霍爾傳感器位移測量電路的設計說明

1、本科課程設計報告題目霍爾傳感器位移測量電路的設計課程名稱:虛擬仿真技術指導教師：新燕班級學生（學號）同組學生同組學生10電本一建1050720030完成時間： 2013.5.16物理與電子信息學院電子信息系二一三年14 / 16目 錄第一章 虛擬儀器課程設計的意義與任務21.1課程設計的意義21.2 課程設計任務說明2第二章關于虛擬儀器和Labview22.1 虛擬儀器簡介22.2 Labview概述32.2.1 Labview的發(fā)展歷程32.2.2 什么是VI？32.2.3 Labview的操作面板3第三章 霍爾傳感器位移測量電路的設計53.1 設計要求53.2測量電路原理與設計53.2.1

2、 模型的建立53.2.2 放大電路設計6第四章 對電路仿真分析74.1 交流分析74.2 傅里葉分析84.3 直流掃描分析84.4 傳遞函數(shù)分析94.5 參數(shù)掃描分析9第五章 LabVIEW顯示模塊設計105.1 位移測量子程序的設計105.2 接口電路的設計與編譯11第六章總結15第一章 虛擬儀器課程設計的意義與任務1.1課程設計的意義虛擬儀器是隨著計算機技術、電子測量技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型儀器。在國外，虛擬儀器技術已經(jīng)比較熟了，由于其很強的靈活性，使得該技術非常適用于現(xiàn)代復雜的測試測量系統(tǒng)中。近幾年，虛擬儀器技術在國的發(fā)展勢也越來越受到重視。成熟的虛擬儀器技術由三大部分組成：高效

3、的軟件編程環(huán)境、模塊化儀器和一個支持模塊化I/O集成的開放的硬件構架，該課程設計的目的就是，通過一些功能簡單的儀表系統(tǒng)的設計，要在這三個方面上有更深一步的了解。 1.2 課程設計任務說明用霍爾傳感器設計一個量程圍為-0.6mm0.6mm的位移測量儀?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獙崿F(xiàn)磁電轉換的一種傳感器。當霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電位小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當物體在一對相對的磁鐵中水平運動時，在一定的圍，磁場的大小隨位移的變化而發(fā)生線性變化，利用此原理可制成位移測量器。通過本設計，要掌握以下容：1）了解霍爾傳感器測量位移的原理；2）掌握霍爾元件的測量電路；3）熟悉

4、Labview 虛擬儀器向Multisim 10.0的導入方法；4）測量電路硬件實現(xiàn)后，當輸出模擬信號，會用數(shù)據(jù)采集卡進行采集；5）掌握采集后的信號在LabVIEW中的處理，實現(xiàn)位移值的顯示；6）了解分別采用軟件仿真和實際硬件電路時，在LabVIEW中編程與處理的 不同。第二章關于虛擬儀器和Labview2.1 虛擬儀器簡介和傳統(tǒng)的實物儀器相比，虛擬儀器是一種全新的概念。它是利用計算機的硬件資源（CPU、存儲器、顯示器、鍵盤、鼠標）、標準數(shù)字電路（GPIB、RS-232接口總線、新型的VXI接口總線、信號調理和轉換電路、圖像采集電路、現(xiàn)場總線）以與計算機軟件資源（數(shù)據(jù)分析與表達、過程通信。圖像

5、用戶界面等），經(jīng)過有針對性的開發(fā)測試，使之成為一套相當于使用者自己設計的傳統(tǒng)儀器。 不管是傳統(tǒng)實物儀器還是虛擬儀器，儀器大多由以下三大功能模塊組成：對被測信號的采集和控制模塊、分析與處理模塊，以與測得結果的表達與輸出模塊。傳統(tǒng)儀器的這些功能度是以硬件（或固體化的軟件）的形式存在的。將這些功能移植到計算機上完成，在計算機上插上數(shù)據(jù)采集卡，然后利用軟件在屏幕上生成儀器面板，并且用軟件來進行信號分析處理，這就構成了一臺虛擬儀器。 簡單的說，虛擬儀器技術就是用戶自定義的基于PC技術的測試和測量解決方案。相對于傳統(tǒng)儀器，它有四大優(yōu)勢：性能高、擴性強、開發(fā)時間長、完美的集成功能。 虛擬儀器的五大特點： 具

