秤的基本結(jié)構(gòu) 11.2.2電子秤的基本工作原理 2第二章電子秤設(shè)計的目的意義及設(shè)計任務(wù)與要求 32.1電子秤設(shè)計目的 32.2此課程在教學(xué)計劃中的地位和作用 32.3電子秤設(shè)計任務(wù)與要求 32.3.1設(shè)計任務(wù) 32.3.2設(shè)計要求 3第三章電子秤總體設(shè)計方案 43.1電子秤設(shè)計思想 43.2各電路單元或部件選擇 53.2.1直流穩(wěn)壓電源的選擇 53.2.2電橋平衡網(wǎng)絡(luò)的選擇 53.2.3稱重傳感器的選擇 63.2.4差動放大器的選擇 83.2.5F/V表的選擇 93.3最終方案的確定 9第四章硬件設(shè)計 104.1硬件設(shè)計概要 104.1.1硬件電路設(shè)計原理說明及電路圖 104.1.2硬件電路設(shè)計的步驟 114.2所用到的單元或部件及其各自說明 124.2.1單元或部件列表 124.2.2直流穩(wěn)壓電源簡介 124.2.3電橋平衡網(wǎng)絡(luò)簡介 134.2.4霍爾式傳感器簡介 134.2.4.1霍爾傳感器概述 134.2.4.2霍爾傳感器工作原理 144.2.4.3霍爾傳感器型號分類 154.2.4.4霍爾傳感器的主要特性參數(shù) 154.2.4.5霍爾傳感器電磁特性 174.2.4.6霍爾傳感器的基本驅(qū)動電路 174.2.5差動放大器簡介 184.2.6F/V表功能簡介 19第五章系統(tǒng)調(diào)試與使用 205.1系統(tǒng)調(diào)試 205.2使用說明 20第六章收獲、體會 21參考文獻 23鳴謝 24PAGEPAGE23第一章緒論1.1電子秤概述1.1.1電子秤的發(fā)展稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機械到機電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性，伴隨著高科技的發(fā)展，電子秤的功能將會日趨完善。1.1.2電子秤的分類按原理分:電子秤、機械秤、機電結(jié)合秤；按功能分：計數(shù)秤、計價秤、計重秤；按用途分：工業(yè)秤、商業(yè)秤、特種秤；按放置位置分：桌面秤：指全稱量在30Kg以下的電子秤；臺秤：指全稱量在30-300Kg以內(nèi)的電子秤；地磅：指全稱量在300Kg以上的電子秤；1.2電子秤的組成1.2.1電子秤的基本結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電子秤均由以下三部分組成：承重傳力復(fù)位系統(tǒng)；它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機構(gòu)等。稱重傳感器； 即由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、聲表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要?。荒茉谳^差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置；即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補嘗元件、保護線路等）和指示部件（如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等）。這部分習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運算、變換、計數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動顯示等環(huán)節(jié)。1.2.2電子秤的基本工作原理當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力－電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（A/D）器進行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號各種運算處理都在儀表中完成。需要指出的是，由于本實驗中沒有用到單片機的有關(guān)知識，而直接使用CSY傳感器實驗儀，故經(jīng)放大電路放大的信號直接進入F/V表，從而直接得出物體重量與輸出電壓值的關(guān)系，繼而計算出靈敏度。第二章電子秤設(shè)計目的意義及設(shè)計任務(wù)與要求2.1電子秤設(shè)計目的意義本次設(shè)計旨在讓學(xué)生在熟悉掌握《傳感器技術(shù)》的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計電子秤進一步加深對傳感器技術(shù)的了解；并熟練掌握CSY傳感器試驗儀的操作方法；在不斷的創(chuàng)新嘗試中了解比較設(shè)計電子秤的四種基本方法：交流全橋、差動變壓器（互感式）、電渦流傳感器、霍爾傳感器。