霍尔传感器位移测量电路的设计说明.docx
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霍尔传感器位移测量电路的设计说明
本科课程设计报告
题目霍尔传感器位移测量电路的设计
课程名称:
虚拟仿真技术
指导教师:
秦新燕
班级
学生姓名(学号)
同组学生姓名
同组学生姓名
10电本一
刘建
1050720030
完成时间:
2013.5.16
物理与电子信息学院电子信息系
二〇一三年
第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务
1.1课程设计的意义
虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新
型仪器。
在国外,虚拟仪器技术已经比较熟了,由于其很强的灵活性,使得该技
术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。
近几年,虚拟仪器技术在国内的发展
势也越来越受到重视。
成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成:
高效的软件编程环
境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架,该课程设计的目
的就是,通过一些功能简单的仪表系统的设计,要在这三个方面上有更深一步的
了解。
1.2课程设计任务说明
用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm~0.6mm的位移测量仪。
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
当霍尔元件作线性测量时,最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。
当物体在一对相对的磁铁中水平运动时,在一定的范围内,磁场的大小随位移的变化而发生线性变化,利用此原理可制成位移测量器。
通过本设计,要掌握以下内容:
1)了解霍尔传感器测量位移的原理;
2)掌握霍尔元件的测量电路;
3)熟悉Labview虚拟仪器向Multisim10.0的导入方法;
4)测量电路硬件实现后,当输出模拟信号,会用数据采集卡进行采集;
5)掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理,实现位移值的显示;
6)了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时,在LabVIEW中编程与处理的不同。
第二章关于虚拟仪器和Labview
2.1虚拟仪器简介
和传统的实物仪器相比,虚拟仪器是一种全新的概念。
它是利用计算机的硬件资源(CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标)、标准数字电路(GPIB、RS-232接口总线、新型的VXI接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线)以及计算机软件资源(数据分析与表达、过程通信。
图像用户界面等),经过有针对性的开发测试,使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。
不管是传统实物仪器还是虚拟仪器,仪器大多由以下三大功能模块组成:
对被测信号的采集和控制模块、分析与处理模块,以及测得结果的表达与输出模块。
传统仪器的这些功能度是以硬件(或固体化的软件)的形式存在的。
将这些功能移植到计算机上完成,在计算机上插上数据采集卡,然后利用软件在屏幕上生成仪器面板,并且用软件来进行信号分析处理,这就构成了一台虚拟仪器。
简单的说,虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案。
相对于传统仪器,它有四大优势:
性能高、扩张性强、开发时间长、完美的集成功能。
虚拟仪器的五大特点:
①具有可变性、多层性、自主性的面板。
②强大的信号处理功能。
③虚拟仪器的功能、性能、指标可有用户定义。
④具有标准的、功能强大的接口总线、板卡以及相应软件。
⑤虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。
2.2Labview概述
2.2.1Labview的发展历程
Labview是美国国家仪器公司(NationalInstrument简称NI公司)推出
的一门图形化编程语言,同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。
Labview是laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench的英文缩写,即实验室虚拟仪器集成环境,是一种图形化的编程语言——G语言。
综上所示,Labview是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。
2.2.2什么是VI?
用labview开发出的应用程序被称为VI(virtualinstrument,即虚拟仪器)。
VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序,由frontpanel(前面板)和blockdiagram(两部分构成)。
前面板是应用程序的界面,是人机交互的窗口,主要由controls(控制量)和indicators(显示量)构成。
后面板是VI的代码部分,也是VI的核心。
后面板主要由图标、连线和框图构成,这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、Vis,正是它们构成了VI的主体。
2.2.3Labview的操作面板
在LabVIEW的用户界面上,应特别注意它提供的操作模板,包括工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和函数(Functions)模板。
(如图2-2)这些模板集中反映了该软件的功能与特征。
图1-2工具模块、控制模块、函数模块
(1)工具模板(ToolsPalette)
该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
如果该模板没有出现,则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。
当从模板内选择了任一种工具后,鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。
当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后,把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序(SubVI)或图标上,就会显示相应的帮助信息。
(2)控制模板(ControlPalette)
该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。
每个图标代表一类子模板。
如果控制模板不显示,可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它,也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键,以弹出控制模板。
(3)功能模板(FunctionsPalette)
只有打开了流程图程序窗口,才能出现功能模板。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
若功能模板不出现,则可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它,也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。
第三章霍尔传感器位移测量电路的设计
3.1设计要求
用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm~0.6mm的位移测量仪。
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
当霍尔元件作线性测量时,最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。
当物体在一对相对的磁铁中水平运动时,在一定的范围内,磁场的大小随位移的变化而发生线性变化,利用此原理可制成位移测量器。
通过本设计,要掌握以下内容:
1)了解霍尔传感器测量位移的原理;
2)掌握霍尔元件的测量电路;
3)熟悉LabView虚拟仪器向Multisim10.0的导入方法;
