传感器测风速教材.docx

1、传感器测风速教材燕山大学课程设计说明书目 录绪论1一、 产品简介 1二、 霍尔式速度传感器结构和测量电路2.1 霍尔式传感器工作原理 22.2 霍尔式速度传感器测量电路2.2.1 完整测量电路 32.2.2 感应环节 42.2.3 转换环节 62.2.4 放大环节 72.2.5 整形输出环节72.2.6 风速推导公式 10三、风杯风速仪的误差及补偿11四、设计实验 （一）霍尔式传感器的交流激励特性 12（二）霍尔式传感器测振幅 14五、结束语 15参考文献燕山大学课程设计说明书绪论风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持

2、续发展具有重要意义。进入20世纪70年代，在世界范围内爆发的能源危机告诫人们，要生存就要寻找开发新能源。同时风作为一种天气状况也影响着人们的一举一动和出行自由。此外，风这种自然现象也影响着农业畜牧业。因此，各国的对于风速的测量提高了重视。风速测量对于风力发电尤为重要。由于风能具有很高的不确定性，因此，要想很好地控制风能发电，食指跟随风速的变化而获取最大发电功率并降低成本，就必须准确及时的测出风速，并对风机进行相应的控制。目前，世界上风力发电机可利用的风速范围在325m/s左右，所以，测速传感器测量风速至少要大于30m/s而风速变化要求传感器反应时间不能大于1s另外还要求其具有低功耗、可维护性好

3、、寿命长等特点。目前测风测风速的方法很多，本位将详细介绍风杯风速仪的原理、技术特点与适用范围。一、产品简介风杯风速仪是一种较常见的测风仪器。风杯风速仪的输入部分一般由34个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳固定在互成120度角的三叉星形支架上或互成90度角的十字星之家的登场旋臂上。杯的凹面顺着同一方向排列，整个横架则固定在能旋转的垂直轴上。由于凹面和凸面所受的风的压力不相等，风杯在受到扭力作用时开始旋转，它的转速与风速呈一定关系。当风杯转动时，通过转盘下面的霍尔式传感器能测出风速。采用风杯风速仪的显著优点包括：（1）成本较低、使用方便，并且基本不需要维护；（2）转速与风速基本上呈线性关系；（

4、3）抗强风能力强。但是该方法也存在不足：（1）存在转动部件，容易产生摩擦，降低精度；（2）沙尘和烟雾也会对其造成腐蚀；（3）由于摩擦的存在，低于启动值的风速将不能驱动风杯进行旋转， 1燕山大学课程设计说明书因此，低于启动风俗的微风将无法测量。二、霍尔式速度传感器结构和测量电路2.1 霍尔式传感器工作原理霍尔效应：金属半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流与磁场方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。即霍尔效应是由于导体的电荷在磁场作用下发生偏移引起的。将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势，如图1所示，这现象称为霍尔效应。称

5、为霍尔电压。 图1 霍尔效应原理图假设长、宽、高分别为l、b和d的N型半导体薄片，磁感应强度B的方向垂直于薄片，如图1所示，两个控制电极C、D上外加电压U，薄片中便形成一个沿x方向流动的控制电流I，由于N型半导体导电载流子为电子，在z轴方向的磁场作用下，这些电子将受到沿y轴负方向的洛伦兹力FL作用而向左端面即霍尔电极A所在端面运动，若电子都以均一的速度v运动，那么，在磁场作用下，电子所受的力为FL=qvB。 （1）因此左端面由于电子的积累而带负电，右端面及霍尔电极B所在端面因缺少电子而带正电，左右端面形成电场EH,相应的霍 2燕山大学课程设计说明书尔电极A、B之间也会形成霍尔电动势UH，该电场

6、使运动中的电子受到反方向的电场力作用，FH为FH=-qEH=-qUH/b （2）当FL+ FH=0时，电子积累达到动态平衡，此时霍尔电动势UH为UH=vbB （3）由式（3）可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征。迁移率用表示，=v/EI。EI是C、D两端面之间的电场强度，它是由外加电压U产生的，即EI=U/l。这时式（3）可改写成为UH=ubB/l （3）当材料的电子浓度为n时，有如下关系式：I=nqbdv即v=I/（nqbd） （4）将式（4）代入（3），得：UH=IB/nqd=RHIB/d=

7、KIB。 （5）RH为霍尔系数，RH=1/（nq），由材料物理性质决定；K为灵敏度系数，K=RH/d，它与材料的物理特性和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势大小。2.2 霍尔式速度传感器测量电路2.2.1 完整测量电路 圈2测量电路构成框图 3燕山大学课程设计说明书 图3 测量电路完整电路图 2.2.2 感应环节自然风正面吹向风杯，从而使风杯转动，由于圆盘与风杯同轴因而随风杯以相同角速度旋转，将磁钢固定在圆盘最外侧，使之周期性转动。原件尺寸,如图4：风杯半径r=1.5cm；风杯连架杆长L=20cm；圆盘半径R= 10cm。磁钢：磁钢型号尺寸（mm）工作温度()磁感应

8、强度(GS)N35uh15*15*1001803500 4燕山大学课程设计说明书风速转换过程：一直风速与风杯球心的线速度近似为线性关系，假设其转换比为k，则：Vf=kVb (6)L=Vb (7)f=2/ (8)（Vf为风速，Vb为风杯半球心处的线速度，k可以通过实际测试获得, 为圆盘和磁钢转动的角速度,f为磁钢转动频率。）由（6）（7）（8）得：f=2kL/Vf (9)图4 风杯风速仪转换部件结构图 5燕山大学课程设计说明书2.2.3 转换环节转换环节是根据霍尔原理制成的霍尔元件，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如下图5。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，经研磨抛光，然后用蒸发和金发或者其他方

9、法制作欧姆接触电极，最后喊上瘾馅饼封装。一般控制引线采用红色引线如：a-b为输入电流端子，输出端引线采用绿色引线，如：c-d为输出电压端子，霍尔元件壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。图5 霍尔元件外形图如果在图示方向加上磁场B，就会在c-d端子输出电压，此电压称为霍尔电压Vh，由式（f）知：Vh=IB/ned=KBI（K为霍尔元件灵敏度）。一般地说，K愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压Vh。因K和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因Kh和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d0.2mm。霍尔元件的选材： 6燕山大

10、学课程设计说明书霍尔元件型号输入电阻（）输出电阻（灵敏度（mV/mA/kG）控制电流(mA)工作温度()材料HZ-46001K126-40-150GaAs已知K=12mV/mA/kG，控制电流I= 6mA，磁感应强度B= 3500GS故Vh=252mV 2.2.4 放大环节霍尔元件输出电压一般为几mV到几百mV，应用时必须接入放大器把此电压经行放大。放大电路基本形式是差动放大电路。下图是霍尔元件的放大电路实例。图6 差动放大电路正反相引脚虚短虚断后，流经R2的电流等于流经R1，R3，R4三个电阻的电流的代数和。即V0/ R2=-VI+/R1+1/ R1- R4(1/ R1+1/ R2+1/ R

11、3+1/ R4)/(R3+R4)VI- =- (VI+- VI-)R1AV=U0/(VI+- VI-)=-R2/R1放大倍数为- R2/R1设定参数：R1= 10k，R2= 300k，则放大倍数AV=-302.2.5 整形输出环节 7燕山大学课程设计说明书此环节用施密特触发器对放大器输出电压进行整形，用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲， 用555定时器可以构成施密特触发器。施密特触发器工作原理：门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向

12、阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压

13、发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的. 从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。 8燕山大学课程设计说明书无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的vt+和vt-设置得合适，均能收到满意的

14、整形效果。其电路图如下图所示图7 施密特触发器为提高比较器参考电压和的稳定性，通常在端接由0.01左右的滤波电容。 当1/3时，=1、=0，Q=1，故=；当1/32/3以后，=0、=1，Q=0，故=。因此=2/3从高于2/3开始下降过程： 9燕山大学课程设计说明书当1/32/3时，=1，故=保持不变;当1/3以后，=1、=0，Q=1，故=。因此=1/3。图8 施密特触发器输出脉冲信号2.2.6 风速推导公式 已知Vh=252 mV经放大电路放大后得到输出电压V0= 7560mv，因此设定施密特触发器Vcc= 8V。已知风杯风速仪产生的频率f，经由霍尔传感器，放大电路，施密特触发器后输出相同频率

15、的电压脉冲信号V0，脉冲周期为T，则频率为f= 1/T。T可通过对输出脉冲信号的观察获得，获得方法如图8。由公式（9）得f=2kL / Vf=1/T，故 Vf=2kLT因此通过分析施密特触发器输出脉冲信号获得信号频率T后，即可通 过上式得到风速Vf。 10燕山大学课程设计说明书三、风杯风速仪的误差及补偿1、感应环节存在转动部件，容易产生摩擦，降低精度，沙尘和烟雾也会对其造成腐蚀，影响其精度。可以采用油液润滑和表面防护作用。2、霍尔元件温度误差。一般导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度变化。霍尔元件有半导体材料制成，因此它的性能参数也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。 常采

16、用恒压源和输入回路串联电阻、合理选择负载电阻阻值以及加入温度补偿原件的方法进行温度补偿。3、霍尔元件的零位误差。霍尔元件的零位误差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因此而产生的误差。它主要表现为下面几种方式：主要包括不等位电动势、寄生电流电动势等。（1）不等位电动势不等位电动势是零位误差中最重要的一种。当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端的空载电动势称为不等位电动势。其原因是由于制造工艺不可能保证两个霍尔电极对称的焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。（2）寄生直流电动势当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不

