霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)演示文稿

霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)演示文稿第一頁，共四十一頁。（優(yōu)選）霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).第二頁，共四十一頁。工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，例如在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中，有著重要的意義。第三頁，共四十一頁。目前國內(nèi)外測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的設(shè)計(jì)理論可分為以下幾種。模擬測(cè)速法同步測(cè)速法計(jì)數(shù)測(cè)速法第四頁，共四十一頁。型式測(cè)量方法使用范圍特點(diǎn)備注計(jì)數(shù)式機(jī)械式通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)字輪中、低速簡單、價(jià)廉

光電式來自被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上的光線使光電管產(chǎn)生電脈沖中、高速

數(shù)字式電磁式利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變換成脈沖中、高速

數(shù)字式模擬式機(jī)械式利用離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比的關(guān)系中、低速簡單

發(fā)電機(jī)式利用電機(jī)電流或交流電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系高速可遠(yuǎn)距離指示測(cè)速發(fā)電機(jī)不同測(cè)量方法的比較如下表所示第五頁，共四十一頁。型式測(cè)量方法使用范圍特點(diǎn)備注模擬式電容式利用電容充、放電與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系中、高速

同步式機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)帶槽的圓盤，觀察旋轉(zhuǎn)體的同步關(guān)系中速

閃光式用已知頻率閃光測(cè)出旋轉(zhuǎn)體同步的頻率中、高速

第六頁，共四十一頁。幾種常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法（1）直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器：它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測(cè)軸相連接，光源發(fā)出的光，通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測(cè)轉(zhuǎn)速1.光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量：光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。

即n=f/N式中：n-轉(zhuǎn)速f-脈沖頻率N-圓盤開孔數(shù)。第七頁，共四十一頁。（2）反射式光電傳感器：

它主要由被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件、反光片（或反光貼紙）、反射式光電傳感器組成，在可以進(jìn)行精確定位的情況下，在被測(cè)部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片或反光貼紙會(huì)取得較好的測(cè)量效果。在本實(shí)驗(yàn)中，由于測(cè)試距離近且測(cè)試要求不高，僅在被測(cè)部件上只安裝了一片反光貼紙，因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上的反光貼紙通過光電傳感器前時(shí)，光電傳感器的輸出就會(huì)跳變一次。通過測(cè)出這個(gè)跳變頻率f，就可知道轉(zhuǎn)速n。即n=f

如果在被測(cè)部件上對(duì)稱安裝多個(gè)反光片或反光貼紙，那么，n=f/N。N-反光片或反光貼紙的數(shù)量反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖第八頁，共四十一頁。（1）面積變化型：

圖3中是面積變化型的原理，圖中電容式轉(zhuǎn)速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成?？蓜?dòng)金屬板處于電容量最大的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180°時(shí)則處于電容量最小的位置。電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速?？赏ㄟ^直流激勵(lì)、交流激勵(lì)和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉(zhuǎn)速的測(cè)量信號(hào)。2.電容式轉(zhuǎn)速測(cè)量：電容式轉(zhuǎn)速傳感器是一種常用于小負(fù)荷轉(zhuǎn)速測(cè)量和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)量的電參數(shù)型數(shù)字式傳感器。它同其它數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器一樣,主要是由預(yù)變換元件和變換元件兩測(cè)量中應(yīng)用較多。第九頁，共四十一頁。

介質(zhì)變化型是在電容器的兩個(gè)固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的。

可動(dòng)介質(zhì)板與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，電容器板間的介電常數(shù)發(fā)生周期性變化而引起電容量的周期性變化，其速率等于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。

圖中齒輪外沿面作為電容器的動(dòng)極板,當(dāng)電容器定極板與齒頂相對(duì)時(shí),電容量最大,而與齒隙相對(duì)時(shí),電容量最小。因此,電容量的變化頻率應(yīng)與齒輪的轉(zhuǎn)頻成正比

。（2）介質(zhì)變化型：第十頁，共四十一頁。變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

它屬于變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類型，電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可制成轉(zhuǎn)速傳感器。

電感式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用較廣，它利用磁通變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其電勢(shì)大小取決于磁通變化的速率。這類傳感器按結(jié)構(gòu)不同又分為開磁路式和閉磁路式兩種。（1）開磁路式轉(zhuǎn)速傳感器（圖4a）結(jié)構(gòu)比較簡單，輸出信號(hào)較小，不宜在振動(dòng)劇烈的場(chǎng)合使用。（2）閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)齒輪、線圈和永久磁鐵構(gòu)成（圖4b）。內(nèi)、外齒輪有相同的齒數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)軸上一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)、外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。測(cè)出電勢(shì)的大小便可測(cè)出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。第十一頁，共四十一頁?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器原理：是一種采用霍爾原理的的轉(zhuǎn)速傳感器。它的感應(yīng)對(duì)象為磁鋼。當(dāng)被測(cè)體上嵌入磁鋼，隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，達(dá)到測(cè)速目的。優(yōu)點(diǎn)：安裝使用方便，通用性好可執(zhí)行性高、易操作、精度高同時(shí)誤差比較小，適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境霍爾傳感器本身具有不怕灰塵、油污，安裝簡易，不易損壞

所以霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是轉(zhuǎn)速傳感器中的戰(zhàn)斗機(jī)。第十二頁，共四十一頁?；魻栃?yīng)：置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體,當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí),載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器。

