霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計.ppt

1、a,1,霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計,主講人：鮑磊 組員：馮超 張琪琪 曹強 姜長青 蔡慶瑤,a,2,工程實踐中，經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合，例如在發(fā)電機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗、運轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速和瞬時轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測量的應(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)速測量系統(tǒng)普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟中，有著重要的意義。,a,3,目前國內(nèi)外測量轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的設(shè)計理論可分為以下幾種。,a,4,不同測量方法的比較如下表所示,a,5,a,6,幾種常用的轉(zhuǎn)速測

2、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，將光信號轉(zhuǎn)為電信號輸出。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數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測轉(zhuǎn)速,1.光電式轉(zhuǎn)速測量：光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。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

3、開孔數(shù)。,a,7,（2）反射式光電傳感器： 它主要由被測旋轉(zhuǎn)部件、反光片（或反光貼紙）、反射式光電傳感器組成，在可以進行精確定位的情況下，在被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙會取得較好的測量效果。在本實驗中，由于測試距離近且測試要求不高，僅在被測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，光電傳感器的輸出就會跳變一次。通過測出這個跳變頻率f，就可知道轉(zhuǎn)速n。,即 n=f,如果在被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙，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,a,8,（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)

4、速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動軸相連的可動金屬板構(gòu)成?？蓜咏饘侔逄幱陔娙萘孔畲蟮奈恢茫?dāng)轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)180時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、交流激勵和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉(zhuǎn)速的測量信號。,2.電容式轉(zhuǎn)速測量：電容式轉(zhuǎn)速傳感器是一種常用于小負(fù)荷轉(zhuǎn)速測量和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測量的電參數(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量中應(yīng)用較多。,a,9,介質(zhì)變化型是在電容器的兩個固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動板而構(gòu)成的。 可動介質(zhì)板與轉(zhuǎn)動軸相連，隨著轉(zhuǎn)動軸的旋轉(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

5、周期性變化，其速率等于轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)速。 圖中齒輪外沿面作為電容器的動極板,當(dāng)電容器定極板與齒頂相對時,電容量最大,而與齒隙相對時,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：,a,10,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，其電勢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，輸出信號較小，不宜在振動劇烈的場合使用。 （2）閉磁路式

6、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)軸連接到被測軸上一起轉(zhuǎn)動時，由于內(nèi)、外齒輪的相對運動，產(chǎn)生磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢。測出電勢的大小便可測出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。,a,11,霍爾式轉(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)對象為磁鋼。當(dāng)被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號，達到測速目的。,優(yōu)點：安裝使用方便，通用性好 可執(zhí)行性高、易操作、精度高 同時誤差比較小，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。,

7、a,12,霍爾效應(yīng)：,置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場方向產(chǎn)生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計制成多種傳感器。 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)強度； d導(dǎo)體的厚度。,a,13,霍爾元件（敏感元件）： 根據(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。它具有對磁場敏感、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，因此，在測量、自動化、計算機和

8、信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。,霍爾元件示意圖,a,14,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。,a,15,霍爾元件圖片,a,16,下面通過一個實際的測轉(zhuǎn)速例子來講解霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,在設(shè)計中使用是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)對象為磁鋼。當(dāng)被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)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(yīng)用于各種領(lǐng)域。,技術(shù)參數(shù)： 1.發(fā)訊頻率：010kHz 2.供電電源：1225V(DC

9、) 3.負(fù)載電阻：1.0k 4.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：-20C80C 相對 濕度：85%,a,17,Hal-12霍爾傳感器實物圖,a,18,Hal-12霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù),a,19,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器傳感頭,當(dāng)圓形磁盤旋轉(zhuǎn)時，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)元件時產(chǎn)生霍爾電勢經(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)磁場的變化通過上拉電阻在輸出口會產(chǎn)生一個有效電平。,a,20,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)置電路圖,傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整

10、形，輸出良好的矩形脈沖信號,a,21,a,22,圓盤貼兩個磁鋼時， 設(shè)每秒計數(shù)到N個值，則轉(zhuǎn)速=N/2 (r/s)。 則N/2 (r/s)=30N(r/min)。 即只要將計數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機的轉(zhuǎn)速,模擬輸出的矩形脈沖圖,a,23,理想的輸出圖,a,24,過程分析： 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時, 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動, 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉(zhuǎn)速。 磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。,輸入輸出關(guān)系圖,a,25,霍爾式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)硬件電路圖,a,26,轉(zhuǎn)

11、速測量電路,1）轉(zhuǎn)速測量儀的基本組成：,2）轉(zhuǎn)速測量基本方法,定數(shù)采樣：這種方法其實是測量單個脈沖的周期或指定個數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法又叫做測周法。 定時采樣。這種方法其實是測量單位時間的脈沖個數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法。,頻率電壓轉(zhuǎn)換(f/V),頻率轉(zhuǎn)速 N=f/分頻數(shù),單位r/min r/s,a,27,采用“M”法的轉(zhuǎn)速測量（測頻法）,在一定的測量時間內(nèi)，測量輸入脈沖產(chǎn)生的脈沖數(shù)M1來測量轉(zhuǎn)速，如圖所示,a,28,a,29,硬件仿真圖,a,30,誤差分析,a,31,a,32,預(yù)計的實物效果,a,33,霍爾元件的補償電路,1.零位誤差： 就是指在無外加磁場或無控制電流的情

12、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)不等位電動勢： 不等位電動勢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所對應(yīng)的電流)作用下,不加外磁場時,霍爾輸出端之間的空載電勢。不等位電動勢產(chǎn)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(cè),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(chǎn)生不等位電動勢。,a,34,2)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

13、是寄生直流電勢。產(chǎn)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(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。輸出極焊點熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。,3)感應(yīng)零電勢 感應(yīng)零電勢是在未通電流的情況下,由于脈動或交變磁場的作用,在輸出端產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動勢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)自激場零電勢 霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，由于元件的左右兩半場相等,故產(chǎn)生的電勢方向相反而抵消。實際應(yīng)用時由于控制電流引線也產(chǎn)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

14、位誤差中,寄生直流電勢、感應(yīng)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。,a,35,2.零位誤差的補償電路,在實驗中發(fā)現(xiàn),對于霍爾元件來說,不等位電動勢與不等位電阻是一致的,因此,可以將霍爾元件等效為一個電橋,并通過調(diào)整其電阻的方法來進行補償圖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。,a,36,在理想情況,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(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻RP和