电气自动化专业精品毕业论文基于霍尔式传感器技术的数字式车速技的设计（课程设计）

II 目录 摘要I ABSTRACT.II 前言V 1 霍尔器件的介绍.1 1.1 霍尔器件与车速计的关系.1 1.2 霍尔器件的原理.3 1.3 霍尔接近开关.4 1.4 霍尔速度传感器内部.4 2 霍尔传感器与车速计.5 2.1 原理.5 2.2 关系图.6 2.3 计算机程序中的关系.7 2.4 执行器驱动控制电路11 3 车速计的介绍13 3.1 磁电式车速传感器.13 3.2 霍尔式车速传感器13 3.3 光电式车速传感器.14 4.1 概述.24 4.2 LWGY 基本型涡轮流量传感器 24 4.3 流量脉冲信号采集电路27 III 摘 要 霍尔传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。 脉冲的幅度是由激励磁场的场强决定的。因此，霍尔传感器不需要外 界电源供电。霍尔传感器可广泛应用于：1 电子式水表、气表、电表 和远程抄表系统 2 控制设备中传送速度的测量 3 无刷直流电机的旋转 和速度控制 4 在工程中测量转动速度和其他机械上的自动化应用 5 转 速仪、速度表以及其他转子式计量装置 IV ABSTRACT This graduation project researchs content is: Controls the electrically operated actuators opening, thus controls in the pipeline the agricultural chemicals current capacity, and carries on the sampling through the flowmeter to the current capacity. Constitution closed loop feedback control. And considered factors and so on tractor speed, achieve to the pipeline current capacity precise control. The topic research significance lies in the precise agricultural concept applies in the true agricultural production, promotes our country agriculture the modernization, the electrification, the automation. The project uses the monolithic integrated circuit control electrically operated actuator interior electrical machinery Field various plots need fertilizer the ratio and the unit area employment quantity beforehand have programmed store the database; By current machines and tools approaching speed, control broadcast sowing quantity fertilizer. The computer as the system superior machine, accepts the position signal, obtains the current position according to the positional information through the database the quantity fertilizer, simultaneously reads the Doppler radar, the present machines and tools speed and the gain policy-making data synthesis operation, transforms the quantity fertilizer by the digital quantity into the liquid current capacity output, thus realizes the control of variable quantity fertilizer. Keywords:Electrically operated actuator Digital-analog conversion Serial communication Flux transducer Variable control 5 前言 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 m 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55150。 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。 车速传感器 车速传感器检测电控汽车的车速，控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠 速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和 巡航定速等其它功能。车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可 以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信号，车速传感器通常安装在驱动桥 壳或变速器壳内，车速传感器信号线通常装在屏蔽的外套内，这是为了消除 有高压电火线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频干扰，用于保证 电子通讯不产生中断，防止造成驾驶性能变差或其他问题，在汽车上磁电式 及光电式传感器 是应用最多的两种车速传感器，在 欧洲、北美和亚洲的各 种汽车上比较广泛采用 磁电式传感器 来进行车速 (VSS)、曲轴转角 (CKP)和 凸轮轴转角(CMP)的控制，同时还可以用它来感受其它转动部位的速度和位 置信号等，例如压缩机离合器等。 6 一 霍尔器件的工作原理 在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差这个电 压和磁场及控制电流成正比： VHKHIC 式中 VH 为霍尔电压，H 为磁场，IC 为控制电流，K 为霍尔系 数。 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半 导体材料制作的。 用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流 通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与 流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集， 然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好 的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应 出电流的大小，即： IBVH 其中 I 为通过导线的电流，B 为导线通电流后产生的磁场，VH 为霍尔器件在磁场 B 中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数 时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成 的。 1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的 处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线 和处理电路的输出引线用电缆连接起来， 7 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚 度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、 张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制， 加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位 控制、转速检测等等。霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品， 2 霍尔齿轮传感器 新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机， 作为点火定时用的速度传感器，用于 ABS（汽车防抱死制动系统） 作为车速传感器等。 在 ABS 中，速度传感器是十分重要的部件。1 是车速齿轮传感器； 2 是压力调节器；3 是控制器。在制动过程中，控制器 3 不断接收 来自车速齿轮传感器 1 和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理， 得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压 力调节器 2 发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执 行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱 死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。 在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的 实时速度采集器，是 ABS 中的关键部件之一 8 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置 和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是 别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足 0.4曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足 0.05 度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进 一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、 流速、旋转方向等等。 霍尔速度传感器的内部结构 由此，可对转动物体实施转数、转理量的检测。在转轴上固定一个 叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流 速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装 上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等速、角度、角速度等 物图 6 的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路， 被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经 过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体 的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由 电缆 35 来供电和输出。 图 6 霍尔流量计 由图 7 可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 9 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图 27 所示。 曲线 1 对应结构图（a）,曲线 2 对应结构图(b)，曲线 3 对应结构图 (c)。 图 7 霍尔车速表的框图 图 8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试 验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流 传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又 不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵 的测试装置。图 9 示出一种用于 DD 托卡马克中的霍尔电流传 感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到 300kA 的电流。 图 9（a）为 G10 安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多 霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G10 安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图 9 多霍尔探头大电流传感器 10 图 10 霍尔钳形数字电流表线路示意图 图 11 霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图 12 霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图 13 霍尔电度表功能框图 图 14 霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中 移动，它输出的霍尔电压 VH 值只由它在该磁场中的位移量 Z 来决 定。图 15 示出 3 种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的 位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍 尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在 Z2mm 时，VH 与 Z 有良好的线性关系，且分辨力可达 1m，结构（C）的灵敏度高， 但工作距离较小。 图 15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特 性 11 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿 命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加 速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图 16 所示。在图 16 中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c) 为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图 29 中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系 统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从 而改变它的输出电压 VH。由事先校准的 pf(VH)曲线即可得到被 测压力 p 的值。 图 16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图 17 示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的 O 点上固定均质弹簧片 S,片 S 的中部 U 处装一惯性块 M，片 S 的 末端 b 处固定测量位移的霍尔元件 H，H 的上下方装上一对永磁体， 它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象 一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元 件 H 产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压 VH 的变化。可从 VH 与加速度的关系曲线上求得加速度。 12 图 17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结 目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成 电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛 中洛伦兹力作用的结果。霍尔传感器是利用霍尔效应来工作的一类 传感器的总称。