传感器实验 霍尔测速和光速测控.docx
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传感器实验霍尔测速和光速测控
传感器实验实验报告
实验三霍耳测速
一、实验目的：
了解霍耳传感器N3120U的特性，学习霍耳传感器的应用，NE555时基集成电路应用。
二、实验设备及器件：
显示器、稳压电源、频率计数器；霍耳传感器、万用表、小磁铁、小电机等。
三、实验原理：
霍耳元件是一种磁电转换元件，用于检测磁场并将磁信号转换成电压。
把霍耳元件置于外磁场中，沿垂直于磁力线方向通过电流时，其中的载流子受洛仑兹力作用，被推向一侧，积累以后形成电场，这个电场阻止载流子的偏移，当达到动态平衡后，电场中电位差即形成霍耳电压。
当电流一定时，测量霍耳电压即可得知磁场的场强大小。
本实验采用的N3120U霍耳器件是一种集成的开关元件。
它的输出可直接与多种电子元件相连。
它的内部结构和主要性能如上图，其中：
图
（一）显示了N3120U的内部结构和外接电路的种类。
图
（二）显示了对于N3120U器件来说磁场为负的情况。
图（三）、图（四）、图（五）表示了对于磁感应强度大小的不同区域输出电压翻转的情况。
图（六）给出了实验装置的示意图和磁铁与传感器的相对位置图，当磁铁转动时，N3120U输出波形为一系列方波，这时就可送计数器进行计数。
实验原理框图所示：
四、实验步骤：
1、测试传感器特性：
（1）按图
（一）连接电路，输出接示波器。
（2）如图（七）所示，测试图（五）区域的器件特性。
用示波器观察N3120U的输出情况。
将小磁铁由远及近移向N3120U，当输出电压发生跳变时，记录小磁体靠近霍耳探头的一端（现在是N极）
与霍耳探头N3120U的距离，然后由此点由近及远移动小磁铁，观察N3120U的输出，当示波器上输出电压出现反向跳变时，再记录小磁体与N3120U的距离。
磁铁由远到近
磁铁由近到远
跳变点与N3120U距离
8mm
11mm
注：
反复操作，测量结果与表中相差无几，由于不便于测量，难以得到精确值，故不必进行多次记录。
（3）用小磁体的S极指向N3120U，重复
（2）的步骤，测试图（三）所示的器件特性。
实验中，将S极指向N3120U，重复
（2）中步骤，发现无论S极如何靠近和远离N3120U，示波器显示电压并不会发生跳变。
说明该霍尔元件是一个单向开关型霍尔传感器，只对N极敏感。
（4）将磁体的N极对准N3120U，如图（六）转动小磁体，观察示波器上的输出电压，测试如图（四）所示的特性。
当连续转变小磁体时，输出电压将连续发生跳变，记录下4次输出电压发生跳变时每次小磁体的转变角度。
跳变次数
1
2
3
4
旋转角度
16°
300°
35°
305°
以N极指向N3120U为起始0°，沿顺时针方向旋转为正方向，重新整理上述表格如下：
跳变次数
1
2
3
4
相对角度
16°
-14°
16°
-14°
由于霍耳探头N3120U具有图（五）所示特性，当N极靠近和远离探头时，示波器波形产生跳变，由表2中数据可以看出，跳变发生点约发生在N极偏离起始点15°左右，所以当电机高速旋转时，在示波器上将出现一定占空比切频率一定的方波，于是我们便可以利用霍尔元件对电机进行转速测量。
2、用霍耳器件测量转速：
（1）按图一连接电路,并将N3120U的输出连接到频率计数器的数字信号输入端。
（2）将连接小磁体的小电机通电，使之带动小磁体旋转，将这一装置如图（六）靠近N3120U，计录频率计数器显示测出的旋转频率。
按图一连接好电路后，将N3120U的输出接示波器，并给小电机通以5V直流电压，示波器显示输出如下图所示：
示波器显示旋转频率为36.6HZ，即通以5V直流电时，小电机转速为36.6R/S。
实验五光控测速
一、实验目的
测量光电转换器件的特性。
掌握NE555时基电路和NE5532双低噪声运算放大器的应用。
利用光电转换器件进行自动测量。
二、实验设备
晶体管直流稳压电源、万用表、示波器、频率计数器。
三、实验原理
利用某些材料的光电和电光效应可以做成光电转换器件，半导体发光管和光电二极管就是利用半导体材料的电光效应制成的，发光管输出的光强正比于它的正向工作电流，而光电二极管产生的光生电流（即二极管反向电流）正比于接收光强度。
图
（一）是测量半导体发光管L1的光发射与光电二极管P1接收特性的原理电路。
光电发射—接收测试工作原理如下：
当调整RA电位器时，三极管N1工作电流Ic发生变化，Ic通过发光管L1使之发光，发光功率P是Ic的函数表示为P=Kg*Ic，Ic可以由R4上电压求得。
Kg是电光发射系数。
L1发的光，可以通过光电接收管P1检测；根据光电检测原理，P1的电流正比于接收光功率。
当光照P1时产生光电流Ip，此电流在R5上产生电压；通过测R5上的电压测量所接收的光功率。
接收光功率与光电流Ip的关系为：
Ip=Kp*P，Kp是光电转换系数。
注意：
