霍尔传感器水位控制系统1.docx

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霍尔传感器水位控制系统1

霍尔传感器水位控制系统

摘要

中国的崛起和正式入世，意味着中国社会将以全球化面貌进入一个新的阶段，更意味着一个社会主义现代化国家的崛起尤其是中国农业近几年的发展风起云涌，如袁隆平杂交水稻种植的成功，使中国的农业向着世界的前沿迈了一大步等等。

一个鲜为人知的例子在我们面前显现，因此面对中国农村企业的现状与发展趋势进行研究，具有重要的现实与发展意义，而且水位控制及其应用是一门不断发展的实用科学技术，它的灵活性和实用性很强，水位控制日新月异的应用领域也越来越广泛，它在农业，工业方面的不断发展，不断改进，使其在工、农业发展的道路上成为了必不可少的排头兵。

本文以霍本文尔传感器水位控制为基本研究框架，主要从农村的发展现状的应用和水资源应用等方面，对中国农村的发展和前景而设计的用水设计方案（霍尔传感器水位控制）。

关键字：

中国农业；霍尔传感器；水资源应用；前景

Hallsensorlevelcontrolsystem

Abstract

TheriseofChinaandofficiallyjointhewto,whichmeansthatChinesesocietywilllooktoenteranewstageofglobalization,moremeansamodernsocialistcountry'sriseespeciallyChinaagriculturalrecentdevelopmentblustery,suchas,yuanlongping,hybridriceplantingofsuccess,andtomakeChina'sagriculturaltowardstheworldfrontierWallacewasabigstepforward,etc.

Alittle-knownexampleappearedinfrontofus,thereforefacingChina'sruralenterprisethepresentsituationandthedevelopmenttrendarestudied,andhasimportantrealisticanddevelopmentsense,andwaterlevelcontrolanditsapplicationisadoorofthecontinuousdevelopmentofpracticalscienceandtechnology,anditsflexibilityandpracticalstrong,waterlevelcontrolrapidly-changingapplicationfieldsandmoreextensive,itinagriculture,industrywiththeconstantdevelopmentandimprovement,tomakeitsinwork,agriculturaldevelopmentpathtobecomingessentialpoints.Inthispaper,thispaperhuosensorlevelcontrolforbasicresearchframework,mainlyfromruraldevelopmentpresentsituationandapplicationofwaterresourceapplication,etc,thedevelopmentofChineseruralareasandprospectsandthedesignofwaterdesignscheme（hallsensor-basedlevelcontrol）.

Keyword：

Chineseagriculture；Development;Waterlevelcontrol

1霍尔传感器

1.1霍尔元件

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。

本文简要介绍其工作原理，产品特性及其典型应用。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为:

霍尔线性器件和霍尔开关器件。

前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:

直接应用和间接应用。

前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

1.2霍尔元件的工作原理

霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

　　所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。

　　假设霍尔元件通电电流为Is，当磁场作用于霍尔元件时，电子将受到洛伦兹力的作用而发生偏转，如图中虚线所示。

半导体的上下方向积聚的电荷形成了电场（EH）。

当EH对电子的作用力f足够抵消洛伦兹力f时，电子积累达到平衡。

此时的电势称为霍尔电势。

霍尔电势随外磁场强度增加而增加。

图1-1·霍尔元件原理图

霍尔元件种类有线性霍尔元件和开关型霍尔元件。

其中，开关型霍尔元件由半导体霍尔材料的输出电压经放大器放大后，送至施密特整形电路将线性变化量转换为开关量。

线性霍尔元件常用于磁场测量、电压电流测量。

开关型霍尔元件常用于速度、位置测量。

　　金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。

当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。

半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

　　利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。

霍尔电位差UH的基本关系为:

　　UH=RHIB/d①RH=1/nq（金属）②

　　式中RH――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的磁感应强度；d――导体的厚度。

　　对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式和式②不同，此处从略。

由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。

利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。

其优点是不和被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

　　若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。

　　利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

　　如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。

根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。

若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

1.3霍尔元件的主要特性参数

（1）当磁场和环境温度一定时：

霍尔电势与控制电流I成正比

（2）当控制电流和环境温度一定时：

霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比

（3）当环境温度一定时：

输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比

由于建立霍尔电势所需时间较短，所以它的频率响应很高

图1-2

①图（a）中，从矩形簿片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引起一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。

另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。

在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。

②图（b）是霍尔元件通用的图形符号。

③图（c）所示。

霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。

通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。

④图（d）是基本测量电路。

1.4霍尔传感器的工作原理

磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。

在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。

　　霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。

霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。

若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。

下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。

这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。

霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。

　　霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。

当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。

对于图一所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A，A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。

电场的指向取决定于试样的电类型。

显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，

图1-3霍尔效应

当载流子所受的横向电场力与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有

　　⑴其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则 

　　⑵ 由⑴、⑵两式可得 

⑶ 即霍尔电压VH（A、A′电极之间的电压）与ISB乘积正比与试样厚度d成反比。

比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出VH（伏）以及知道（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH（厘米3/库仑）

霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

①开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、，斯密特触和输出级组成，它输出数字量。

开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。

②线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。

闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。

线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。

.

