大作业实验五报告.doc

大作业霍尔式传感器实验5.1实验目的：5.1.1、掌握敏感（传感）元件的转换原理、型号、使用方法，叙述辅助部分的设计和工作原理。了解交流激励时霍尔式传感器的特性。了解霍尔式传感器原理与应用 ，了解交流激励时霍尔式传感器的特性。2.1.1、了解和掌握转换后信号的处理原理和方法。5.2实验元件和设备： （一） 2.2.1直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验材料：5号霍尔式传感器实验模块、直流源5V、测微头、0-2V数显单元。（二） 2.2.1交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验材料：5号霍尔式传感器实验模块、直流源15V、测微头、0-2V数显单元、13号移相、相敏、低通滤波实验模块、双线示波器。5.3实验内容：5.3.1、利用网络或图书馆等，首先掌握敏感（传感）元件的转换原理、型号、使用方法、以及信价比等，整理成不少于3000字的说明书。一、霍尔传感器的工作原理1、霍尔效应如下图 所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1 中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文霍尔在1879 年发现的。VH 称为霍尔电压。2、霍尔传感器测量位移的工作原理根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为UH=kx，式中k位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。二、霍尔器件1、什么是霍尔传感器？霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器 ，它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业过程参数，目前，霍尔传感器以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。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。2、霍尔器件的特点：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。目前，国内外生产的霍尔元件种类很多，以下表格列出了国产霍尔元件的有关参数：常用霍尔元件的参数参数名称符号单位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N型）Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAs电阻率.cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.050.01几何尺寸L*b*dmm8*4*0.24*2*0.28*4*0.28*4*0.26*3*0.28*4*0.28*4*0.2输入电阻Ri0110+ -20%110+ -20%110+ -20%45+ -20%0.8+ -20%0.8+ -20%1.2+ -20%输出电阻Rv0100+ -20%100+ -20%100+ -20%40+ -20%0.5+ -20%0.5+ -20%1+ -20%灵敏度KHmV/(mA.T)12121241.8+ -20%1.8+ -2%1+ -20%不等位电阻R0 0.07 0.05 0.07 0.02 0.005 0.005 0.003寄生直流电压U0mV 150 200 150 100/额定控制电流ICmA20152550250300200霍尔电压温度系数a1/0.04%0.04%0.04%0.03%-1.5%-1.5%内阻温度系数b1/0.5%0.5%0.5%0.3%-0.5%-0.5%热阻RQ/mW0.40.250.20.1/工作温度T-4045-4045-4045-4075040040-40603、霍尔器件的分类：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。（一）线性型霍尔传感器的特性输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1B2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。国产CS系列开关型霍尔集成电路采用IEC标准，其主要技术参数：CS系列开关型霍尔集成电路参数TA（25）型 号UCC/VB(HL)/TB(HL)/TICCLIOUT输出形式引线排列外型TypmaxTyminmAmAUCC地UO1UO2开关型CS3019 II4.51642503010915单OC123- PCS3020 I4.516223516.55615CS3040 I4.5161520105615CS6837A B C4.516-755535-10812CI/PCS6839A B C4.516-755535-106.512CS837A B C4.516-755535-10812双OC1423CIICS839A B C4.516-755535-106.512CS224.55.54570385612射极输出231CI（二）开关型霍尔传感器的特性 如图4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。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5所示。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。 CS系列线性霍尔集成电路参数线性型型号UCC/V灵敏度典型值静态输出电压输出电压/K输出形式引线排列外型1234CS3501(II)8127V/T3.6V0.1射极输出UCC地UO-P CICS131(II)8127V/T可调0.1UCC地UO调节C IICS3605(II)7200mV/(mA T)5mV4.4差动输出UCCUO1地UO2C IIW1W2NHG01GaAS元件-60100mV/(mA T)0.51.2mV0.51.2输入输出1，3或2，4C II4、霍尔传感器使用注意事项：（1）为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。 （2）使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源|稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。 （3）在大多数场合，霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力，一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的，但当有更强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有： 调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小； 在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩； 选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块电源维修； （4）测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，即：IpNp=额定安匝数。另外，原边馈线温度不应超过80。三、霍尔传感器的应用 按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检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，这个磁场是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，转变成电学量来进行检测和控制。 （一）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 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与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。霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。 2位移测量 如图7所示，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。二）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 如图9所示，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生活中的各种实用电路 开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明： 电路1 防盗报警器如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。 