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霍尔式速度传感器

《霍尔式速度传感器》课程设计说明书

所在学院：

电气工程学院

指导教师：

学生姓名：

学号：

日期：

燕山大学《传感器原理与设计》课程设计任务书

学号

学生姓名

专业（班级）

设计题目

霍尔式速度传感器的结构和测量电路设计

设计技术参数

1.风速测量范围：

0.03～30m/s

2.风速测量误差：

±0.001×实际风速

3.工作温度范围：

-40～+150℃

4.测量电路和结构设计

设计要求

1.理论设计方案及论证

2.传感器结构设计、理论分析、参数计算

3.测量电路的设计、分析、参数计算

4.绘出传感器的结构示意图和测量电路图

5.结合传感器实验平台，设计振动速度测量实验，推算梁振动时的振幅范围

6.提交课程设计说明书

工作计划

第一周：

周1～周2：

收集消化资料及拟定设计方案

周3～周5：

敏感元件、传感元件设计、转换电路设计

第二周：

周1～周3：

设计结果实验验证或演示

周4～周5：

撰写设计说明书，答辩。

参

考

资

料

1.唐文彦《传感器》（第4版）机械工业出版社2007年

2.李科杰《新编传感器技术手册》国防工业出版社2002年

3.其他：

传感器原理、接口电路、设计手册类参考书

指导教师签字

基层教学单位主任签字

院（系）：

电气工程学院基层教学单位：

仪器科学与工程系

摘要

风速是最基本的气象要素之一，气象学的理论研究和实验应用离不开风速的测量，特别是微气象学的研究与应用，更对风速测量的精度提出了更高的要求。

在测风的各种仪器中，风杯风速计无疑是最常用、使用历史最长的一种。

它成本较低，使用方便。

Hal-12霍尔转速传感器,是一种采用霍尔原理的的转速传感器。

它的感应对象为磁钢。

当被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。

由于安装使用方便，通用性好，已被广泛应用于各种领域。

因此设计中采用风杯与霍尔传感器结合的方法测量风速，以风杯作为敏感元件，感受风速，将风速转换成风杯的转速，并通过霍尔传感器产生脉冲计数，根据每分钟计数脉冲的个数来计算风杯的转速，进而得出风速。

目录

第一章风杯结构..............................

第二章脉冲信号的获得........................

第一节霍尔效应................

第二节霍尔传感器..............

第三章风杯与霍尔传感器的组装.................

第四章硬件电路的设计.........................

第一节霍尔元件的补偿电路.................

第二节Hal-12型霍尔测速传感器电路设计....

第三节信号的计数处理.....................

第五章参数的计算.............................

第六章参考文献...............................

第七章心得总结...............................

第八章封底...................................

第一章风杯结构

风杯风速计的感应部分一般由三个或四个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳

固定在互成120。

的三叉型支架或互成90。

的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，

整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。

在稳定的风力作用下，风杯受到扭力矩的作用而开始旋转，它的转速和风速成一定的关系：

式中，μ为风速，N=

，D=2πr²ρAb₁，ρ为空气密度，A为风杯的横截面积，r为杯架的旋转半径,a₁和b₁是由风杯本身所决定的常数,nB1和B0分别是风杯风速计运转时的静摩擦力矩和动摩擦力矩,B1和B0的量很小，可以忽略,对测量结果不产生影响。

图1-1风杯结构简图

图1-2风杯模型实物图

第二章脉冲信号的获得

第一节霍尔效应

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。

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/d

RH=1/nq（金属）

式中RH——霍尔系数：

n——载流子浓度或自由电子浓度；

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。

应该指出：

霍尔效应对于一切导电体（导体、金属半导体）都成立。

图1-1霍尔效应原理图

第二节霍尔传感器

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，所以，在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到了广泛的应用，通常被用来测量位移、压力、转速等物理量。