4)测量电路硬件实现后,当输出模拟信号,会用数据采集卡进行采集;
5)掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理,实现位移值的显示;
6)了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时,在LabVIEW中编程与处理的不同。
3.2测量电路原理与设计
3.2.1模型的建立
霍尔传感器基于霍尔效应,用公式表示如下:
式中:
VH为霍尔电压;
KH为霍尔元件灵敏度;
I为控制电流;
B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。
两块相对的磁铁间形成磁场,当物体在沿垂直于磁场方向运动时,在一定的测量范围内,磁感应强度与位移的关系是近似线性的。
所以输出电压与位移也存在线性关系。
图1为实际霍尔传感器测量位移的特性。
图1霍尔传感器霍尔传感器测量位移的特性
可见在-0.6mm~0.6mm之间,电压位移关系近似线性。
对实验数据进行拟合,由于实际数据是经过放大后的数据,在拟合前要将数据除以放大倍数。
拟合后的数学表达式为:
式中:
VH为霍尔元件输出电压,单位为mV;
X为被测位移量,单位为mm。
由以上分析可知,霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性,所以它是用来测量微小位移的。
在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图2所示,它的测量范围是-0.6mm~0.6mm。
V1可模拟位移,压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。
图2霍尔传感器模型
图中1、2为激励电极;3、4为霍尔电极
3.2.2放大电路设计
霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级,因此,实际使用时必须加放大电路,此处假的是差分放大电路,如图3所示。
图3差分放大电路
第四章对电路仿真分析
4.1交流分析
将图3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电源,设其幅度和频率分别为1V和50Hz,然后对电路进行交流分析,设开始和截止频率分别为1Hz和10MHz,输出节点选择节点10,其他设置按默认设置,仿真结果如图所示,该放大电路的带宽约100KHz。
交流分析结果
4.2傅里叶分析
电路的输入端仍然接上面的交流源,对电路进行傅里叶分析。
输出节点仍然选择10,分析结果如图所示,由图可知,电路的总谐波失真(THD)较小,各次谐波的幅值也非常小。
傅里叶分析结果
4.3直流扫描分析
按图3所示,输入端接霍尔传感器模型,对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描分析。
输出节点选择节点10,扫描分析结果如图,由图可知,在-0.6~0.6mm位移范围内,电路的输出近似线性。
直流参数扫描分析结果
4.4传递函数分析
将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源,然后进行传递函数分析,结果如图所示。
放大电路的放大倍数约为-4.8倍,电路输入阻抗约为20KΩ,输出阻抗约为0.024Ω。
传递函数分析结果
4.5参数扫描分析
滑动变阻器Rw1的中心抽头打在中间位置不变,对电阻R3的阻值进行参数分析扫描,分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。
参数扫描的分析结果如图所示,由于电阻R4为51KΩ,所以当反馈回路上的总电阻和R4的阻值不相等,即参数不对称时,放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值,还和R4有关。
参数分析扫描结果
4.6实验数据处理
电路调好后进行仿真,可得如表所示的实验结果。
实验结果
位移X(mm)
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
电压Uo(mV)
464.408
309.659
154.911
0.162598
-154.586
-309.334
-464.083
用MATLAB进行对上表的实验结果拟合后得:
第五章LabVIEW显示模块设计
5.1位移测量子程序的设计
由上节公式可得位移表达式:
根据上式,可建立一个子VI,其程序框图如图:
图4程序框图
并定义图标与连接器:
双击右上角图标编辑后如图所示。
用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格,在快捷菜单中选择ShowConnector,此时连接窗格为默认模式,右键点选一种单输入单输出的模式,左边窗格与时域信号采集器Input相关联,右边窗格与位移显示相关联。
关联后的连接器窗格见图(b)。
完成上述工作后,将设计好的VI保存。
5.2接口电路的设计与编译
1把Multisim安装目录下Sampling>>LabVIEWInstruments>>Templates>>Input文件夹拷贝到另外一个地方。
②在LabVIEW中打开步骤①中所拷贝的StarterInputI-nstrument.lvproj工程,如图5。
接口电路的设计是在StarterInputInstrument.vit中进行。
图5StarterInputInstrument.lvproj工程图
③打开StarterInputInstrument.vit的框图面板,完成接口框图的设计。
在数据处理部分,选择CASE结构下拉菜单中的UpdateDATA选项进行修改。
按框图中的说明,在结构框中右键点击选择SelectaVI,把在LabVIEW完成的子VI添加在UpdateDAT-A框中即可。
子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连,在子VI的输出端点击右键创建位移指示表,如图6所示。
程序框图设计好后,要进行前面板的设计,除了要完成功能外,还要兼顾美观。
设计好的前面板如图7所示。
之后选择重命名,保存为proj.vit
图6接口部分设计
图7前面板设计
④编译之前,要对虚拟仪器进行基本信息设置。
打开
subVIs下的StarterInputInstrument_multisimInformation.vi的后面板,如图8所示,在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识,如一起设为plotterproj。
同时把输入端口数设为1,因为只有一个电压输入;把输出端口设为0,此模块不需要输出。
设置完后另存为proj_multisimInformation.vi,注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。
图8虚拟仪器基本信息的修改
⑤编译属性设置:
打开BuildSpecifications,右键点击SourceDistribution,选择属性设置,在保存目录和支持目录中,都将编译完成后要生成的库文件重命名,如proj.lib。
同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目,如图9所示。
属性设置完成并保存后,再在SourceDistribution上点击右键,在弹出的菜单中选择Build即可。
图9“属性设置”对话框
⑥编译完成后,在Input文件夹下生成一个Build文件夹,打开后把里面的文件复制到NationalInstruments\CircuitDesignSuite10.0下的lvinstruments文件夹中,这样就完成了虚拟仪器的导入,当再打开Multisim时,在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块(plotterproj),如图10。
图10plotterproj模块
霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块,对电路调零后可得下图(a)、(b)的部分结果,可见设计结果基本符合要求。
第六章总结
本次课程设计是关于霍尔传感器位移测量电路的设计,在做此设计前必须先掌握一些基本的模电知识和对Multisim、Labview仿真软件的运用,方可理解并熟练完成。
由于此次设计是个人独立完成,且没有学习过Labview的运用,因而对Labview的G语言编程不会用,期间遇到了不少问题,但是通过上网百度与图书管借阅的一些书籍,问题慢慢一个个都解决了。
通过本次设计,使我更为熟练的掌握了Multisim元件库的调用,同时也掌握了Labview的部分知识,已及对两者接口部分设计的掌握,相信自己再次面对类似的设计时,可以熟练的完成。