霍尔传感器综合实验

1、开放型实验报告实验名称：霍尔传感器综合应用学 院：飞行器工程学院专 业：飞行器制造工程（航空维修）班级学号：14063204学生姓名：曹杨实验日期：2016年6月11日评 分：教师签名：南昌航空大学开放型实验报告1 实验目的（1）了解霍尔效应原理及其在电量、非电量测量中的应用概况；（2）熟悉霍尔传感器的工作原理及其性能；（3）掌握开关型霍尔传感器测量电机转速的方法；（4）掌握线性霍尔传感器测量大电流的方法。2 文献综述2.1 霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发

2、现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。图1 霍尔传感器2.2 霍尔效应由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 I 固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元

3、件的偏置电流 I 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。 图2 霍尔效应2.3 霍尔传感器的分类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。（一）开关型霍尔传感器由稳

4、压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，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。（二）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。 图3线性型传感器 图4 开关型传感器3 实验内容及原理3.1 光电传感器测转速实验实验目的：了解光电转速传感器测量转速的方法实验原理：光电式转速传感器有反射型和透射型两种，本实验装置是透射型的（光电断续器也称光耦），传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过

5、转盘上的通孔后，有光电管接收转化为电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个小孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示f，即可得到转速n=10f。本实验原理框图如图所示。 图5 光电断续器测转速实验原理框图实验仪器：机头中的小电机、光电传感器（装于转速盘上）、CSY-998G型实验仪。实验步骤：1.按图6所示接线方式接线。将F/V表切换到频率2KHz档；直流稳压电源调节到10V档。图6 光电传感器测转速实验接线示意图2.检查接线无误后，合上主、副电源开关，调节电机控制旋钮，F/V表就显示相应的转速f。实验完毕，关闭主、副电源。数据记录与分析：光电传感器侧转速实验频率f41801201

6、61200242281319362400转速n=10f41080012001610200024202810319036204000小结：由记录的数据分析，所测转速满足n=10f关系。3.2 开关式霍尔传感器测转速实验3.2.1开关式霍尔传感器测转速实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。实验原理：利用霍尔效应表达式：Un=KnIB，当被测圆盘装上n只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。实验仪器：主机箱、霍尔传感器、转动源。实验步骤：1根据图7将霍尔转速传感器安装与霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并

7、调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为23mm。图7 霍尔转速传感器实验安装接线示意图霍尔传感器红色线接+5V；黑色线接地；黄色输出信号接频率计、转速表或数字示波器。根据实际输出波形，再确定是否还需要信号整形电路。2首先在接线以前，合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源024V旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表（显示选择调到20V档）检测大约为0V左右；然后关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图16所示分别接到主机箱的相应电源和频率/转速表（转速档）的Fin上。3合上主机箱电源开关，在小于12V范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压

8、)，观察电机转动及转速表的显示情况。4从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据）；画出电机的V-n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。电机驱动的圆盘上装有6个磁铁，当圆盘旋转一周时，霍尔传感器输出6个脉冲信号。采用74LS90，设计六分频电路，并实验验证。3.2.2六分频电路实验步骤：1.按下图接线，输入信号先用信号发生器，输出用数字示波器，验证六分频电路。图8 六分频电路接线示意图2.输入信号接霍尔传感器输出信号，输出用数字示波器或信号发生器测频率，测电机转速。数据记录与分析：开关式霍尔传感器测转速实验电压V/v10.08.16.04

9、.02.0分频前f/Hz223.2178.6131.686.2139.06分频后f/Hz45.0529.9421.9314.207.693.2 线性霍尔传感器位移特性实验实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。实验原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。他将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图24-1（带正电的载流子）所示，把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中。并在导电板中通以纵向电流I，此时在板的横向两侧面A，A之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可

10、以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差U称为霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为: U=RIB/d=KIB 式中: R=-1/（ne）是由半导体本身载流子迁移速率决定的物理常数，称为霍尔系数；K=R/d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。图9 霍尔效应原理具有上述霍尔效应的原件称为霍尔元件，霍尔元件大多采N型半导体材料（金属中自由电子浓度n很高，因此R很小，输输出U极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1m左右。霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能

11、力强以及使用方便等等优点。本实验采用霍尔式位移（小位移1mm2mm0传感器是由线性霍尔元件、两只半圆形永久磁钢组成，其它很多物理量如:力、压力、机械振动等本质上都可以转变成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理图如图24-2所(a)、(b)所示。将磁场强度相同的两只永久磁钢极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的上下中点，其磁感应强度为0，设这个位置为位移的零点，即X=0,因磁感应强度B=0，故输出电压U=0.当霍尔元件沿X轴有位移时，由于B0，则有一电压U输出，U经差动放大器放大输出为V。V与B、B与X有一一对应的线性关系。图24-2（b）中的W是调节霍尔片的不定位电

12、势，所谓不定位电势：B=0时U不等于0.图10 实验电路原理注意事项：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端1、3是电源输入激励端，另外二端2、4是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件要损坏。实验仪器：机头中的振动台、测微头、霍尔位移传感器：显示面板中的F/V表、±2V±10V步可调直流稳压电源；调理电路面板传感器输出单元中的霍尔；调理电路单元中的电桥、差动放大器。实验步骤：1、差动放大器调零：按图24-3示意接线，电压表量程切换开关打到2v挡，检查接线无误之后合上主、副开关。将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底，再逆时针回转一点点（防电位器

