《傳感器技術(shù)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

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1、 《傳感器技術(shù)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) （07 級(jí)微電子專(zhuān)業(yè)） 劉海浪 編 桂林電子科技大學(xué) 二ＯＯ九年五月 目 錄 實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變式傳感器特性測(cè)試 2 實(shí)驗(yàn)二 電感式傳感

2、器特性測(cè)試 7 實(shí)驗(yàn)三 霍爾傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 13 實(shí)驗(yàn)四 傳感器應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仿真 16 1 / 20 實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變式傳感器特性測(cè)試 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、掌握金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作

3、原理和性能； 2、了解學(xué)習(xí)全橋測(cè)量電路的構(gòu)成及其特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)； 3、比較單臂電橋與全橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。 二、 實(shí)驗(yàn)用器件與設(shè)備 1、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)； 2、傳感器實(shí)驗(yàn)箱； 3、砝碼； 4、跳線(xiàn)； 5、萬(wàn)用表等。 三、 實(shí)驗(yàn)原理 直流電橋原理：在進(jìn)行金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能實(shí)驗(yàn)之前，我們有必要先來(lái)介紹一下直流電橋的相關(guān)知識(shí)。電橋電路有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標(biāo)是橋路靈敏度、非線(xiàn)性和負(fù)載特性。下面具體討論有關(guān)直流電路和與之相關(guān)的這幾項(xiàng)指標(biāo)。 1、 平衡

4、條件 直流電橋的基本形式如圖 1-1 所示。 R1， R2，R3 ， R4 為電橋的橋臂電阻， RL 為其負(fù)載 （可以是測(cè)量?jī)x表內(nèi)阻或其他負(fù)載） 。 當(dāng) RL∞時(shí)，電橋的輸出電壓 V0 應(yīng)為 V0=E( R1 R3 ) R1 R2 R3 R4 當(dāng)電橋平衡時(shí)， V0=0，由上式可得到 R1R4=R2R3， 或 R1 R3 R2 R4  （1-1 ） 2 / 20

5、 圖 1-1 直流電橋的基本形式 式（1-1 ）秤為電橋平衡條件。平衡電橋就是橋路中相鄰兩橋臂阻值之比應(yīng)相等，橋路相鄰兩臂阻值之比相等方可使流過(guò)負(fù)載電阻的電流為零。 2、 平衡狀態(tài) 單臂直流電橋： 所謂單臂就是電橋中一橋臂為電阻式傳感器，且其電阻變化為△ R，其它橋臂為阻值 固定不變，這時(shí)電橋輸出電壓 V0 ≠0（此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_(kāi)路狀態(tài)） ，則不平衡電橋輸出電壓 V0 為 R4 R1 V 0 R3 R1 E (1-2) ＝

6、 R1 R2 R4 1 1 R1 R3 R1 設(shè)橋臂比 n= R2 ，由于△ R1《 R1 ，分母中 R1 可忽略，輸出電壓便為 R1 R1 R4 R1 R3 R1 E V"0= R2 1 R4 1 R3 R1 這是理想情況，式（ 1-2 ）為實(shí)際輸出電壓，由此可求出電橋非線(xiàn)性誤差。實(shí)際的非線(xiàn)性特 性曲線(xiàn)與理想線(xiàn)性曲線(xiàn)的偏差秤為絕對(duì)非線(xiàn)性誤差。則其相對(duì)線(xiàn)性誤差 r 為： R1 R1 V0

7、 V0 R1 = R1 （ 1-3 ） r= V0 = R1 R2 1 R1 n 1 R1 R1 R1 3 / 20 R1 R1 由此可見(jiàn)，非線(xiàn)性誤差與電阻相對(duì)變化 R1 有關(guān)，當(dāng) R1 較大時(shí)，就不可忽略誤差了。 R1 下面來(lái)看電橋電壓靈敏度 SV 。在式（ 1-2 ）中，忽略分母中 R1 項(xiàng)，并且考慮到起始 平衡條件 R1 R3 ，從式（ 1-

8、2 ）可以得到 R2 R4 V n R1 （1-4 ） 0 ≈ E (1 n) 2 R1 電橋靈敏度的定義為 S V = V0 ≈ V0 = n E （1-5 ） R1 R1 (1 n) 2 R1 R1 當(dāng) n=1 時(shí)，可求得 SV 最大。也就是說(shuō)，在電橋電壓 E 確定后，當(dāng) R1 =R2， R3 =R4 時(shí)，電橋電 壓靈敏度最高。此時(shí)可分別將式（ 1-2 ）、（1-3 ）、（