17、等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。误差信号只对霍尔输出的幅值有较小的影响，而对输出信号的频率没有影响，所以不需对它们进行补偿。11燕山大学课程设计说明书四、 设计实验（一）实验一：霍尔式传感器的交流激励特性实验目的：了解交流激励霍尔片的特性。所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、音频震荡、差动放大器、测微头、电桥、移相器、相敏检波、低通滤波器、主、副电源、F/V表、示波器、振动平台。相关旋钮初始位置：音频震荡器1KHz，放大器增益最大，主、副电源关闭。实验步骤：（1） 开启主、副电源将差放调零，关闭主、副电源。（2） 调节测微头脱离振动平台并远离振动台。按下图接线，开启主、副电

18、源，将音频振荡器的输出幅度调到5Vp-p值，差放增益最小。将F/V表的切换开关置于20V档，示波器X轴扫描时间切换到0.1-0.5ms（以合适为宜）Y轴CH1或CH2切换置5V/div，音频震荡器的频率旋钮置5KHz，幅度旋钮置中间幅度。开启主、副电源，调节电桥网络中的W1和W2，使F/V表和示波器显示最小，再把F/V表和示波器Y轴的切换开关分别置于2V档和50mv/div，调节W1和W2及差动放大器调零旋钮，使F/V表的显示值最小，示波器的波形大致为一条水平线（F/V表显示值与示波器图形不完全相符时两者兼顾即可）。再用手轻轻按住双孔悬臂梁称重传感器托盘中间，调节移相器和移相旋钮，使示波器显示

19、 12燕山大学课程设计说明书全波检波的图形。放手后，基本成一条直线。再转动测微头，使振动台吸合并继续调节测微头使F/V表显示零。电路图如下（3）调节测微头，每隔0.1mm记录表头读数填入下表： X(mm) V（v） X(mm) V（v） X(mm) V（v） 找出线性范围，计算灵敏度。 13燕山大学课程设计说明书注意事项：（1）交流激励信号必须从电压输出端0或LV输出，幅度应限制在峰-峰值5V以下，以免霍尔片产生自热现象。（二）实验二:霍尔式传感器测振幅实验目的：了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。实验原理：霍尔传感器由两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成的。当霍尔元件通过

20、恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上下移动时，输出的霍尔电动势取决于在磁场中的位移量。当通过音频振荡器给霍尔元件加以交流激励时，其输出霍尔电动势经过放大环节，通过相敏检波器、低通滤波器后为直流信号。当其振动时，输出端输出正弦信号，连接示波器观察可求出其震动周期和振动幅值。所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、差动放大器、电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波器、低频振荡器、音频振荡、振动平台、主、副电源、激荡线圈、双线示波器。有关旋钮初始位置：差动放大增益旋至最大，音频振荡器1KHz实验电路图如下：14燕山大学课程设计说明书实验步骤：1、开启主、副电源，差动放大器输入短接并接地，调零后，关闭主、副电源。

21、2、根据电路图结构，将霍尔传感器，电桥平衡网，差动放大器，电压表连接起来，组成一个测量线路（电压表应置于20V档）并将差放增益置最小。3、开启主、副电源，转动测微头，将振动平台中间的磁铁与测微头分离并远离，使梁振动时不至于再被吸住（这时振动台处于自动静止状态）。4、调节电桥平衡电位器W1、W2，使F/V表指示为零。5、去除差动对放大器现电压表的连线，将差动放大器的输出与示波器相连，将F/V表置2KHz档，并将低频振荡器的输出端与激荡线圈相连后在用频率表监测频率。6、低频振荡器的幅值旋钮固定至某一位置，调节低频振荡器（频率表监测频率），用示波器读出低通滤波器输出的峰峰值填入下表：F(Hz)VP-

22、P(v)五、 结束语风俗的精确测量是风力发电机进行控制及优化、工农业生产正常运转和人民日常生活有序进行的基础环节。风速的有效获取不但可以保证风能的利用率，而且不同的风速决定了生产、生活工具的不同运行状态，确保生产生活的正常稳定进行。本文介绍了当前常用的风杯风速仪的原理及特点。谨以此文向大家提供参考。 课程设计作为大学课程的必修内容，为我提供了充分理解消 15燕山大学课程设计说明书化课堂知识，锻炼动手能力的平台。通过课程设计，我对霍尔传感器测转速的原理及应用有了更好的认识，使我受益匪浅。同时感谢在课设过程中为我提供答题解惑的老师。参考文献：1、 赵燕 传感器原理及应用北京大学出版社 2010年2、 唐文彦 传感器（第4版）机械工业出版社 2007年 3、 李科杰新编传感器技术手册国防工业出版社 2002年 燕山大学课程设计说明书题目：霍尔式传感器的结构和测量电路设计学院：电气工程学院 班级：精密仪器与机械2班姓名：王超学号：0901*指导教师：张玉燕提交时间：2012年 月 日燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 2012年1月6日答辩小组评语： 成绩： 评阅人： 2012年1月6日课程设计总成绩：答辩小组成员签字： 2012年1 月5日