此次設(shè)計中主要利用霍爾式傳感器的直流激勵特性設(shè)計電子秤，在設(shè)計中主要了解霍爾式傳感器的原理與特性、霍爾式傳感器在靜態(tài)測量中的應(yīng)用。2.2此課程在教學(xué)計劃中的地位和作用此次科研訓(xùn)練涉及到《傳感器技術(shù)》這門課程，因此通過此次科研訓(xùn)練可以使學(xué)生充分了解傳感器的知識，為后續(xù)學(xué)好《傳感器技術(shù)》打下良好的基礎(chǔ)。且《傳感器技術(shù)》是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授傳感技術(shù)的整體概念和常見物理量傳感器的機理、構(gòu)成、測量電路和應(yīng)用方法，并結(jié)合實驗操作環(huán)節(jié)，增強對常見傳感器的原理、結(jié)構(gòu)的理解和認識，掌握傳感器的應(yīng)用方法，也為后繼課程如《過程控制儀表》、《計算機控制技術(shù)》等準(zhǔn)備必要知識。2.3電子秤設(shè)計任務(wù)與要求2.3.1電子秤設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個可以稱量物體的電子秤。2.3.2電子秤設(shè)計要求可以測量0-200克的物體精度為1克計算出靈敏度，將電壓表示數(shù)與物體重量相對應(yīng)。第三章電子秤總體設(shè)計方案3.1電子秤設(shè)計思想設(shè)計電子秤，可以通過構(gòu)造電路將物體質(zhì)量和指示表中數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，即使兩者呈一定的線性關(guān)系；而建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系就需利用傳感器將非電量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，可簡單通過圖3.1表示。線性對應(yīng)物體重量指示表線性對應(yīng)物體重量指示表非電量電量傳感器非電量電量傳感器圖3.1圖3.1圖3.2圖3.2電子秤各電路單元按照電子秤設(shè)計的要求，可確定電子秤電路由以下幾部分組成：主副電源部分、電橋平衡網(wǎng)絡(luò)單元、稱重傳感器部分、運算放大部分、電壓表顯示部分組成，如圖3.2所示。運算放大部分稱重傳感器電橋平衡網(wǎng)絡(luò)主副電源F/V表顯示運算放大部分稱重傳感器電橋平衡網(wǎng)絡(luò)主副電源F/V表顯示工作原理：當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力－電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進行放大，直接進入F/V表，可讀出電壓表示數(shù)，進而確定電壓表示數(shù)與被測量物體重量的關(guān)系。3.2各電路單元或部件的選擇3.2.1直流穩(wěn)壓電源的選擇直流穩(wěn)壓電源可直接從CSY傳感器實驗儀獲得，由于此設(shè)計過程采用的是直流激勵，故應(yīng)將直流穩(wěn)壓電源置+2V檔且激勵電壓不能過大，以免損壞霍爾片3.2.2電橋平衡網(wǎng)絡(luò)的選擇電橋平衡網(wǎng)絡(luò)采用CSY傳感器實驗儀左下角的電橋單元，使用時可自由調(diào)節(jié)電位繼W1,如圖3.3所示。圖圖3.3電橋平衡網(wǎng)絡(luò)3.2.3稱重傳感器的選擇稱重傳感器在電子秤中占有十分重要的位置，被喻為電子秤的心臟部件，它的性能好壞很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。通常稱重傳感器產(chǎn)生的誤差約占電子秤整機誤差的50%-70%。若在環(huán)境惡劣的條件下（如高低溫、濕熱），傳感器所占的誤差比例就更大，因此，在人們設(shè)計電子秤時，正確地選用稱重傳感器非常重要。稱重傳感器的選擇主要從以下幾個方面考慮：要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境情況；傳感器所處的工作環(huán)境情況對如何選用傳感器是至關(guān)重要的，它關(guān)系到傳感器能否正常的工作，關(guān)系到傳感器的安全和使用壽命，乃至關(guān)系到整個電子秤的可靠性和安全性。對傳感器數(shù)量和量程的選擇；傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子秤的用途、秤體需要支撐的點數(shù)（支撐點數(shù)應(yīng)根據(jù)使秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定）而定。一般來說，秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器，但是對于一些特殊的秤體，如電子吊秤，就只能采用一個傳感器，一些機電結(jié)合秤就應(yīng)根據(jù)實際情況來確定選用傳感器的個數(shù)。傳感器量程的選擇是依據(jù)秤的最大秤量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定傳感器的量程。