6、有可變性、多層性、自主性的面板。 強大的信號處理功能。 虛擬儀器的功能、性能、指標可有用戶定義。 具有標準的、功能強大的接口總線、板卡以與相應軟件。 虛擬儀器具有開發(fā)周期短、成本低、維護方便、易于應用的特點。2.2 Labview概述2.2.1 Labview的發(fā)展歷程Labview是美國國家儀器公司（National Instrument 簡稱NI公司）推出的一門圖形化編程語言，同時也是優(yōu)秀而著名的虛擬儀器開發(fā)平臺。Labview是laboratory virtual instrument engineering workbench的英文縮寫，即實驗室虛擬儀器集成環(huán)境，是一種圖形化的編程語言

7、G語言。 綜上所示，Labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。2.2.2 什么是VI？用labview開發(fā)出的應用程序被稱為VI(virtual instrument,即虛擬儀器)。VI是由圖標、連線以與框圖構成的應用程序，由front panel(前面板)和block diagram(兩部分構成)。前面板是應用程序的界面，是人機交互的窗口，主要由controls（控制量）和indicators（顯示量）構成。后面板是VI的代碼部分，也是V

8、I的核心。后面板主要由圖標、連線和框圖構成，這些圖標、連線和框圖實際上是一些常量、變量、函數(shù)、Vis，正是它們構成了VI的主體。2.2.3 Labview的操作面板在LabVIEW的用戶界面上，應特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。（如圖22）這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。圖1-2 工具模塊、控制模塊、函數(shù)模塊（1） 工具模板（Tools Palette）該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模

9、板。當從模板選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀。當從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板選定的任一種工具光標放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標上，就會顯示相應的幫助信息。（2）控制模板（Control Palette）該模板用來給前面板設置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標右鍵，以彈出控制模板。（3）功能模板(Functions Palette)只有打開了流程圖程序窗口

10、，才能出現(xiàn)功能模板。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板。第三章 霍爾傳感器位移測量電路的設計3.1 設計要求用霍爾傳感器設計一個量程圍為-0.6mm0.6mm的位移測量儀。霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉換的一種傳感器。當霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電位小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當物體在一對相對的磁鐵中水平運動時，在一定的圍，磁場的大小隨位移的變化而發(fā)生線性變化，利用此原理可制成位移測量器。通過本

11、設計，要掌握以下容：1）了解霍爾傳感器測量位移的原理；2）掌握霍爾元件的測量電路；3）熟悉LabView虛擬儀器向Multisim 10.0的導入方法；4）測量電路硬件實現(xiàn)后，當輸出模擬信號，會用數(shù)據(jù)采集卡進行采集；5）掌握采集后的信號在LabVIEW中的處理，實現(xiàn)位移值的顯示；6）了解分別采用軟件仿真和實際硬件電路時，在LabVIEW中編程與處理的不同。3.2測量電路原理與設計3.2.1 模型的建立霍爾傳感器基于霍爾效應，用公式表示如下：式中: VH為霍爾電壓； KH為霍爾元件靈敏度； I為控制電流； B為垂直于霍爾元件表面的磁感應強度。兩塊相對的磁鐵間形成磁場，當物體在沿垂直于磁場方向運動

12、時，在一定的測量圍，磁感應強度與位移的關系是近似線性的。所以輸出電壓與位移也存在線性關系。圖1為實際霍爾傳感器測量位移的特性。圖1 霍爾傳感器霍爾傳感器測量位移的特性可見在-0.6mm0.6mm之間，電壓位移關系近似線性。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，由于實際數(shù)據(jù)是經(jīng)過放大后的數(shù)據(jù)，在擬合前要將數(shù)據(jù)除以放大倍數(shù)。擬合后的數(shù)學表達式為：式中:VH為霍爾元件輸出電壓，單位為mV；X為被測位移量，單位為mm。由以上分析可知，霍爾位移傳感器只在很小的圍呈線性，所以它是用來測量微小位移的。在Mulitisim中霍爾傳感器模型的建立如圖2所示，它的測量圍是-0.6mm0.6mm。V1可模擬位移，壓控電壓源V2模擬霍

