霍爾傳感器開放型實(shí)驗(yàn)報告

1、開放型實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾傳感器綜合應(yīng)用學(xué) 院：專 業(yè)：班級學(xué)號：學(xué)生姓名：實(shí)驗(yàn)日期：評 分：教師簽名：南昌航空大學(xué)開放型實(shí)驗(yàn)報告1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解霍爾效應(yīng)原理及其在電量、非電量測量中的應(yīng)用概況；（2）熟悉霍爾傳感器的工作原理及其性能；（3）掌握開關(guān)型霍爾傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法；（4）掌握線性霍爾傳感器測量大電流的方法。2 文獻(xiàn)綜述2.1 霍爾傳感器的介紹霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁敏傳感器。通俗的說就是一種能將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的輸入換能器，它的用途很廣, 是一 種很有前途的器件 。 我國 生產(chǎn)的s L 300o系列 集成開關(guān)式霍 爾效應(yīng)傳感 器是 目前國際上較為先進(jìn)的一 種

2、開 關(guān) 式 磁 敏器件, 是無觸點(diǎn) 、 無磨議 的較理 想 的磁 電轉(zhuǎn)換器件，如圖1所示。此外，還有線性型霍爾傳感器，它由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量，如圖二所示。a)結(jié)構(gòu) b)符號 圖1 開關(guān)型霍爾傳感器a)結(jié)構(gòu) b)符號 c)外形圖2 線性型霍爾傳感器2.1.1 霍爾傳感器的大電流檢測方法電流檢測有很多方法：如電流表直接測量法、電流-電壓轉(zhuǎn)換法（包括取樣電阻法、反饋電阻法）、電流-頻率轉(zhuǎn)換法、電流-磁場轉(zhuǎn)換法、電流互感器法等。電流表直接測量法對于串入電流表不方便或沒有適當(dāng)量程的電流表的情況，是行不通的。在電流-電壓轉(zhuǎn)換法中取樣電阻法比較適合于測量較大的電流，而反饋電阻

3、法比較適合測量小電流，但是同電流表直接測量法一樣，需要截斷電流回路。2.1.2 霍爾傳感器的性能指標(biāo)霍爾傳感器需要滿足特定的性能指標(biāo)，如靈敏度，分辨率等。在開關(guān)和距離探測應(yīng)用中需要的磁場強(qiáng)度在5到100mT之間，然而在存儲應(yīng)用中需要的磁場強(qiáng)度僅在10UT到10MT之間。1A的直流導(dǎo)線表面就能產(chǎn)生約100UT的磁場。根據(jù)應(yīng)用的不同，來確定霍爾傳感器的性能參數(shù)，進(jìn)而選擇合適的霍爾傳感技術(shù)。例如高密度二進(jìn)制磁性存儲就要求高的空間分辨率，線性磁性探測就不需要這樣。選擇霍爾傳感器的主要指標(biāo)如下：（1） 技術(shù)可能性評估（2） 制造成本（3） 應(yīng)用環(huán)境（4） 霍爾傳感器的幾何形狀（5） 靈敏度，輸出信號參數(shù)

4、（6） 信噪比，磁場分辨率（7） 線性度等等2.1.3 霍爾傳感器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r霍爾傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性傳感器的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)傳感器無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級）。其中取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍可以很寬，可達(dá)55150?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用大致分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，其中最具特色的當(dāng)推是霍爾電流、電壓類傳感器變送器，它們

5、已成為當(dāng)今電子測量領(lǐng)域中應(yīng)用最多的傳感器件之一，是測量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣隔離檢測元件，被廣泛用于電力、電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置、電子測量和開關(guān)電源等諸多領(lǐng)域以及逆變焊機(jī)，發(fā)電及輸變電設(shè)備，電氣傳動，數(shù)控機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品上，它正在逐步替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來

6、進(jìn)行檢測和控制。其中諸如常見的在無刷電機(jī)、無損探傷，接近開關(guān)，齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，角度傳感器以及微位移（壓力、振動、加速度、液位）傳感器等新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。從事霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的廠家基地就如雨后春筍般的不斷涌現(xiàn)，這方面的人才搶奪競爭更是白熱化。就如霍爾電流電壓傳感器為例，華北有北京萊姆北京森社（原北京701廠）煙臺華冠河北保定。東南有南京中旭科技和株洲寧波分所，華南有成都晶峰與河源雅達(dá)等，當(dāng)然還有武漢華意，南京茶花、托肯，珠海澳特爾，深圳北疆等近幾年實(shí)力也越來越強(qiáng)，不容忽視。以上這些廠家規(guī)?；虼蠡蛐?，技術(shù)力量或強(qiáng)或弱，有的曾經(jīng)還是一脈相承，大家產(chǎn)品或多或少存在著某種相同，又各有各的特點(diǎn)，因而大

7、家在應(yīng)用領(lǐng)域的市場競爭日益激烈。另外以霍爾技術(shù)為核心的智能電量傳感器也已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)鏈，四川維博西安天立深圳圣斯?fàn)柕?，他們的產(chǎn)品多為電流電壓傳感器變送器數(shù)字電路處理，這必將成為霍爾傳感器在工業(yè)電量測控應(yīng)用領(lǐng)域的新型發(fā)展應(yīng)用。國際上的霍爾傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展以其智能化、集成化見長，它們正在逐漸的進(jìn)入我國的市場，實(shí)際上在很多集約化領(lǐng)域，已隨處可見它們的身影。這些大公司的產(chǎn)品具有很大的競爭實(shí)力，對國內(nèi)的霍爾傳感器廠家來說無疑是一種強(qiáng)力沖擊。 3 實(shí)驗(yàn)原理3.1 光電傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)光電傳感器有反射型和透射型兩種，本實(shí)驗(yàn)裝置是透射型的，傳感器端部兩側(cè)分別裝有光電管和發(fā)光管，發(fā)光管發(fā)出的光源透過轉(zhuǎn)盤上通孔后由光

