传感器测风速

1、燕山大学课程设计说明书目录绪论，绪论，绪论。一、产品介绍二、霍尔式速度传感器的结构和测量电路2.1霍尔式传感器的工作原理22.2霍尔式速度传感器测量电路2.2.1完全测量电路32.2.2引导环节42.2.3转变的一个环节62.2.4扩大环节72.2.5整形输出环节72.2.6风速导出式10三、风杯风速计的误差和补偿11四、设计实验(1)霍尔传感器的交流激励特性12(二)霍尔传感器的振幅测量14五、结语15参考文献燕山大学课程设计说明书绪言风能是清洁、安全、可再生的绿色能源，利用风力能源对环境无污染，生态不损害环境效应和生态效果，对人类社会可持续发展有重要意义。 进入20世纪70年代，世界爆发的

2、能源危机警告了要活着要寻找新能源的开发。 同时，风作为气象状况也影响着人们的一举一动和移动自由。 另外，风这一自然现象也影响农业畜牧业。 因此，各国风速的测量受到重视。风速测定对风力发电特别重要。 风力具有很高的不确定性，为了很好地控制风力发电，食指随着风速的变化获得最大的电力，降低成本，必须正确且及时地测量风速，适当地控制风扇。现在，世界风力发电机可以利用的风速范围为325m/s左右，因此速度传感器的测定风速至少在30m/s以上，风速的变化要求传感器的反应时间在1s以下，要求低功耗、保养性好、长寿命等特征。 目前测定风速的方法很多，本位详细介绍风杯风速计的原理、技术特征和适用范围。一、产品介

3、绍风杯风速计是常见的测定器。 风杯风速计的输入部分，一般由34个半球形或抛物面圆锥形的中空杯壳构成，杯壳固定在相互成120度角度的三叉星形的支架上，或相互成90度角度的十字星家的登场臂上。杯子的凹面沿同一方向排列，整个横架固定在可旋转的垂直轴上。 由于凹面和凸面受到的风的压力不相等，风杯受到扭转时开始旋转，其转速与风速有一定的关系。 风杯转动后，可以用转盘下的霍尔传感器来测量风速。采用风杯风速计的显着优点如下： (1)成本低，使用方便，且几乎不需要维护；(2)转速和风速大致呈线性关系；(3)抗强风。 但是，在该方法中，(1)存在旋转部件，容易产生摩擦，精度降低(2)沙尘和烟也腐蚀(3)摩擦，因

4、此，不能以比起动值低的风速使风杯旋转1燕山大学课程设计说明书因此，无法测量比起始风俗低的微风。二、霍尔式速度传感器的结构和测量电路2.1霍尔式传感器的工作原理霍尔效应：金属半导体片置于磁场中，电流流过后，在与电流和磁场垂直的方向上产生电动势的物理现象被称为霍尔效应。 也就是说霍尔效应是由导体的电荷因磁场而偏移引起的。一片半导体或导体材料在z方向上施加磁场b，工作电流I在x方向上流动的话，在y方向上产生电动势，如图1所示，称为霍尔效应。 称为霍尔电压。图1霍尔效应的原理图假设在长度、宽度、高度分别为l、b、d的n型半导体片中，磁感应强度b的方向与片垂直，如图1所示，当对2个控制电极c、d施加电压

5、u时，在片上形成沿x方向流过的控制电流I，n型半导体的导电载流子为电子，因此，在z轴方向这些电子通过y轴负方向的洛伦兹力FL移动到左端面、即霍尔电极a所在的端面，电子以均匀的速度v移动时，电子通过磁场受到的力(1)因此，左端面因电子的积蓄而带负电，右端面及孔电极b所在的端面电子不足而带正电，左右的端面形成电场EH，形成相应的孔2燕山大学课程设计说明书在首尔电极a、b之间也形成空穴电动势UH，该电场在运动中的电子上作用反方向的电场力，FHFH=-qEH=-qUH/b (2)在FL FH=0的情况下，电子积蓄达到动态平衡，空穴电动势UH成为UH=vbB (3)由式(3)可知，霍尔电压的大小依赖于载

6、流体中的电子的运动速度，因载流体材料而异。 材料中的电子在电场的作用下运动速度的大小经常用载流子迁移率来表现。 迁移率用表示，并且=v/EI。 EI是c、d两端面间的电场强度，由施加电压u产生的EI=U/l。 此时式(3)为UH=ubB/l (3)当材料电子浓度为n时，I=nqbdv，即v=I/(nqbd) (4)将式(4)代入式(3)时UH=IB/nqd=RHIB/d=KIB。 (5)RH是霍尔系数，RH=1/(nq )，由材料的物理性质决定的k是灵敏度系数，K=RH/d，与材料的物理特性和几何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电动势的大小。2.2霍尔式速度传感器测量电路2.