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。

在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

在设计中使用是Hal-12霍尔传感器，Hal-12霍尔转速传感器,是一种采用霍尔原理的的转速传感器。

它的感应对象为磁钢。

当被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。

由于安装使用方便，通用性好，已被广泛应用于各种领域。

技术参数：

1.发讯频率：

0~10kHz

2.供电电源：

12~25V（DC）

3.负载电阻：

≥1.0kΩ

4.检测距离：

1~4mm（磁钢）

6.输出信号：

矩形波幅值：

近电源电压

7.环境条件：

温度：

-20°C～80°C相对湿度：

≤85%

8.安装螺纹：

M12×1输出线棕色：

接电源+12V；蓝色：

接电源地0V；黑色：

接信号

图2-1霍尔传感器结构示意图

图2-2Hal-12霍尔传感器实物图

图2-3霍尔传感器结构参数

第三章风杯与霍尔传感器的组装

风杯与霍尔传感器的整体组装如图，为尽量减小风杯的误差，在风杯的每个转臂上距转轴等距离处各黏贴一片规格相同的磁钢，使其不影响风杯的正常旋转，将霍尔传感器安装在风杯的支撑轴上，使其能够正对磁钢的位置，当风杯转过霍尔传感器的位置时，才能保证传感器能感受到磁钢产生的磁场，将引线沿着支架导出，接入后续转换电路。

图3-1风杯与霍尔传感器组装图

第四章硬件电路设计

第一节霍尔元件的补偿电路

零位误差的存在,影响了霍尔传感器的测量精度。

因此,在使用霍尔传感器时,必须考虑如何克服零位误差,以保证电路的高精度测量。

1零位误差

所谓零位误差,就是指在无外加磁场或无控制电流的情况下,霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差称为零位误差。

它主要表现为以下几种具体形式:

（1）不等位电动势

不等位电动势是零位误差中最主要的一种,它是当霍尔元件在额定控制电流（元件在空气中温升10℃所对应的电流）作用下,不加外磁场时,霍尔输出端之间的空载电势。

不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧,致使两电极点不能完全位于同一等位面上。

此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜,致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。

（2）寄生直流电势

在无磁场的情况下,通入交流电流,输出端除交流不等位电压以外的直流分量是寄生直流电势。

产生寄生直流电势的原因大致上有两个方面:

由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应,使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。

输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。

（3）感应零电势

感应零电势是在未通电流的情况下,由于脉动或交变磁场的作用,在输出端产生的电动势。

根据电磁感应定律,感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比。

（4）自激场零电势

霍尔元件控制电流产生自激场，由于元件的左右两半场相等,故产生的电势方向相反而抵消。

实际应用时由于控制电流引线也产生磁场,使元件左右两半场强不等,因而有霍尔电势输出,这一输出电势即是自激场零电势。

在上述的四种零位误差中,寄生直流电势、感应零电势和自激场零电势,是由于制作工艺上的原因而造成的误差,可以通过工艺水平的提高加以解决,而不等位电动势所造成的零位误差,则必须通过补偿电路给予克服。

2零位误差的补偿电路

在实验中发现,对于霍尔元件来说,不等位电动势与不等位电阻是一致的,因此,可以将霍尔元件等效为一个电桥,并通过调整其电阻的方法来进行补偿图4为霍尔元件的结构,其中A、B为控制电极,C、D为霍尔电极,在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示,等效电路如图5所示。

在理想情况下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位电动势为零（或零位电阻为零）,从而消除不等位电动势。

实际上,若存在零位电动势,则说明此4个电阻不完全相等即电桥不平衡。

为使其达到平衡,可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。

理论上可采用三种调整方案,第一种方案为单桥臂挂可调电阻,如图6所示;第二和第三种方案为双桥臂挂可调电阻,如图7、图8所示。

在多次实验中发现,以图8所示电路作为霍尔元件的补偿电路,不但电路简单,而且测量精度高、容易操作,可作为霍尔元件补偿电路的首选。

第二节Hal-12型霍尔测速传感器电路设计

在该系统中,利用Hal-12型霍尔测速传感器检测风杯转速,输出与旋转频率相关的脉冲信号,达到测速目的。

在构成检测电路时,在原电路构成的基础之上,设计了一个针对零位误差的补偿电路,通过补偿电路的调节,抵消了零位误差的影响,从而提高了系统的测量精度。

其工作原理是:

风杯旋转的同时,使霍尔元件的磁极产生变化,从而检测到风杯转速变化。

霍尔元件的输出端接到差动放大器的输入端,因此,c点电压等于d点电压时,运算放大器无输出;当c点电压大于d点电压或小于d点电压时,有差动信号输入,这时,运算放大器输出端有较大的输出电压,说明此时霍尔元件存在零位误差,必须调节可变电阻Rp,保持c点电压等于d点电压。