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高，但在實際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷的存在，因此在選用傳感器量程的時候，要考慮諸如多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。稱重傳感器的種類很多，根據(jù)工作原理來分常用的有以下幾種：電阻應(yīng)變式、電容式、壓磁式、壓電式、諧振式等。1.電阻應(yīng)變式稱重傳感器：是把電阻應(yīng)變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當(dāng)方式組成電橋的一種將力（重量）轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換元件。2.電容式稱重傳感器：是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容器容量變化的一種傳感器，它是以各種不同類型的電容量作為轉(zhuǎn)換元件，實際是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器由于它存在輸出特性的非線性、寄生電容和分布電容對靈敏度和稱重精度的影響、傳感器聯(lián)接電路比較復(fù)雜等原因，直接影響到它的可靠性，所以限制了它的應(yīng)用。近些年來由于集成電路特別是微處理技術(shù)的發(fā)展，可將電子線路緊靠傳感器的極板以減小電纜分布電容的影響，并可利用微處理技術(shù)對電容式傳感器的溫度特性和非線性進行補償，所以電容式傳感器在電子稱重技術(shù)中的應(yīng)用又得到了重視，在國內(nèi)已出現(xiàn)了可與電阻應(yīng)變式傳感器電子秤準(zhǔn)確度相比的電容式臺秤和電容式吊秤等產(chǎn)品。3.壓磁式稱重傳感器：也稱磁彈性傳感器，它是一種力——電轉(zhuǎn)換的無源傳感器。它的工作原理是利用壓磁效應(yīng)，將被稱重量的變化變換成傳感器導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率變化并輸出電信號。壓磁傳感器具有輸出信號大、抗干擾性能好、過載能力強、不均勻載荷對測量準(zhǔn)確度的影響小、能在惡劣的環(huán)境中工作、結(jié)構(gòu)簡單便于加工等優(yōu)點。缺點是準(zhǔn)確度低、反應(yīng)速度慢。它常用于冶金、礦山、運輸?shù)裙I(yè)部門的承受大噸位，并要求牢固可靠、安全報警等測力或稱重場合。4.諧振式稱重傳感器：也稱頻率式傳感器，它是利用機械振子的固有頻率或石英晶體的諧振特性，隨著被稱物體重量的變化而產(chǎn)生頻率變化現(xiàn)象而形成的一種傳感器。諧振式傳感器可分為振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶體諧振式等多種類型。在稱重技術(shù)中主要采用的是振弦式稱重傳感器和振梁式稱重傳感器類的一種復(fù)合音叉振子傳感器。稱重傳感器的主要性能指標(biāo)：傳感器的輸出靈敏度傳感器在額定載荷作用下，供橋電壓為1V時的輸出電壓，單位為（mV/V）。在任一載荷下，傳感器的輸出電壓=所加載荷×供橋電壓×輸出靈敏度/額定載荷。非線性傳感器承受載荷與其相應(yīng)輸出電壓之間并非成完全的線性關(guān)系，由此而造成的誤差稱為傳感器的非線性誤差。不重復(fù)性在同一環(huán)境條件下，對傳感器反復(fù)施加某載荷時，其每次輸出的電壓值不盡相同，這種現(xiàn)象稱為傳感器的不重復(fù)性。零點不平衡輸出在傳感器不受任何載荷條件下，傳感器輸入端以額定的供橋電壓時的輸出電壓，稱為零點不平衡輸出。綜合對上述的了解以及自己做實驗的親身體驗，最終決定采用霍爾式傳感器完成此設(shè)計內(nèi)容，霍爾式傳感器單元如圖3.4所示，圖3.5為其實物圖。圖圖3.4霍爾傳感器單元圖圖3.5霍爾傳感器實物圖3.2.4差動放大器的選擇放大電路的主要性能指標(biāo)有放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等，其中放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)，有電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)；輸入電阻是從輸入端向放大電路內(nèi)看去的等效電阻，它等于放大電路輸出端接實際負載電阻后，輸入電壓與輸入電流之比；放大電路的輸出端可等效為一個信號源。在此設(shè)計中可利用傳感器試驗儀上的差動放大器單元，如圖3.6所示。圖圖3.6差動放大器單元3.2.5F/V表的選擇此F/V表是顯示差動放大器輸出的電壓值，可直接用實驗儀上的數(shù)字式電壓/頻率表即（F/V表）：3位半顯示，電壓范圍0-2V，0-20V，頻率范圍3Hz-2KHz、10Hz-20KHz，靈敏度≥50mV,如圖3.7所示。