7、2.1完全测量电路风杯风速计霍尔传感器差动放大器施密特触发器风速环2的测定电路结构框图图3燕山大学课程设计说明书图3测量电路的完全电路图2.2.2引导环节自然风从正面朝向风杯旋转风杯，由于圆盘和风杯同轴，所以风杯以相同的角速度旋转，将磁钢固定在圆盘的最外侧并周期性地旋转。原始尺寸，图4 :风杯半径r=1.5cm厘米； 风杯链节长度L=20cm盘半径R=10cm。磁钢：磁石钢形式尺寸(毫米)工作温度()磁感应强度(GS )N35uh15*15*100到18035004燕山大学课程设计说明书风速转换过程：风速与风杯球心的线速度大致呈线性关系，假设其转换比为k原则：PS=PS (6)L=Vb (7)

8、f=2/ (8)(Vf是风速，Vb是风杯半球中心部的线速度，k是实际测试得到的，是圆盘和磁钢的旋转角速度，f是磁钢的旋转频率。 (请参见。)从(6)(7)(8)中得到f=2kL/Vf (9)图4风杯风速计转换部件的结构图5燕山大学课程设计说明书2.2.3转换环节转换过程是根据霍尔原理制作的霍尔元件，由霍尔芯片、四条导线和外壳组成。 请参照以下的图5。 霍尔片是矩形的半导体单晶片，研磨研磨后，用蒸发和金发等方法制成欧姆接触电极，最后称为依存封装。 一般的控制引线用红色引线，例如a-b用输入电流端子，输出引线用绿色引线，例如c-d用输出电压端子，霍尔元件壳用非磁导率金属、陶瓷或环氧树脂密封。图5霍

9、尔元件的外形图当在图示的方向上施加磁场b时，向c-d端子输出电压，将该电压称为霍尔电压Vh，由Vh=IB/ned=KBI(K是霍尔元件灵敏度)和式(f )可知。 一般地，k越大，为了使霍尔电压Vh越大，越好。 k与载流子浓度n成反比，半导体的载流子浓度远小于金属的载流子浓度，因此作为霍尔元件使用半导体材料的灵敏度更高。 因为Kh与样品的厚度d成反比，所以孔片切得很薄，一般为d0.2mm。霍尔元件的选项：6燕山大学课程设计说明书霍尔元件形式输入电阻()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

10、、控制电流I=6mA、磁感应强度B=3500GSVh=252mV2.2.4扩大环节霍尔元件的输出电压一般为几mV到几百mV，应用时必须连接放大器放大该电压。 放大电路的基本形态是差动放大电路。 下图为霍尔元件的放大电路示例。图6差动放大电路正反相端子虚短虚断开后，流过R2的电流等于流过R1、R3、R4三个电阻的电流的代数和。也就是说，v0/r2=-vi/r1是1/r1-r4(1/r1/r21/r31/r4)/(r3r4)， PS -=- (VI - VI-)R1AV=U0/(VI - VI-)=-R2/R1放大率为- R2/R1设定参数： R1=10k，R2=300k时，倍率AV=-302.2

11、.5整形输出环节7燕山大学课程设计说明书该环节用施密特触发器对放大器的输出电压进行整形，用施密特触发器进行整形后，获得理想的矩形脉冲，可用555计时器构成施密特触发器。施密特触发器的工作原理：栅极电路有阈值电压，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，电路的状态会发生变化。 施密特触发器呢？在特殊的门电路中，与通常的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正方向阈值电压和负方向阈值电压。 在输入信号从低电平上升到高电平的过程中，使电路状态变化输入电压称为正方向阈值电压，输入信号从高电平下降到低电平期间使电路状态变化的输入电压称为负方向阈值电压。 正向阈值电压和负方向

12、阈值电压之差称为差动电压。这是一个阈值开关电路，它具有突变输入的输出特性。 此类电路设计以阻止由于输入电压的微小变化(低于特定阈值)引起的输出电压的变化。利用施密特触发的状态转变过程中的正反馈作用，可以将边缘变化缓慢的周期性信号变换成边缘陡峭的矩形脉冲信号。 如果所输入的信号是vt以上的振幅，则在施密特触发的输出侧可以得到相同频率的矩形脉冲信号。可知，由于输入电压低而增加到高，达到v时，输出电压急剧变化，由于输入电压Vi高而低，达到V-时，输出电压急剧变化，因此产生输出电压变化延迟的现象，特别适合要求一定的延迟启动的电路.从传感器得到的矩形脉冲传输时，经常发生波形失真。 如果传输线的电容大，则波形的上升沿显着恶化，传输线长，且接收端的阻抗与传输线的阻抗不一致，则在波形的上升沿和下降沿产生振荡现象的其他脉冲信号经由布线间的分布电容或公共电源线被转换成矩形脉冲信号8燕山大学课程设计说明书在任一情况下，通过用施密特反转触发进行整形，可以得到理想的矩形脉冲波形。 如果适当地设定施密特触发器的vt和vt-，就能得到良好的整形效果。其电路图如下图所示图7施密特触发器为了提高比较器的参照电压和稳定性，通常在终端连接0.01左右的滤波器电容。在1/3的情况下，=1、=0、Q=1，因此；1/32/3时，=1，所以就那样2/3以后，=0、=1、Q=0，因此=。