霍爾式速度傳感器

《霍爾式速度傳感器》課程設(shè)計(jì)說明書所在學(xué)院：電氣工程學(xué)院指導(dǎo)教師：_學(xué)生姓名：_學(xué)號(hào)：_日期：

燕山大學(xué)《傳感器原理與設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書號(hào)學(xué)班/(\業(yè)}專級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)速風(fēng)S際m/實(shí)°C0X55311~00500aO計(jì)a土--設(shè) 構(gòu)圍差圍結(jié)范誤范和量量度路則則曰皿電虜虜館量風(fēng)風(fēng)工測(cè)1.23.4.設(shè)計(jì)要求算圖測(cè)m算頓速證si御無為書案跖跖6的舸出計(jì)結(jié)路感感圍楹設(shè)器電傳傳范課侖感S出合幅亠父期後測(cè)繪結(jié)痢舟1.工作計(jì)劃案轉(zhuǎn)、、-刁。設(shè)設(shè)寅辯2535周周周周~~~~1314周周周周????周周一一一第第一參考資料一傑融接彥杰「文科他唐李其1.23.字簽任主位學(xué)教層基字簽帀指院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系摘要風(fēng)速是最基本的氣象要素之一，氣象學(xué)的理論研究和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用離不開風(fēng)速的測(cè)量，特別是微氣象學(xué)的研究與應(yīng)用，更對(duì)風(fēng)速測(cè)量的精度提出了更高的要求。在測(cè)風(fēng)的各種儀器中，風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)無疑是最常用、使用歷史最長(zhǎng)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(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。因此設(shè)計(jì)中采用風(fēng)杯與霍爾傳感器結(jié)合的方法測(cè)量風(fēng)速，以風(fēng)杯作為敏感元件，感受風(fēng)速，將風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速，并通過霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)每分鐘計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)來計(jì)算風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得出風(fēng)速。目錄第一章風(fēng)杯結(jié)構(gòu) AA*—第二章脈沖信號(hào)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(fēng)杯與霍爾傳感器的組裝 第四章硬件電路的設(shè)計(jì) 第一節(jié)霍爾元件的補(bǔ)償電路 第二節(jié)Hal-12型霍爾測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)...第三節(jié)信號(hào)的計(jì)數(shù)處理 AA* VA第五章參數(shù)的計(jì)算 AtA-、.*?第六章參考文獻(xiàn) 第七章心得總結(jié) 第八章封底 第一章風(fēng)杯結(jié)構(gòu)風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)的感應(yīng)部分一般由三個(gè)或四個(gè)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(gè)方向排列，整個(gè)橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。在穩(wěn)定的風(fēng)力作用下，風(fēng)杯受到扭力矩的作用而開始旋轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速成一定的關(guān)系：2Nu2-B02Nun=Bi+Du^~D~式中，卩為風(fēng)速，D=2nr2pAbi,P為空氣密度，A為風(fēng)杯的橫截面積,r為杯架的旋轉(zhuǎn)半徑,ai和bi是由風(fēng)杯本身所決定的常數(shù),nBi和B0分別是風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的靜摩擦力矩和動(dòng)摩擦力矩，B”HB0的量很小，，可以忽略，對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生影響。 1°0>0圖二舐杯田三鳳力鳳向儀俎裝圖

圖1-1風(fēng)杯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖1-2風(fēng)杯模型實(shí)物圖第二章脈沖信號(hào)的獲得第一節(jié)霍爾效應(yīng)所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，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(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)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(qiáng)的霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為UH=RHIB/dRH=l/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。應(yīng)該指出：霍爾效應(yīng)對(duì)于一切導(dǎo)電體（導(dǎo)體、金屬半導(dǎo)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(shí)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(diǎn)，所以，在測(cè)量技術(shù)自動(dòng)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(cè)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(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)可以做得較為簡(jiǎn)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(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。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：21.0kQ4.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：W85%&安裝螺紋：M12X1輸出線棕色：接電源+12V；藍(lán)色：接電源地0V；黑色：接信號(hào)勺C圖2-1霍爾傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-2Hal-12霍爾傳感器實(shí)物圖504155817815動(dòng)作指示燈\12X1圖2-3霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)504155817815動(dòng)作指示燈\12X1圖2-3霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)動(dòng)作指示燈M12X1第三章風(fēng)杯與霍爾傳感器的組裝風(fēng)杯與霍爾傳感器的整體組裝如圖，為盡量減小風(fēng)杯的誤差，在風(fēng)杯的每個(gè)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(fēng)杯的正常旋轉(zhuǎn)，將霍爾傳感器安裝在風(fēng)杯的支撐軸上，使其能夠正對(duì)磁鋼的位置，當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)過霍爾傳感器的位置時(shí)，才能保證傳感器能感受到磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)，將引線沿著支架導(dǎo)出，接入后續(xù)轉(zhuǎn)換電路。圖3-1風(fēng)杯與霍爾傳感器組裝圖第四章硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié)霍爾元件的補(bǔ)償電路零位誤差的存在,影響了霍爾傳感器的測(cè)量精度。因此,在使用霍爾傳感器時(shí),必須考慮如何克服零位誤差,以保證電路的高精度測(cè)量。1零位誤差所謂零位誤差,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。它主要表現(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io°c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)。（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。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Rl、R2、R3、R4表示,等效電路如圖5所示。R1R2K3 R1R2K3 尺色I(xiàn)_羔€圖￡霍爾元件前等效電路在理想情況下,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或在兩個(gè)臂上同時(shí)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。