13、的可调触点在极限端点位置接触不良;调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为0.关闭主电源。图11 差动放大器调零接线图2、在振动台与测微头吸合的情况下，调节测微头到10mm处使振动台上的霍尔片大约处在两块磁钢间的上、下中点位置（目测）。将±2V±10V步进可调直流稳压电源切换到4V档，再按24-4示意图接线，将差动放大器的增益电位器逆时针方向缓慢转到底（增益最小）。检查接线无误后合上主电源开关，仔细调节电桥单元中的W1电位器，使电压表显示0V.*注意；线性霍尔元件有四个引线端。涂黑两端1（Vs+）、3（Vs-）是电源输入激励端，另外两个2（Vo+）、4（Vo-）是输出端。

14、接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件要损坏。图12 线性霍尔位移特性实验接线示意图3、将测微头从10mm处调到15mm处作为位移起点并记录电压表读数。以后。反方向（顺时针方向）仔细调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格）X=0.1mm(实验总位移从15mm5mm)从电压表上读出相应的电压Vo值，填入下表。线性霍尔传感器位移特性实验X(mm)1514131211109876Vo(V)0.1120.1030.1000.0920.0720.035-0.034-0.183-0.386-0.5344、根据表24实验数据做出V-X特性实验曲线，在实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器

15、的位移量程。5、分析曲线，计算不同测量范围(±0.5mm、±0.5mm、±0.5mm)时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。3.2 线性霍尔传感器测量大电流实验目的：了解霍尔传感器测大电流的应用和相关原理。实验原理：由霍尔电压公式可知：对于一个成型的霍尔传感器,乘积灵敏度KH是一恒定值,则UHICB,只要通过测量电路测出UH的大小,在B和IC两个参数中,已知一个,就可求出另一个,因而任何可转换成B或J的未知量均可利用霍尔元件来测量,任何转换成B和I乘积的未知量亦可进行测量。电参量的测量就是根据这一原理实现的。若控制电流IC为常数，磁感应强度B与被测电流成正比

16、，就可以做成霍尔电流传感器测电流，若磁感应强度B为常数，IC与被测电压成正比，可制成电压传感器测电压，利用霍尔电压、电流传感器可测交流电的功率因数、电功率和交流电的频率。由UH=KICB可知：若IC为直流，产生磁场B的电流IO为交流时，UH为交流；若IO亦为直流，则输出也为直流。当IC为交流，IO亦为直流时，输出与IC同频率的交流且其幅值与被测直流IO大小成正比，改变被测电流IO的方向，输出电压UH极性随之改变。故利用霍尔传感器，既可对直流量进行测量，亦可对交流量进行测量。电流的测量可采用磁平衡式霍尔电流传感器(亦称为零磁通式霍尔传感器)如图3所示。当被测电流IIN流过原边回路时，在导线周围产

17、生磁场HIN这个磁场被聚磁环*，并感应给霍尔器件，使其有一个信号UH输出；这一信号经放大器A放大，输人到功率放大器中Q1，Q2中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流IO；由于此电流通过多匝绕组所产生的磁场HO与原边回路电流所产生的磁场HIN相反；因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出电压UH逐渐减小，最后当IO与匝数相乘N2IO所产生的磁场与原边N1IIN所产生的磁场相等时，IO不再增加，这时霍尔器件就达到零磁通检测作用。这一平衡所建立的时间在1s之内，这是一个动态平衡过程，即原边回路电流IIN的任何变化均会破坏这一平衡的磁场，一旦磁场失去平衡，就有信号输出，经过放大后，立即有相应的电

18、流流过副边线圈进行补偿。因此从宏观上看副边补偿电流的安匝数在任何时间都与原边电流的安匝数保持相等，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2N1(IIN为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的匝数；IO为补偿绕组中的电流；N2为补偿绕组的匝数)。由原、副边匝数可知，只要测得补偿线圈的电流IO，即可知道原边电流IIN，如原边为导线穿心式，则N1=l，IIN=N2IO。利用同样的原理可进行电压测量，只需在原边线圈回路中串联一个电阻R1，将原边电流IIN转换成被测电压UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2ION1，RIN为原边绕阻的内阻(一般很小不计)。对特高

19、压交流电压的测量，先经隔离变压器降压后，对降压后的电压进行测量，然后对测量数据乘以倍数，即可得被测电压的大小。该测量输出信号为电流形式IO。若在霍尔电流传感器的输出电路与电源零点之间串接恰当的电阻R0，并在该电阻上取电压，就构成了电压形式的输出。输出电压经电压调整电路、线性放大电路、不等位补偿电路、射集跟随等获得所需的电压，便于测量与显示。实验仪器：万用表、可调电压源、电子示波器实验步骤：打开仪器后，组内成员分别记录不同电压下的数据，要记录的数据有：电压V、电流I、电子示波器CH1和CH2读数，将所测数据记录并分析，进行比较。数据记录与分析：线性霍尔传感器测量大电流电压V/v电流I/ACH1示数/VppCH2示数/mVpp1003.6040252.527.52.67174.36349.999.62.50521.54446.9192.02.38976.53550.776.12.60411.83647.8166.02.42850.41743.4258.02.251300.0825.8257.81.341310.0将电压V为横轴，电流I为纵轴；CH1*20为横轴，CH2*