电路2 公共汽车门状态显示器使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。5.3.2、单独画出放大电路原理图，并进行输入阻抗、放大倍数等性能的分析。放大倍数：10倍输出阻抗：51K5.3.3、单独画出其他辅助电路原理图，并说明其作用等。直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验5.3.4、分析有无系统误差并处理。 答：有系统误差，分别是零位误差和温度误差1）零位误差。零位误差由不等位电势所造成，产生不等位电势的主要原因是：两个霍尔电极没有安装在同一等位面上；材料不均匀造成电阻分布不均匀；控制电极接触不良，造成电流分布不均匀。补偿方法是加一不等位电势补偿电路。（2）温度误差。因为半导体对温度很敏感，因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显的变化，导致了霍尔元件产生温度误差。补偿方法是采用恒流源供电和输入回路并联电阻。5.3.5、处理上述测量结果，求出它的方差和数学期望，分析有无疏失误差并处理。多次测量的数据分别如下：一、 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验第一组：X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-53-165-243-305-410-454-541-605-657-738第二组：X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-45-100-150-232-380-422-480-550-634-699第三组：X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-52-140-182-244-360-420-499-580-621-720第四组：X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-50-145-223-343-400-436-522-609-646-7232、 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验第一组：X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 OUT（mv） 58122171232280330382422473512第二组：X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 OUT（mv） 50112134216259300359412460500第三组：X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 OUT（mv） 56120161223264322373432471506第四组：X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 OUT（mv） 54116156219267324362403466508 _数学期望：X=（X1+X2+.Xn）/n计算得出数学期望表：直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验数学期望：_X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-50-137.5-199.5-280.5-387.5-433-510.5-586-639.5-720交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验数学期望：_X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 OUT（mv） 54.5117.5155.5222.5267.5319369403467.5506.5_残差：m=Xi- X方差：s=（m12+m22+m32+mn2）直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验方差：X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0s（mv）38222552018191147574021252222721774交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验方差：X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 s（mv） 3559733145241516334128310175根据3s准则的计算，发现没有坏值使用excel软件画出的数据图，采用描点法使用的是最终计算出来的数学期望的表格一、 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验_X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-50-137.5-199.5-280.5-387.5-433-510.5-586-639.5-720二、交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验_X（mm） 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 OUT（mv） 54.5117.5155.5222.5267.5319369403467.5506.5总结：由霍尔传感器的工作原理可知，UHKHIB；也就是说霍尔元件实际感应的是元件所在位置的磁场的强度B的大小(在电流I一定的情况下)。由上述分析即可得知，实验中霍尔元件位移的线性性实际上反映了空间磁场的线性分布！也就是说它揭示了元件测量处磁场的线性分布。5.3.6、实验步骤：一、直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验步骤：1、将霍尔式传感器安装在6号位移测量实验模块上。 2、将5号霍尔式传感器实验模块接上12V电源。霍尔元件1、3为电源5V，2、4为输出。K1、K2选择在直流位置。 3、开启电源，调节测微头使磁钢在离霍尔元件10mm处，再调节W3、W4使数显表指示为零。 4、测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表二、交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验步骤 ： 1）将霍尔式传感器安装在位移测量实验模块上。 2）5号霍尔式传感器实验模块接12V电源。（见图3-2） 3）调节音频振荡器频率和幅度旋钮，从0输出频率为1KHz，用示波器测量，电压峰一峰值为4Vp-p，接入电路中，（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。 4）将0音频电源接入5号霍尔式传感器实验模块的+A端，-B端接地，5号模块V01输出接13号模块相敏检波器的P3端，K1、K2选择开关在交流位置。 5）移相器OUT1接相敏P1端，移相器输入接O相敏输出OUT2接低通滤波输入IN，低通输出OUT3接0-2V数显表。 6）调节测微头（测微头前带有磁钢）使霍尔传感器处于离霍尔元件10mm处，先用示波器观察，调节5号模块W1、W2使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器W3、W4使数显表为零。 7）调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，（注意移相单元电位器RP1和相敏检波电位器RP1均已调好（也能自己调节），使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。 8）使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表。5.4实验结果与讨论5.4.1、详细记录实验结果。一、直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验_ X（mm）0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0V01（mv）-50-137.5-199.5-280.5-387.5-433-510.5-586-639.5-720二、交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验_X（mm）0.20.40.60.811.21.41.61.82OUT（mv）54.5117.5155.5222.5267.5319369403467.5506.5实验中波形：输入电压移相后相敏检波后滤波后5.4.2、写出系统误差的存在形式，说明减小办法。1）零位误差。零位误差由不等位电势所造成，产生不等位电势的主要原因是：两个霍尔电极没有安装在同一等位面上；材料不均匀造成电阻分布不均匀；控制电极接触不良，造成电流分布不均匀。补偿方法是加一不等位电势补偿电路。（2）温度误差。因为半导体对温度很敏感，因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显的变化，导致了霍尔元件产生温度误