13、爾元件隨位移而變化的輸出電壓VH。圖2 霍爾傳感器模型 圖中1、2為激勵電極；3、4為霍爾電極3.2.2 放大電路設計霍爾傳感器的電動勢一般為毫伏量級，因此，實際使用時必須加放大電路，此處假的是差分放大電路，如圖3所示。圖 3 差分放大電路第四章 對電路仿真分析4.1 交流分析將圖3所示電路的1和2節(jié)點之間改接一個交流電源,設其幅度和頻率分別為1V和50Hz，然后對電路進行交流分析，設開始和截止頻率分別為1 Hz和10 MHz，輸出節(jié)點選擇節(jié)點10，其他設置按默認設置，仿真結果如圖所示，該放大電路的帶寬約100KHz。交流分析結果4.2 傅里葉分析電路的輸入端仍然接上面的交流源，對電路進行傅里

14、葉分析。輸出節(jié)點仍然選擇10，分析結果如圖所示，由圖可知，電路的總諧波失真(THD)較小，各次諧波的幅值也非常小。傅里葉分析結果4.3 直流掃描分析按圖3所示，輸入端接霍爾傳感器模型，對模擬實際位移量的電壓源V1進行直流參數(shù)掃描分析。輸出節(jié)點選擇節(jié)點10，掃描分析結果如圖，由圖可知，在-0.60.6mm位移圍，電路的輸出近似線性。直流參數(shù)掃描分析結果4.4 傳遞函數(shù)分析將放大電路的輸入端改接一小信號直流電壓源作為輸入源，然后進行傳遞函數(shù)分析，結果如圖所示。放大電路的放大倍數(shù)約為-4.8倍，電路輸入阻抗約為20K，輸出阻抗約為0.024。傳遞函數(shù)分析結果4.5 參數(shù)掃描分析滑動變阻器Rw1的中心

15、抽頭打在中間位置不變，對電阻R3的阻值進行參數(shù)分析掃描，分析其大小的變化對電路放大倍數(shù)的影響。參數(shù)掃描的分析結果如圖所示，由于電阻R4為51K，所以當反饋回路上的總電阻和R4的阻值不相等，即參數(shù)不對稱時，放大倍數(shù)并不等于反饋回路總電阻與R1阻值的比值，還和R4有關。參數(shù)分析掃描結果4.6 實驗數(shù)據(jù)處理電路調好后進行仿真，可得如表所示的實驗結果。 實驗結果位移X(mm)-0.6-0.4-0.200.20.40.6電壓Uo（mV）464.408309.659154.9110.162598-154.586-309.334-464.083用MATLAB進行對上表的實驗結果擬合后得：第五章 LabVIE

16、W顯示模塊設計5.1 位移測量子程序的設計由上節(jié)公式可得位移表達式：根據(jù)上式，可建立一個子VI，其程序框圖如圖：圖4程序框圖并定義圖標與連接器：雙擊右上角圖標編輯后如圖所示。用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標窗格，在快捷菜單中選擇Show Connector，此時連接窗格為默認模式，右鍵點選一種單輸入單輸出的模式，左邊窗格與時域信號采集器Input相關聯(lián)，右邊窗格與位移顯示相關聯(lián)。關聯(lián)后的連接器窗格見圖（b）。完成上述工作后，將設計好的VI保存。(b)連接器(a)圖標5.2 接口電路的設計與編譯 把Multisim安裝目錄下Sampling>>LabVIEWInstruments&g

17、t;>Templates>>Input文件夾拷貝到另外一個地方。在LabVIEW 中打開步驟中所拷貝的StarterInputI-nstrument .lvproj工程，如圖5。接口電路的設計是在Starter Input Instrument.vit中進行。圖5 StarterInputInstrument .lvproj工程圖打開Starter Input Instrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設計。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結構下拉菜單中的Update DATA選項進行修改。按框圖中的說明，在結構框中右鍵點擊選擇Select a VI，把在LabVIE

18、W完成的子VI添加在Update DAT-A框中即可。子VI輸入端Input與Multisim的對儀器的輸入端相連，在子VI的輸出端點擊右鍵創(chuàng)建位移指示表，如圖6所示。程序框圖設計好后，要進行前面板的設計，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設計好的前面板如圖7所示。之后選擇重命名，保存為proj.vit圖6 接口部分設計圖7 前面板設計編譯之前，要對虛擬儀器進行基本信息設置。打開subVIs下的Starter Input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，如圖8所示，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標識，如一起設為plotterproj。同時把輸入端口數(shù)設為1，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口設為0，此模塊不需要輸出。設置完后另存為proj_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必須一致。圖8 虛擬儀器基本信息的修改編譯屬性設置：打開Build Specifications，右鍵點擊Source Distribution，選擇屬性設置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名，如proj.lib。同時在原文件設置中選擇總是包括所有