霍爾式速度傳感器

1、霍爾式速度傳感器課程設計說明書所在學院：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計課程設計任務書學號學生姓名專業(yè)（班級）設計題目霍爾式速度傳感器的結構和測量電路設計設計技術參數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.測量電路和結構設計設計要求1. 理論設計方案及論證2. 傳感器結構設計、理論分析、參數計算3. 測量電路的設計、分析、參數計算4. 繪出傳感器的結構示意圖和測量電路圖5. 結合傳感器實驗平臺，設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計方案周3周5：敏感元件、傳感元件設計、轉換電路設計第二周：周1周3：設計結果實驗驗證或演示周4周5：撰寫設計說明書，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用離不開風速的測量，特別是微氣象學的研究與應用，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霍爾轉速傳感器,是一種采用霍爾原理的的轉速傳感器。它的感應對象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉動時，傳感器輸出與旋轉頻率相關的脈沖信號，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，已被廣泛應用于各種領域。因此設計中采用風杯與霍爾傳感器結合的方法測量風速，以風杯作為敏感元件，感受風速，將風速轉換成風杯的轉速，并通過霍爾傳感器產生脈沖計數，根據每分鐘計數脈沖的個數來計算風杯的轉速，進而得出風速。目錄第一章 風杯結構.第二章 脈沖信號的獲得.第一節(jié) 霍爾效應.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計.第三節(jié) 信號的計數處理.第五章 參數的計算.第六章 參考文獻.第七章 心得總結.第八章 封底.第一章 風杯結構風杯風速計的感應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，它的轉速和風速成一定的關系：式中，為風速，N=，D=2r²Ab，為空氣密度，A為風杯的橫截面積，r為杯架的旋轉半徑,a和b是由風

5、杯本身所決定的常數, nB1和B0分別是風杯風速計運轉時的靜摩擦力矩和動摩擦力矩, B1和B0的量很小，可以忽略,對測量結果不產生影響。圖1-1 風杯結構簡圖圖1-2 風杯模型實物圖第二章 脈沖信號的獲得第一節(jié) 霍爾效應所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發(fā)現的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應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極強的霍爾效應。 利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關系為 U

6、H=RHIB/d RH=1/nq（金屬）式中 RH霍爾系數： 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的磁感應強度； d導體的厚度。 應該指出：霍爾效應對于一切導電體（導體、金屬半導體）都成立。圖1-1 霍爾效應原理圖第二節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應實現磁電轉換的一種傳感器，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、自動化技術和信息處理等方面得到了廣泛的應用，通常被用來測量位移、壓力、轉速等物理量。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉

7、軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現旋轉一周，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)現場應用廣泛。在設計中使用是Hal-12霍爾傳感器，Hal-12霍爾轉速傳感器,是一種采用霍爾原理的的轉速傳感器。它的感應對象為磁鋼。當被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉動時，傳感器輸出與旋轉頻率相關的脈沖信號，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，已被廣泛應用于各種領域。技術參數：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 霍爾傳感器結構示意圖圖2-2 Hal-12霍爾傳感器實物圖圖2-3 霍爾傳感器結構參數第三章 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，在風杯的每個轉臂上距轉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，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生的磁場，將引線沿著支架導出，接入后續(xù)轉換電路。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,霍爾元件產生輸出電壓并由此而產生的誤差稱為零位誤差。它主要表現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,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,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生溫差電動勢。（3)感應零電勢感應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,在輸出端產生的電動勢。根據電磁感應定律,感應電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構成的感應面積成正比。（4)自激場零電勢霍爾元件控制電流產生自激場，由于元件的左右兩半場相等,故產生的電勢方向相反而抵消。實際應用時由于控制電流引線也產生磁場,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,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,并通過調整其電阻的方法來進行補償圖4為霍爾元件的結構,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可調電阻RP或在兩個臂上同時并聯電阻RP和R。理論上可采用三種調整方案,第一種方案為單橋臂掛可調電阻,如圖6所示;第二和第三種方案為雙橋臂掛可調電阻,如圖7、圖8所示。在多次實驗中發(fā)現,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計在該系統中,利用Hal-12型霍爾測速傳感器檢測風杯轉速,輸出與旋轉頻率相關的脈沖信號,達到測速目的。在構成檢測電路時,在原電路構成的基礎之上,設計了一個針對零位誤差的補償電路,通過補償電路的調節(jié),抵消了零位誤差的影響,從而提高了系統的測量精度。其工作原理是:風杯旋轉的同時,使霍爾元件的磁極產生變化,從而檢測到風杯轉速變化?；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,由于系統中采用了零位誤差的補償電路(增加了可調電阻RP),可人為消除零位誤差的影響,有效的提高了轉速檢測系統的測量精度。圖4-1 傳感器電路圖第三節(jié) 信號的計數處理信號的計數處理采用了單片機技術，單片機的程序代碼如下測量轉速，使用霍爾傳感器，被測軸安裝有3只磁鋼，即轉軸每轉一周，產生3個脈沖，要求將脈沖的頻率 F（脈沖個數/秒）顯示在數碼管上。用C語言編制的程序如下：/硬件：老版STC實驗版/P3-5口接轉速脈沖 #include <STC12C5410

15、AD.H> / 單片機內部專用寄存器定義 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /數據類型的宏定義 uchar code LK10=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90, ;/數碼管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 /init子函數開始，分別賦值 TMOD=0X5

16、1; /GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 計數器T1 定時器T0 / 0 1 0 1 0 0 0 1 TH1=0; /計數器初始值 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(); /調用init初始化子函數 for(;) temp1=TL1;temp2=TH1; counter=(temp2<<8)+temp1; /讀出計數器值并轉化為十進制 display(); /無限循環(huán)語句結束 /主程序結束/=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為杯架的旋轉半徑,a和b是由風杯本身所決定的常數，Z為每秒鐘產生脈沖信號個數，F為脈沖信號的頻率，可以同過數碼管得出。nB1和B0分別是風杯風速計運轉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，所以風速為風杯設計具體參數如下圖所示A=R2=×252=625 mm2r=97 mm本設計中風速的具體計算公