圖圖3.7F/V表3.3最終方案的確定經(jīng)過上述的思考與論證，決定設(shè)計的最終方案如下：稱重傳感器選霍爾式傳感器；電源部分、電橋平衡網(wǎng)絡(luò)、差動放大器、電壓表均按要求采用CSY傳感器實驗儀上相應(yīng)的單元。第四章硬件設(shè)計4.1硬件設(shè)計概要4.1.1硬件電路設(shè)計原理說明及電路圖+2V-2VW1r直流穩(wěn)壓電源++2V-2VW1r直流穩(wěn)壓電源+—V電橋平衡網(wǎng)絡(luò)霍爾式傳感器差動放大器電壓表圖4.1圖4.1電子秤原理圖4.1.2硬件電路設(shè)計的步驟旋鈕初始位置：差動放大器：增益旋至最小F/V數(shù)顯表：置于2V檔直流穩(wěn)壓電源：置于±2V檔主副電源關(guān)閉了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)及實驗儀上的安裝位置，熟悉實驗面板上霍爾片的符號（霍爾片安裝在實驗儀的振動圓盤上，兩個半圓永久磁鋼固定在實驗儀的頂板上，二者組合成霍爾傳感器）。開啟主副電源將差動放大器增益調(diào)至最小位置調(diào)零后，關(guān)閉主副電源，拆除差動放大器調(diào)零接線。差動放大器增益調(diào)至最小位置調(diào)零后，不再改變調(diào)零電位繼的位置。調(diào)節(jié)測微頭脫離平臺并遠離振動臺。按圖1接線，開啟主副電源，調(diào)W1電位繼使系統(tǒng)電壓輸出為零。在稱重平臺上放上砝碼，填入表4.1中。W(g)020406080100120140V(mv)0-40-83-124-165-203-238-265表4.1V-W關(guān)系表根據(jù)表4.1中數(shù)據(jù)作出V-W曲線，可看出其線性范圍為0-140g,并可得出其靈敏度S=2.03mv/g，如圖4.2所示。20406080100120140160W（g）020406080100120140160W（g）0-40-40-80-120-160-200-240-280-320V（mv）V（mv）圖4.2圖4.2V-W曲線根據(jù)線性起點移走平臺上放的多余稱重砝碼，記下此刻的表頭讀數(shù)，再在平臺上放一個未知重量之物，記下表頭讀數(shù)。根據(jù)線性區(qū)的靈敏度S可求得此物體重量。如若電壓表顯示13mv,則所稱量物體重6.4g。4.2所用到的單元或部件及其各自說明4.2.1單元或部件列表1)直流穩(wěn)壓電源；2)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)單元；3)霍爾式傳感器單元；4)差動放大器單元；5)電壓表；4.2.2直流穩(wěn)壓電源簡介由于本設(shè)計中使用的是直流激勵，故應(yīng)使用+2V直流穩(wěn)壓電源，且激勵電壓不可過大，以免損壞霍爾片。直流穩(wěn)壓電源有如下特點：輸出電壓值能在額定輸出電壓值以下任意設(shè)定和正常工作；輸出電流的穩(wěn)流值能在額定輸出電流值以下任意設(shè)定和正常工作；直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能夠自動轉(zhuǎn)換并有相應(yīng)的狀態(tài)指示；對于輸出的電壓值和電流值要求精確的現(xiàn)實和識別；對于輸出電壓和電流值有精確要求的直流穩(wěn)壓電源，一般要用多圈電位器和電壓電流微調(diào)電位器，或者直接數(shù)字輸入；要有完善的保護電路，直流穩(wěn)壓電源在輸出端發(fā)生短路及異常工作狀態(tài)時不應(yīng)損壞，在異常情況消除后能立即正常工作；4.2.3電橋平衡網(wǎng)絡(luò)簡介電橋電路是最常用的非電量電測量電路中的一種，其中直流電橋是一種精密的電阻測量儀器，具有重要的應(yīng)用價值。按電橋的測量方式可分為平衡電橋和非平衡電橋。平衡電橋是把待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進行比較，通過調(diào)節(jié)電橋平衡，從而測得待測電阻值，如單臂直流電橋(惠斯登電橋)、雙臂直流電橋(開爾文電橋)。它們只能用于測量具有相對穩(wěn)定狀態(tài)的物理量，而在實際工程中和科學(xué)實驗中，很多物理量是連續(xù)變化的，只能采用非平衡電橋才能測量；非平衡電橋的基本原理是通過橋式電路來測量電阻，根據(jù)電橋輸出的不平衡電壓，再進行運算處理，從而得到引起電阻變化的其它物理量，如溫度、壓力、形變等。本次設(shè)計中實驗儀上的電橋平衡網(wǎng)絡(luò)單元主要為了補償不等位電勢（不平衡電勢）、提供組橋插座、標(biāo)準(zhǔn)電阻和直流調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，即在連好電路打開主副電源后，調(diào)W1電位繼使系統(tǒng)電壓輸出為零，補償不等位電勢，以免在后續(xù)測量中產(chǎn)生大的誤差。4.2.4霍爾式傳感器簡介4.2.4.1霍爾傳感器概述霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用?；魻柶骷且环N磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點：結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。