所以,由于系统中采用了零位误差的补偿电路（增加了可调电阻RP）,可人为消除零位误差的影响,有效的提高了转速检测系统的测量精度。

图4-1传感器电路图

第三节信号的计数处理

信号的计数处理采用了单片机技术，单片机的程序代码如下

测量转速，使用霍尔传感器，被测轴安装有3只磁钢，即转轴每转一周，产生3个脉冲，要求将脉冲的频率F（脉冲个数/秒）显示在数码管上。

用C语言编制的程序如下：

//硬件：

老版STC实验版

//P3-5口接转速脉冲

#include//单片机内部专用寄存器定义

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint//数据类型的宏定义

ucharcodeLK[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,};//数码管0~9的字型码

ucharLK1[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};//位选码

uintdataz,counter;//定义无符号整型全局变量lk

//====================================================

voidinit（void）//定义名为init的初始化子函数

{//init子函数开始，分别赋值

TMOD=0X51;//GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0计数器T1定时器T0

//01010001

TH1=0;//计数器初始值

TL1=0;

TH0=（65536-50000）/256;//定时器t0定时50ms

TL0=（65536-50000）%256;

EA=1;

TR1=1;

TR0=1;

TF0=1;

}

//=============================================

voiddelay（uintk）//延时程序

{

uintdatai,j;

for（i=0;i

{

for（;j<121;j++）{;}

}

}

//================================================

voiddisplay（void）//数码管显示

{

P1=LK[z/1000];P2=LK1[0];delay（10）;

P1=LK[（z/100）%10];P2=LK1[1];delay（10）;

P1=LK[（z%100）/10];P2=LK1[2];delay（10）;

P1=LK[z%10];P2=LK1[3];delay（10）;

}

//=========================================

voidmain（void）//主程序开始

{

uinttemp1,temp2;

init（）;//调用init初始化子函数

for（;;）

{

temp1=TL1;temp2=TH1;

counter=（temp2<<8）+temp1;//读出计数器值并转化为十进制

display（）;

}//无限循环语句结束

}//主程序结束

//===================================================

voidtimer0（void）interrupt1using1

{

TH0=（65536-50000）/256;//定时器t0定时50ms

TL0=（65536-50000）%256;

z=counter/0.05;//读出速度

TH1=0;//每50MS清一次定时器

TL1=0;

}

第五章参数的计算

式中，μ为风速，N=

，D=2πr²ρAb₁，ρ为空气密度，A为风杯的横截面积，r为杯架的旋转半径,a₁和b₁是由风杯本身所决定的常数，Z为每秒钟产生脉冲信号个数，F为脉冲信号的频率，可以同过数码管得出。

nB1和B0分别是风杯风速计运转时的静摩擦力矩和动摩擦力矩,对测量的影响很小，可以忽略，所以风速为

风杯设计具体参数如下图所示

A=πR2=π×252=625πmm2

r=97mm

本设计中风速的具体计算公式为

由于霍尔元件的工作温度为：

-20°C～80°C，所以，整套测速装置的工作温度为

工作温度：

-20°C～80°C

第六章参考文献

[1]唐文彦《传感器》（第4版）机械工业出版社2007年

[2]李科杰《新编传感器技术手册》国防工业出版社2002年

其他：

传感器原理、接口电路、设计手册类参考书

[3]黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京:

机械工业出版社,2002.

[4]

200606/18.html.

[5]高国富,罗均.智能传感器及其应用[M].北京:

化学工业出版社,2005.[4]http:

//82.165.239.201/products-CN/A-Z/18/

296733.html.

[6]王绍纯.自动检测技术[M].北京:

冶金工业出版社,2000.

[7]朱自勤.传感器与检测技术[M].北京:

机械工业出版社,2003.

[8]黄长艺.机械工程测量与试验技术[M].北京:

机械工业出版社,2006.

第六章心得总结

课程设计的开始，主要是先弄清楚课题的任务要求，然后开始寻找相关的资料，通过图书馆和网络，查到了很多相关的资料，然后围绕功能开始从头到尾逐步实现，首先是风杯的结构，通过查资料得到了风杯的转速与风速的关系，这样，只要能测出风杯转速就可以同过计算得到风速，风杯的转速是通过霍尔传感器获得的，因为当磁钢靠近霍尔传感器时，传感器的磁场发生变化，引起传感器的输出电压升高，在风杯的三个风杯转臂上各安装一个磁钢，等间距安装，这样每当风杯转动一周，传感器将输出三个脉冲信号，这样，可以通过测量风杯的脉冲频率即可，通过这次设计，了解了传感器设计的一些基本过程，加深了对传感器应用的认识。