8、電管轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有均勻間隔的6個孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速有關(guān)的脈沖數(shù)，脈沖經(jīng)處理有頻率表顯示F，即可得到轉(zhuǎn)速n=F/6.實(shí)驗(yàn)原理圖如下圖所示： 3.2 開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)利用霍爾效應(yīng)表達(dá)式：Uh=KIB，當(dāng)被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場就變化N次，每轉(zhuǎn)一周霍爾電勢就同頻率相應(yīng)變化，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。 3.3 線性式霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流、并在薄片的垂直方向施加磁場強(qiáng)度為B的磁場，那么在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢UH(稱為霍爾電勢或霍爾電壓。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)用的霍爾傳感器位移

9、傳感器是由線性霍爾元件、兩只半圓形永久磁鋼組成，其工作原理和實(shí)驗(yàn)電路圖如下圖所示：4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4.1.1 光電傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)1. 采用 CSY-998G 型實(shí)驗(yàn)儀，將 015V 直流電源接到電機(jī)上，并接上電壓表，用于監(jiān)測加在電機(jī)上的電源。加在電機(jī)上的電壓不要超過 12V。 2. 選用 CSY-998G 型實(shí)驗(yàn)儀面板上的“光電轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)”模塊，按面板上的電路圖接線。Vo 接數(shù)字示波器。 3. 檢查接線，確認(rèn)無誤后，通電。注意：加在電機(jī)上的電壓不要超過 12V。調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，讀取不同電壓時數(shù)字示波器上的頻率，即光電傳感器的輸出頻率，計算電機(jī)轉(zhuǎn)速。 4.1.2 開關(guān)

10、式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn) 1.根據(jù)下圖將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器安裝于霍爾架上（紅線接+5V，黑線接地，黃線輸出信號線接頻率計，轉(zhuǎn)速表或數(shù)字示波器） 2.首先在接線以前，合上主機(jī)箱電源開關(guān)，將主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源024V旋鈕調(diào)到最小后接入電壓表，監(jiān)測大約為0V左右，然后關(guān)閉主機(jī)箱電源，將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)動電源接到主機(jī)箱中。3.合上主機(jī)箱電源開關(guān)，在小于12V范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)電源，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速表的顯示情況。從2V開始記錄每增加1V相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。4.1.3 線性式霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)4.1.4 線性霍爾傳感器測大電流 線性霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。電流表直

11、接測量法對于串入電流表不方便或沒有適當(dāng)量程的電流表的情況，是行不通的。在電流-電壓轉(zhuǎn)換法中取樣電阻法比較適合于測量較大的電流，而反饋電阻法比較適合測量小電流，但是同電流表直接測量法一樣，需要截斷電流回路。4.2 結(jié)果及分析4.2.1 光電傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)：Vo6 6.577.588.599.51010.5F133142.9158166.7178.6188.7200212.8227232.6N22.123.826.327.729.831.4533.335.537.838.8波形圖：結(jié)果分析：隨著電壓V的升高，頻率F變大，轉(zhuǎn)速N=F/6越快。4.2.2 開關(guān)式霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)：

12、V66.577.588.599.51010.N21.4223.9925.5627.7829.7331.2533.3335.2137.2139.06波形：結(jié)果及分析：六分頻輸入，直接得出轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)規(guī)律與前者一樣。4.2.3 線性式霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)：X55.566.577.588.599.510V-0.72-0.63-0.54-0.47-0.4-0.32-0.23-014-0.07-0.020.01X10.51111.51212.51313.51414.515V0.030.050.070.080.080.090.090.090.090.09 圖曲線圖結(jié)果分析：從圖中 可以看出，在位移

13、513mm之間，電壓V隨位移X的增加而近似呈現(xiàn)出線性變化，之后趨于飽和平穩(wěn)。4.2.4 線性霍爾傳感器測大電流原始數(shù)據(jù)：坐標(biāo)圖：圖坐標(biāo)圖結(jié)果分析：從圖中可以看出，在電壓較低時，電流趨于飽和，而較高時，電壓和電流呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。5 總結(jié)本次霍爾傳感器綜合實(shí)驗(yàn)，在陳老師的指導(dǎo)下，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但中間也遇到一些疑惑，仔細(xì)分析檢查后就OK了。通過這次綜合實(shí)驗(yàn)我進(jìn)一步的了解了各傳感器的工作原理、工作特性、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，通過用各種傳感器測電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移特性，把課堂上所學(xué)的理論知識真正的與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，讓我們更加理解了理論知識，也能把理論知識運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)中用以解決實(shí)際問題。同時提高了數(shù)據(jù)處理與分析的能力，能把多而復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過擬合、分析、處理從而得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，我們了解了傳感器實(shí)驗(yàn)儀的原理，并通過實(shí)驗(yàn)知道了傳感器的作用，提高了看圖接線，分析電路圖，以及動手操作能力。總的來說，這次實(shí)驗(yàn)我受益匪淺。參考文獻(xiàn)1 朱泉水，龔勇清. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(第2版)M. 北京：科學(xué)出版社，2011.2 劉建. 電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程M. 北京：航空工業(yè)