4.2.4.2霍爾傳感器工作原理霍爾式傳感器是由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。當(dāng)霍爾元件通過恒定電流、霍爾元件在梯度磁場中上、下移動時，輸出的霍爾電勢V取決于其在磁場中的位移量X，所以測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾元件的靜位移量，如圖4.3所示。圖4.3圖4.3霍爾傳感器內(nèi)部原理圖霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。當(dāng)有B作用時，由于洛倫茲力的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)，并使該邊積累電子，而另一邊則積累電荷，于是產(chǎn)生電場。該電場阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場作用在運動電子上的電場力與洛倫茲力相等時，電子積累便達到動態(tài)平衡。這時建立的電場稱為霍爾電場，霍爾效應(yīng)原理圖如圖4.4所示。圖4.4圖4.4霍爾效應(yīng)原理圖霍爾電勢可用公式（4.1）表示公式（4.1）公式（4.1）1）霍爾電壓Uh與材料的性質(zhì)有關(guān)n愈大，Kh愈小，霍爾靈敏度愈低；n愈小，Kh愈大，但n太小，需施加極高的電壓才能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料2）霍爾電壓Uh與元件的尺寸有關(guān)。d愈小，Kh愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加?；魻栯妷篣h與控制電流及磁場強度成正比，當(dāng)磁場改變方向時，也改變方向。4.2.4.3霍爾傳感器型號分類國產(chǎn)霍爾傳感器型號有HZ-1、HZ-2、HZ-3、HZ-4、HT-1、HT-2、HS-1等，其命名方法如圖4.5所示。HH漢語拼音字母H代表霍爾元件Z—鍺T—銻化銦S—砷化銦漢語拼音字母代表霍爾元件漢語拼音字母H代表霍爾元件Z—鍺T—銻化銦S—砷化銦漢語拼音字母代表霍爾元件材料圖4.5圖4.5圖4.5國產(chǎn)霍爾傳感器命名方法圖4.5國產(chǎn)霍爾傳感器命名方法4.2.4.4霍爾傳感器的主要特性參數(shù)1.輸入電阻Ri和輸出電阻RoRi是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，Ro是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω，霍爾傳感器的等效電路可如圖4.6所示。圖4.6圖4.6霍爾傳感器等效電路2.額定控制電流Ic和最大控制電流Icm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時所施加的控制電流稱為額定控制電流Ic。在相同的磁感應(yīng)強度下，Ic值較大則可獲得較大的霍爾輸出，霍爾元件限制Ic一般鍺元件的最大允許溫升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。當(dāng)霍爾元件的溫升達到ΔTm時的Ic就是最大控制電流3.不等位電勢Uh在額定控制電流Ic之下，不加磁B＝0時，霍爾電極間的空載霍爾電勢Uh≠0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求霍爾元件的Uh<1mV，好的霍爾元件的Uh可以小于0.1mV。不平衡電勢Uh是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如圖4.7所示，當(dāng)控制電流I流過時，即使未加外磁場，A、B兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）Uh。圖4.7圖4.7不平衡電勢Uh產(chǎn)生原理圖4.2.4.5霍爾傳感器電磁特性霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P，并將P轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移量X，即X＝KpP，其中系數(shù)Kp為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻梯度磁場，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B＝KbX，其中斜率Kb為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是X，這樣，霍爾電勢Uh與被測壓力P之間的關(guān)系就可表示為Uh＝KhIB＝KhIKbKpP＝KP，式中KhIKbKp＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度，具體內(nèi)部原理及磁場B與位移X的關(guān)系分別如（圖4.8、圖4.9）所示?；魻栐﨨S霍爾元件2X2XS