霍爾電位差UH的基本關(guān)系為UH=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(qiáng)度；d——導(dǎo)體的厚度。第十三頁，共四十一頁?；魻栐舾性焊鶕?jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；魻栐疽鈭D第十四頁，共四十一頁。組成部分：

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈，而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。第十五頁，共四十一頁。霍爾元件圖片第十六頁，共四十一頁。下面通過一個(gè)實(shí)際的測(cè)轉(zhuǎn)速例子來講解霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器在設(shè)計(jì)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(duì)象為磁鋼。當(dāng)被測(cè)體上嵌入磁鋼，隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，達(dá)到測(cè)速或位移檢測(cè)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：0~10kHz2.供電電源：12~25V(DC)3.負(fù)載電阻：≥1.0kΩ4.檢測(cè)距離：1~4mm(磁鋼)6.輸出信號(hào)：矩形波幅值：近電源電壓7.環(huán)境條件：溫度：-20°C～80°C

相對(duì)

濕度：≤85%第十七頁，共四十一頁。Hal-12霍爾傳感器實(shí)物圖第十八頁，共四十一頁。Hal-12霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)第十九頁，共四十一頁?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器傳感頭當(dāng)圓形磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁盤上不同磁性的小磁鋼交替變化，引起磁力的交替簡化，磁力穿過傳感器上感應(yīng)元件時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)經(jīng)過霍爾芯片的放大整形輸出，再輸入到轉(zhuǎn)換電路。注釋：磁盤每轉(zhuǎn)一圈，與感應(yīng)元件就接觸一次，感應(yīng)元件感應(yīng)磁場(chǎng)的變化通過上拉電阻在輸出口會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有效電平。第二十頁，共四十一頁?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器內(nèi)置電路圖傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號(hào)第二十一頁，共四十一頁。第二十二頁，共四十一頁。圓盤貼兩個(gè)磁鋼時(shí)，設(shè)每秒計(jì)數(shù)到N個(gè)值，則轉(zhuǎn)速=N/2(r/s)。則N/2(r/s)=30N(r/min)。即只要將計(jì)數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速模擬輸出的矩形脈沖圖第二十三頁，共四十一頁。理想的輸出圖第二十四頁，共四十一頁。過程分析：

磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖,檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù),便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。

磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。輸入輸出關(guān)系圖第二十五頁，共四十一頁。OH137AT89C5110K20pfVCC+5VSNNSUO霍爾式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)硬件電路圖第二十六頁，共四十一頁。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路1）轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的基本組成：2）轉(zhuǎn)速測(cè)量基本方法定數(shù)采樣：這種方法其實(shí)是測(cè)量單個(gè)脈沖的周期或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)周法。

定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測(cè)量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)頻法。頻率→電壓轉(zhuǎn)換(f/V)頻率→轉(zhuǎn)速N=f/分頻數(shù)單位r/minr/s電機(jī)霍爾傳感器LED顯示信號(hào)處理單片機(jī)第二十七頁，共四十一頁。采用“M”法的轉(zhuǎn)速測(cè)量（測(cè)頻法）在一定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，測(cè)量輸入脈沖產(chǎn)生的脈沖數(shù)M1來測(cè)量轉(zhuǎn)速，如圖所示第二十八頁，共四十一頁。第二十九頁，共四十一頁。硬件仿真圖第三十頁，共四十一頁。誤差分析第三十一頁，共四十一頁。第三十二頁，共四十一頁。預(yù)計(jì)的實(shí)物效果第三十三頁，共四十一頁?；魻栐难a(bǔ)償電路

1.零位誤差：

就是指在無外加磁場(chǎng)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。要表現(xiàn)為以下幾種具體形式：

1)不等位電動(dòng)勢(shì)：

不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種,它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10℃所對(duì)應(yīng)的電流)作用下,不加外磁場(chǎng)時(shí),霍爾輸出端之間的空載電勢(shì)。不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè),致使兩電極點(diǎn)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(dòng)勢(shì)。第三十四頁，共四十一頁。

2)寄生直流電勢(shì)

在無磁場(chǎng)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(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因大致上有兩個(gè)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(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。

3)感應(yīng)零電勢(shì)感應(yīng)零電勢(shì)是在未通電流的情況下,由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)的作用,在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)零電勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場(chǎng)，由于元件的左右兩半場(chǎng)相等,故產(chǎn)生的電勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場(chǎng),使元件左右兩半場(chǎng)強(qiáng)不等,因而有霍爾電勢(shì)輸出,這一輸出電勢(shì)即是自激場(chǎng)零電勢(shì)。在上述的四種零位誤差中,寄生直流電勢(shì)、感應(yīng)零電勢(shì)和自激場(chǎng)零電勢(shì),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(dòng)勢(shì)所造成的零位誤差,則必須通過補(bǔ)償電路給予克服。第三十五頁，共四十一頁。2.零位誤差的補(bǔ)償電路

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于霍爾元件來說,不等位電動(dòng)勢(shì)與不等位電阻是一致的,因此,可以將霍爾元件等效為一個(gè)電橋,并通過調(diào)整其電阻的方法來進(jìn)行補(bǔ)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。第三十六頁，共四十一頁。

在理想情況,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零(或零位電阻為零),從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上,若存在零位電動(dòng)勢(shì),則說明此4個(gè)電阻不完全相等即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡,可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在