发光管是正向接入电路，接收管是反向接入电路。
光电转换器件的一种应用就是测量旋转飞轮的转速。
当将旋转的飞轮置于电光发射和光电接收测量装置中间时，利用飞轮旋转时不断挡住红外线，从而使红外接收管形成一系列脉冲（图一所示），根据飞轮旋转一次的挡光次数，将脉冲进行分频，将分频后的脉冲送至频率计数器，显示出脉冲的频率数，即是测出飞轮的转速。
本实验是利用光电发射/接收系统传输不同频率的电脉冲，图
（二）是发射电路的原理图，它是由NE555同R、R1、R2、C1、C2一起构成多谐振荡器。
NE555产生的方波经过N1（3DG12）管的推动，使L1（2DU）发光管发射红外线，发射出来的是脉冲式的红外光。
调整R电位器可改变脉冲的频率。
图（三）是接收电路和放大电路的原理图，P1（2DU）管为红外接收管，它能接收发自L1（2DU）发射的脉冲式红外光。
接收电路在没有接收到红外光时，电流较小，N2工作在截止区，在接收到光信号时，P1产生反向电流，使R5电压升高，N2工作在放大区到饱和区，R5支路的电流、电压参数的变化，形成一系列脉冲方波，经NE5532的两级放大再送到频率计数器，即可读出脉冲方波频率。
四、实验步骤：
1、光电发射－接收管特性的测试：
（１）按图
（一）插接电路，这时Ａ点电位通过分压在此为０到+5V间连续变化。
通过调节此电压，使V3点电位发生变化，使得L1发射管发光强度发生变化，也使P1接收管的支路电流发生变化。
这可以通过观测R5电阻上的压降即VR点的电位显示出来。
（２）调节A点电压使L1不发光，用万用表测此时VR上的电位。
逐步增大A点电位，当使L1发光时，测量V3、VR的电位。
（３）逐步增大A点电位，测量几组相应的V3、VR上的电位。
2、光控测速
（1）图
（二）插接电路，确认电路连接正确，接通电源。
用示波器测量NE555的3脚波形及方波频率，多谐振荡器工作正常，再测N1管的集电极C脚波形，将信号输出作为频率计数器的信号输入，记录测得的频率。
（2）图
（二）电路振荡频率的理论值可由下面公式求出：
f＝1/0.7（R1+R+2R2）C2＝
求出此值,并比较和实际测得的频率是否相符。
（3）按图（三）连接电路，确认电路连接正确，接通电源；用示波器监测接收端三极管N2输出，即NE5532的3脚输入波形，经两级放大即5脚和7脚的波形、频率，将NE5532的7脚信号输出作为频率计数器的信号输入，记录测得的频率并与发射端记录进行比较。
五、实验数据报告：
1、光电发射接收管特性测试：
项目
L1不发光时
1
2
3
4
5
VA
0.268
0.613
0.852
1.226
1.608
2.144
V3
4.858
4.840
3.885
2.438
2.090
2.008
VR
0.363
0.417
0.428
0.521
0.485
0.466
VOUT
4.963
4.959
4.964
4.963
4.962
4.961
由表中数据可以看出，当调节电位器使得VA点的电压由小到大变化时，V3点的电压不断减小，VR点电压逐渐增大，输出电压Vout不断减小。
当VA<0.268V时，二极管L1不发光Vout输出接近电源电压。
2、光控测速频率计显示频率：
F＝303Hz
连接图二所示电路，用示波器测量NE555的3脚波形如下图：
得输出频率为303Hz，由电压表测得接入NE555的电位器R电阻为33K，带入f＝1/0.7（R1+R+2R2）C2求得频率理论值为295.8HZ，与测量值相近。
3、试分析影响接收端灵敏度的原因，并提出改进意见（画出电路图）
答：
影响接收灵敏度最重要的原因是发光二极管和红外接收管的距离，试验中应尽量减小两者的距离，不能距离太远。
其次可适当增大R3、R2或减少R4的电阻，提高发射极电流使得发光二极管发光更强。
4、画出发射端、接收端及两级放大的波形图。
NE5532的3脚输入波形：
F=1.0221kHZ
5脚和7脚的波形：
五脚，F=1.0301kHZ
七脚、F=1.030kHZ
五脚和七脚输出频率F=1.030kHZ与发射端输出频率f=1.019kHZ相近，说明接收端接收信号频率与发射端发射信号频率相同。
信号在传输过程中频率保持不变。
实验总结
这次实验完全是通过自己分析电路图，然后在面包板上亲手搭建实际电路图。
首先用万用电表挨个测出未知电阻的阻值，然后在面包板上构建好元器件位置，最后再连接导线。
当然在搭建电路上，并未能一次搭建成功，前几次都出现了少接导线或器件短路的问题，我和组员只能根据电路图挨个检查线路，虽然花费了大量时间，但还是最终完成了电路搭建。
通过这两次实验，也确实观察到了霍尔效应，以前只是在书本上了解到其现象，但并未亲眼见过，这次我们通过自己的努力完成了实验也观察到了实验现象，使我对霍尔效应现象的理解更加深刻，同时在实验中也体会到了许多乐趣。
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