1.4.1霍尔传感器的特点

（1）线性型霍尔传感器的特性

图1-4

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图1-4所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

（二）开关型霍尔传感器的特性

　　如图1-5所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

图1-5

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。

Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

　　另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图1-6所示。

图1-6

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

1.4.2霍尔传感器的应用

（1）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。

例如：

①电流传感器

霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。

在测量交变电流的大电压时,为能够安全测量而在火线和地线之间并联一个变压器（接在变压器的输入端）,这个变压器的输出端接入电压表,由于输入线圈的匝数大于输出线圈的匝数,因此输出电压小于输入电压,电压互感器就是降压变压器。

按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。

电磁感应式多用于220kV及以下各种电压等级。

电容分压式一般用于110kV以上的电力系统,330～765kV超高压电力系统应用较多。

电压互感器按用途又分为测量用和保护用两类。

对前者的主要技术要求是保证必要的准确度；对后者可能有某些特殊要求，如要求有第三个绕组，铁心中有零序磁通等。

电磁感应式电压互感器其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。

特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。

电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。

为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。

测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用,也可以用两台接成V-V形作三相使用。

实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。

供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。

三相的第三线圈接成开口三角形

②位移测量

　　两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

　　如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

（2）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

　　①测转速或转数

　　在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

　　如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。

根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

2水位自动控制器的使用说明

2.1水位自动控制器的用途及使用范围

水位自动控制器主要用途是配合水泵，根据水塔水位高低的变化来启动及停止。

适用于工农业及民用自动供水。

一则防止水满外溢，浪费电力，二则减少人工维护工作量，方便生产、生活。

2.2性能及参数

（1）电源：

AC220V±10%50HZ

（2）控制功率：

2000W

（3）电子水位器的工作频率不少于每秒一次。

2.3结构及安装使用

（1）本控制器设有电压、电源、开机、水满指示，保险及电源手动、自动开关，使用时，把电源开关打在开的位置上，控制开关打在自动的位置上，这时就可以投入使用。

背面为电源输入，输出接水泵电机（三相水泵应在输出接220V交流接触器及热继电器加于控制）水位探头分别接高、中、低水位接线柱，不能接错。

（水位探头引线可用普通软线引接至控制器、接头应用防水胶布包扎）

（2）应根据水井涌水量来调节中水位探头及高水位探头之间的距离，应调节在水塔水满后，而水泵不应离水工作为宜。

（仪器内电路板上有灵敏度调节电位器用户可根据需要自行调节）首次使用应观察至正常才投入使用。

（3）数显表A／D转换器及参数设置

A／D转换器参数设置：

将数显表、电阻箱、标准毫安表按图3所示接线图联接起来，调整电阻箱的阻值，使毫安表的读数为20mA，将此时数显表的显示设置为最大（4．5），再调整电阻箱的阻值，使毫安表的读数为4mA，将此时数显表的显示设置为最小（0．0）。

动作值设置：

根据对实际运行情况的考查，发现当水位高于4．3ra时，电动门关闭：

当水位低于2．0m时，电动门打开比较合适。

因此将开电动门的动作值设为2．0，关电动门的动作值设为4．3，而开电动门释放动作设置为高于2．3，关电动门释放设置为低于4．0。

（4）传感器零点及量程调试

将数显表、传感受器、标准毫安表接线联接起来，对传感器的调校是在现场进行的，将传感器探头浸入水中4．5m处，调整传感器的“SPAN”电位器。

使毫安表的读数为20mA，再人为地将传感器探头提出水面，调整传感器的“EERO”电位器，使用毫安表的读数为4mA；反复二次便可调试完成。

3基本原理

3.1水塔水位自动控制的设计范围

本控制器适用于家庭住宅、学校、工厂、宾馆、办公、楼宇的自来水水塔（水池）式增压供水与江河井水控制，以及供水、消防、轻工、印染、化纤、造纸、化工、食品、饮料、酿造、制糖、养殖、工矿、农业、水处理等行业的给排水和其它生产用液体供给排放自动化控制或上、下限位报警。

3.2功能特点

（1）无线系统易安装，免去线路铺设之麻烦及支出。

（2）采用数字编解码设计，十万分之一加编解码，避免邻居及外界信号干扰，提高工作可靠性。

（3）探头采用微电流检测，抗电腐蚀，入水电流小，灵敏度高。

（4）基本上能避免溢水和缺水现象，保证了正常供水。

且由于采用了自动控制，减少了运行费用，能较大节约人力，产生较为可观的经济效益，提高工作的可靠性。

（5）具有水源缺水检测功能，当检测到水源缺水时，就会自动停机，延时一定时间后等到水源水位恢复到足够高度时，自动启动水泵，使用该功能可有效防止水泵空转延长水泵的使用寿命。