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场霍尔元件具 有对磁场敏感，结构简单、体积小、频响宽、动态范围大(输出电势 的变化大)、无活动部件、使用寿命长等优点，因此在测量技术、自 动化技术等方面有着广泛的应用。 利用霍尔输出正比于控制电流和磁感应强度乘积的关系，可分别 使其中一个量保持不变，另一个量作为变量；或两者都作为变量。 因此，霍尔元件大致可分为三种类型的应用。例如，当保持元件的 控制电流恒定，而使元件所感受的磁场因元件与磁场的相对位置、 角度的变化而变化时，元件的输出正比于磁感应强度，这方面的应 用有测量恒定和交变磁场的高斯计等。当元件的控制电流和磁感应 强度都作为变量时，元件的输出与两者乘积成正比，这方面的应用 有乘法器、功率计等。 霍尔元件也可以用来测量旋转体转速。利用霍尔元件测量转速的 方案很多。其一是将永久磁铁装在旋转体上，霍尔元件装在永久磁 铁旁，相隔 lmm 左右。当永久磁铁通过霍尔元件时，霍尔元件输出 一个电脉冲(如图 23.1 所示)。由脉冲信号的频率便可得到转速值。 13 其二是将永久磁铁装在靠近带齿旋转体的侧面，磁铁 N 极与 S 极的 距离等于齿距。霍尔元件粘贴在磁极的端面。齿轮每转过一个齿， 霍尔元件便输出一个电脉冲，测定脉冲信号的频率便可得到转速值。 本实验利用 LHG-5-A 型霍尔传感器采用第一种方案来进行速度测量。 四四. 实验步骤及内容实验步骤及内容 1. 输送线传输速度测量实验结构如图 23.2 所示，将 LHG-5-A 型霍 尔传感器接入输送线模块对应通道。 图 23.2 输送线传输速度测量实验结构示意图 14 2. 启动服务器，运行 DRVI 主程序，开启 DRVI 数据采集仪电源， 然后点击 DRVI 快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的 “DRVI 采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机 注册成功后，从 DRVI 工具栏中启动“DRVI 微型 Web 服务器”，开 始监听 8600 端口。 3. 本实验的原理设计参考图如图 23.3 所示。 图 23.3 输送线速度测量实验原理设计参考图 4. 在 DRVI 软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http:/服务器 IP 地址:8600/SensorLAB/index.htm”，打开 WEB 版实验指导书，在实 验目录中选择 “霍尔传感器传输速度测量”实验，点击附录中“服务 器端”脚本文件链接，将本实验的“服务器”端脚本文件读入。 5. 点击“开始”按钮运行服务器端的实验脚本，如果显示波形没有出 现近似矩形波，并且相关的速度测量是无效的，请调整脉冲计数门 限，直到出现正常的波形为止，如图 23.4 所示。 6. 打开客户端计算机，启动计算机上的 DRVI 客户端程序，然后点 15 击 DRVI 快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI 局域 网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器 IP 地址（例如： ），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证， 认证完毕后即可正常运行客户端中所有的功能。 图 23.4 转速测量服务器端实验样本 7. 点击附录中的“客户端”脚本文件链接，将实验的脚本文件读入。 将服务器 IP 地址填入数据服务器 IP 地址输入栏中，如图 23.5 所示。 在服务器端进行数据采集的同时，点击“开始”按钮，进行客户端的 速度测量过程。 16 图 23.5 转速测量客户端实验样本 五五. 实验报告要求实验报告要求 简述实验目的和原理，分析并整理实验测量结果。 六六. 思考题思考题 1该实验还可以采用其它哪些传感器进行？ 2调整不同的采样频率后，输出信号有何变化？并解释产生这种现 象的原因。 附录：附录： 1. 该实验的实验信号处理框图如图 23.6 所示 17 图 23.6 转速测量实验信号处理框图 )磁电式车速传感器 磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器，它们产生交 变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线 圈接线柱是传感器输出的端子，当由铁质制成的环状翼轮 (有时 称为磁组轮)转动经过传感器时，线圈里将产生交流电压信号。 磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样 的。输出信号的振幅 (峰对峰电压)与磁组轮的转速成正比 (车速)， 信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。传感器磁芯与磁组轮 间的气隙大小对传感器的输入信号的幅度影响极大，如果在磁组 轮上去掉一个或多个齿就可以产生同步脉冲来确定上止点的位置。 18 这会引起输出信号频率的改变，而在齿减少时输出信号幅度也会 改变，发动机控制电脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确 定触发电火时间或燃油喷射时刻的。 测试步骤 可以将系统驱动 轮顶起，来模拟行驶时的条件，也可以将汽车示波器的测试线加 长，在行驶中进行测试。 波形结果 车轮转动后，波形信号在示 波器显示中心处的零伏平线上开始上下跳动，并随着车速的提高 跳动越来越高。波形显示与例子十分相似，这个波形是在大约 30 英里/小时的速度下记录的，它又不像交流信号波形，车速传感 器产生的波形与曲轴和凸轮轴传感器的波形的形状特征十分相似 的。 通常，波形在零伏线上下的跳变是非常对称的，车速传感器 的信号的振幅随车速增加。速度越快波形幅值就越高，而且车速 增加，波形频率也将增加，示波器将显示有较多的波形震荡。 确定振幅、频率和形状等关键的尺度是正确的、可重复的、有规 则的、可预测的。这是指波峰的幅值正常，两脉冲间的时间不变， 形状是不变的且可预测的，尖峰高低不平是因传感器的磁芯与磁 组轮相碰所引起的，这可能是有传感器的轴衬或传动部件不圆造 成的，尖峰丢失是损坏缺点的磁组轮造成的。 不同型式的传感 器，其波形的峰值电压和形状有轻微的差异，另外由于传感器内 部是一个线圈，所以故障是与温度有关的，在大多数情况下波形 会变得短很多，变形也很大，同时还可能设定故障码 (DTC)，故 障在示波器上显示的摇动线束，这可以更进一步确定磁电式传感 器是造成故障的根本原因，车速传感器信号输出最常见的故障是 19 根本不产生信号，但如果驾驶汽车时波形是齐直的直线，那么应 该先检查示波器和传感器的连线，确定电路有没有对地搭铁，确 认零部件能否转动 (塑料齿轮有没有咬死等 )确认传感器气隙是否 正常，然后再断定传感器。 2)霍尔式车速传感器 霍尔效应传感器 (开关)在汽车应用中是十分特殊的，这主要 是由于变速器周围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器， 它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油 喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度 控制电脑电路中。 霍尔效应传感器或开关，由一个几乎完全闭合 的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿 过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响 的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场， 因此，叶片转子窗口的作用是开关磁场，使霍尔效应象开关一样 地打开或关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类 似电子设备称为霍尔开关的原因，该组件实际上是一个开关设备， 而它的关键功能部件是霍尔效应传感器。 测试步骤 将驱动轮顶 起模拟行使状态，也可以将汽车示波测试线加长进行行驶的测试。 波形结果 当车轮开始转动时，霍尔效应传感器开始产生一连串 的信号，脉冲的个数将随着车速增加而增加，与图例相像，这是 大约 30 英里/小时时记录的，车速传感器的脉冲信号频率将随车 速的增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不变。 20 车速传