(1.)結(jié)拗圈 〔2丿軀電路圏0單橋駕掛皿凋電阻CA】結(jié)構(gòu)國P瓷圖？股橋譬掛可調(diào)電阻方式CA】結(jié)構(gòu)國P瓷圖？股橋譬掛可調(diào)電阻方式1(2)尊姣電路仁R:T13站構(gòu)圖圖8仁R:T13站構(gòu)圖圖8取榜習(xí)捕可調(diào)電阻方式2購i尊最屯琳在多次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),以圖8所示電路作為霍爾元件的補(bǔ)償電路,不但電路簡(jiǎn)單,而且測(cè)量精度高、容易操作,可作為霍爾元件補(bǔ)償電路的首選。第二節(jié)Hal-12型霍爾測(cè)速傳感器電路設(shè)計(jì)在該系統(tǒng)中,利用Hal-12型霍爾測(cè)速傳感器檢測(cè)風(fēng)杯轉(zhuǎn)速,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。在構(gòu)成檢測(cè)電路時(shí),在原電路構(gòu)成的基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)零位誤差的補(bǔ)償電路,通過補(bǔ)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(cè)量精度。其工作原理是:風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)的同時(shí),使霍爾元件的磁極產(chǎn)生變化,從而檢測(cè)到風(fēng)杯轉(zhuǎn)速變化。霍爾元件的輸出端接到差動(dòng)放大器的輸入端,因此,c點(diǎn)電壓等于d點(diǎn)電壓時(shí),運(yùn)算放大器無輸出；當(dāng)c點(diǎn)電壓大于d點(diǎn)電壓或小于d點(diǎn)電壓時(shí)，有差動(dòng)信號(hào)輸入,這時(shí),運(yùn)算放大器輸出端有較大的輸出電壓,說明此時(shí)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(diǎn)電壓等于d點(diǎn)電壓。所以，由于系統(tǒng)中采用了零位誤差的補(bǔ)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(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。47kO差動(dòng)放大器圖4-1傳感器電路圖輸出脫形一n_rL47kO差動(dòng)放大器圖4-1傳感器電路圖輸出脫形一n_rL°Uoha1-12第三節(jié)信號(hào)的計(jì)數(shù)處理信號(hào)的計(jì)數(shù)處理采用了單片機(jī)技術(shù)，單片機(jī)的程序代碼如下測(cè)量轉(zhuǎn)速，使用霍爾傳感器，被測(cè)軸安裝有3只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生3個(gè)脈沖，要求將脈沖的頻率F（脈沖個(gè)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(shí)驗(yàn)版//P3-5口接轉(zhuǎn)速脈沖#include<STC12C5410AD.H>//單片機(jī)內(nèi)部專用寄存器定義#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint //數(shù)據(jù)類型的宏定義

ucharcode;//M01LK[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,}數(shù)碼管0~9;//M01ucharLK1[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};//位選碼uintdataz,counter;//定義無符號(hào)整型全局變量lk//====================================================voidinit(void){TMOD=0X51;計(jì)數(shù)器T1voidinit(void){TMOD=0X51;計(jì)數(shù)器T1定時(shí)器TOTH1=0;//init子函數(shù)開始，分別賦值//GATEC/TM1MOGATEC/TM1//O1O1OOO//計(jì)數(shù)器初始值TL1=O;TH0=(65536-50000)/256; //定時(shí)器t0定時(shí)50msTLO=(65536-5OOOO)%256;EA=1;TR1=1;TR0=1;TF0=1;}//=============================================voiddelay(uintk) //延時(shí)程序{uintdatai,j;for(i=0;i<k;i++){for(;j<121;j++){;}}}//================================================voiddisplay(void)//數(shù)碼管顯示{P1=LK[z/1000];P2=LK1[0];delay(10);P1=LK[(z/100)%10];P2=LK1[1];delay(10);P1=LK[(z%100)/10];P2=LK1[2];delay(10);P1=LK[z%10];P2=LK1[3];delay(10);}//=========================================voidmain(void)//主程序開始{uinttemp1,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(jì)數(shù)器值并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制display();}//無限循環(huán)語句結(jié)束}//主程序結(jié)束//===================================================voidtimer0(void)interrupt1using1{TH0=(65536-50000)/256; //定時(shí)器t0定時(shí)50msTL0=(65536-50000)%256;z=counter/0.05;//讀出速度TH1=0; //每50MS清一次定時(shí)器TL1=0;第五章參數(shù)的計(jì)算nD2NFD麗式中，卩為風(fēng)速，D=2nr2pAbi,P為空氣密度，A為風(fēng)杯的橫截面積，r為杯架的旋轉(zhuǎn)半徑,ai和bi是由風(fēng)杯本身所決定的常數(shù)，Z為每秒鐘產(chǎn)生脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，F(xiàn)為脈沖信號(hào)的頻率，可以同過數(shù)碼管得出。nB^HB0分別是風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的靜摩擦力矩和動(dòng)摩擦力矩，對(duì)測(cè)量的影響很小，可以忽略，所以風(fēng)速為罷兀r1PAbtU-PArCli風(fēng)杯設(shè)計(jì)具體參數(shù)如下圖所示2mm33g囲97mm65mm2mm33g囲97mm65mm99m們A=nR2=nX252=625nmm2r=97mm本設(shè)計(jì)中風(fēng)速的具體計(jì)算公式為Fx64.67X19-3xHbiu金 由于霍爾元件的工作溫度為:-20°C?80°C,所