（6）电源电压：

分机：

9V迭层电池（可用一年以上）；主机：

220VAC50HZ最大输出功率：

1.5KW无线传输距离：

开阔地大于150M。

3.3水位自动控制电路的设计

为了精确地实现对水位的控制，必须建立闭环控制系统．根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵运行与停止，使水位处于动态的平衡状态．控制系统主要分为水位的模拟检测和逻辑判断2部分．如图所示，模拟检测部分测量的是探头相对于地电位的高低．这就相当于一个可变电阻，探头与地之间的不同距离对应了可变电阻不同的阻值．当水位高低发生变化时，对应的电阻值不同，通过逻辑判断，就得到不同的输出．逻辑判断的输出电路一部分用来控制电机的关闭与开启，另一部分用来检测系统故障，并发出报警声。

要用继电器来控制水泵工作，带动水泵工作的电动机必须接在继电器的常闭触点所控制的与电源串联的执行电路中，如图3-1所示。

当水箱里没有水的时候，继电器处于释放状态，常闭触点正好把电路接通，使马达工作，于是水被抽往水箱之中。

问题是如何控制水位呢？

如果把高低液位探针1、2，接到继电器输入信号的6、7端，一旦水位上升到高液位时，6、7端即被水导通，继电器工作，衔铁吸合，原来的执行电路中的常闭触点也就脱离接触，马达停转；这是我们希望的程序。

但在水泵停止工作以后，水位下降，一旦水位与高液位探针脱离接触，因继电器的6、7端之间断开，继电器释放衔铁，常闭触点又接通，马达又开始工作，如此频繁通断，这不符合我们的控制要求。

仔细分析上述过程，在液面上升阶段，6、7端断开时，我们需要继电器释放衔铁，常闭触点接通，但在液面下降阶段，6、7端断开时，就不希望继电器释放衔铁了，如何来维持继电器的工作状态呢？

设想有另一个开关，接在6、7两端之间，当水位下降使6、7端断开时，这个开关就接通，那么问题就解决了。

这个开关可以从继电器的另一把刀所控制的触点对中来选取（这种能够维持继电器原来吸合状态的电路，电工学中叫自保电路）。

例如用手动按钮来控制马达运转时，常用这种电路，如图3-1：

图3-1自保电路

当SA1按触时，继电器工作，SJ2接通，马达工作；同时S1也接通，使继电器能处于稳定的吸合状态。

为实现水塔中高低液位控制，正需要这种设计思路。

实验电路如图3-2所示。

电路中探针1、2端分别与7、6端相连，同时，在7端和3端（水箱金属外壳）之间串入继电器的一对常开触点（图中的10，11）。

下面就把液面下降的过程作一简单分析。

图3-2水塔中高低液位控制图

当水位下降以前，继电器已经吸合，常闭开关（常闭触点）SJ1断开，水泵停止工作，常开开关（常开触点）SJ2接通，7端与3端相通。

当水位下降到高波位探针以下时，1、2端之间断开，但2、3端之间通过水导通，2端与6端相连，3端通过SJ2与7端相通，因此6、7端仍然相通，继电器的控制回路仍有一定的工作电流维持继电器的吸合状态。

水泵仍不工作，直至水位下降到2端以下时，2、3之间不再导通，6、7之间也就失去通路，因此继电器释放，SJ1重又接通，水泵又开始工作。

如此往复，水位即可控制在高、低液位之间。

4水塔水位自动控制的实验设计

4.1实验目的

（1）用PLC构成水位自动控制系统

（2）熟悉限位开关的作用

（3）验证以上设计的可行性

4.2实验内容

（1）当水池水位低于水池低水位界（S3为ON）。

电磁阀Y打开进水。

（S3为OFF表示高于水池低水位界）。

当水位高于水池高水位界（S4为ON表示）。

阀Y关闭。

当S3为OFF时且水塔水位地于水塔低水位时，S2为ON电机M运转，开始抽水。

当水塔水位高于水塔高水位界时，电机M停止。

（2）当水池水位低于水池低水位界（S3为ON）。

阀Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时2秒钟，2秒钟以后，如果S4还不为ON，那么阀Y灯闪烁，表示阀Y没进水，出现故障，S4为ON后阀Y关闭。

S3，S4为OFF时水池水位低于水池低水位界时S2为ON，电机M运转开始抽水。

当水位高于水池高水位界时电机M停止。

水塔水位的控制结构如图4-1所示：

图4-1水塔水位控制图

4.3预习要求

根据所给的控制要求列出I/O分配表，并写出梯形图程序及注释说明。

4.4实验报告要求

（1）写出I/O分配表和调试好的实验程序

（2）写出实验的问题及分析

（3）写出调试步骤

4.5实验验证

本文采用纯硬件电路设计水塔水位控制系统，避免了复杂设计中的不稳定因素，降低了生产成本，提高了实用价值。

同时，对于不同类型的液体，此系统具有良好的兼容性。

当水塔中液体改变时，只需要将电位器中的阻值和该液体的阻值调节到一个数量级上就可以很方便地实现此液体的水位控制操作。

实验证明，此水塔水位控制器不仅实现了对水塔水位的精确控制，而且，更具有工业生产的实用性。

但是，如果探头B、C，或者探头D、E同时发生故障，水塔水位控制器中的检测部分就不能识别出来，这是使用时应该注意的。

所以，在使用过程中需要定期检测探头是否发生故障。

结论

现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。

在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。

检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。

现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（