9、1-4 ）、（ 1-5 ）化簡(jiǎn)為： V 0= 1 R1 1 （1-6 ） E 1 R1 4 R1 1 2 R1 R1 r = R1 （1-7 ） R1 2 R1 V 1 R1 （ 1-8 ） 0 ≈ E R1

10、 4 S V = 1 E （ 1-9 ） 4 R1 由上面四式可知，當(dāng)電源電壓 E 和電阻相對(duì)變化 R1 一定時(shí)，電橋的輸出電壓，非線(xiàn) 性誤差，電壓靈敏度也是定值，與各橋臂阻值無(wú)關(guān)。 差動(dòng)直流電橋（半橋式） ： 若圖 1-1 中支流電橋的相鄰兩臂為傳感器，即 R1 和 R2 為傳感器，并且其相應(yīng)變化為△ R1 和 △ R2，則該電橋輸出電壓 V0≠0，當(dāng)△ R1 =△ R2，R1=R2，R3

11、=R4 時(shí)，則得 V 1 R1 = E 0 2 R1 4 / 20 R1 上式表明， V0 與 R1 成線(xiàn)性關(guān)系， 比單臂電橋輸出電壓提高一倍，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差， 而且電壓靈敏度 SV 為 S V = 1 E 2 比使用一只傳感器提高了一倍，同時(shí)可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩? 雙差動(dòng)直流電橋（全橋式） ： 若圖 1-1 中直流電橋的四臂均為傳感器，則構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若滿(mǎn)足△ R1=△R2 =R△ 3=△R4，則輸出電壓和靈敏度為 V R1 S V =

12、 E 0= E R1 由此可知，全橋式直流電橋是單臂直流電橋的輸出電壓和靈敏度的 4 倍，是半橋式直流電 橋的輸出電壓和靈敏度的 2 倍。 四、 實(shí)驗(yàn)方法與步驟 (一 )、全橋電路性能測(cè)量： 1. 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)總電源，將紅色線(xiàn)接入 P1或者 P5口，黃色線(xiàn)接入 P2或者 P3口，將黑色線(xiàn) 接入 P4或者 P8口，將藍(lán)色線(xiàn)接入 P6或P7口； 2、用導(dǎo)線(xiàn)把全橋電路信號(hào)處理模塊的 T8口接到信號(hào)輸出模塊的 T4或T5，然后用信號(hào)線(xiàn) 連接信號(hào)輸出模塊的 BNC接口和多通道數(shù)據(jù)采集模塊的

13、通道 5上。 3. 用電源線(xiàn)將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上多路輸出電源引接到傳感器開(kāi)放電路主板上；把主板上的5V、＋ 12V、－ 12V的電源開(kāi)關(guān)撥到 ON。 4. 用萬(wàn)用表測(cè)量 T8口的對(duì)地電壓， 如果該點(diǎn)電壓超過(guò) 5V，則調(diào)節(jié)電阻 R22的阻值以調(diào)節(jié)放大電路的零點(diǎn)，盡量使輸出為零（可調(diào)到 0.5V 以下即可），然后在應(yīng)變壓辦實(shí)驗(yàn) 臺(tái)上放置法碼，觀察 T8口的輸出電壓，使其始終不超過(guò) 5V，如果有超過(guò)的，則調(diào)節(jié) R21和 R9的阻值，使輸出不超過(guò) 5V； 5. 調(diào)整完畢后，從質(zhì)量為 0g開(kāi)始，先測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，再依次添加不同質(zhì)量的砝碼到托盤(pán)上，用萬(wàn)用表測(cè)量 T8口相應(yīng)的電壓值，因

14、為應(yīng)變片的量程是 5kg，切勿放置過(guò)大質(zhì)量物體在托盤(pán)上，更不可按壓托盤(pán)。 6. 在托盤(pán)上放置一只砝碼， 讀取電壓數(shù)值， 依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的電壓值， 直到砝碼加完，記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入如表 1-1 類(lèi)似的表中，關(guān)閉電源。 表1-1 全橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù) 樣表 5 / 20 重量（ g） 電壓（ mv） 7. 根據(jù)表 1-1 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度 S= U （輸出電壓變化量與重量變化量之比） 。 W 8. 繪出電壓和質(zhì)量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性擬合，求出擬合直線(xiàn)，記下斜率Ｋ和截距 b待用（ v=km+b）。

15、 (二)、 全橋電路的應(yīng)用 --稱(chēng)重實(shí)驗(yàn) ： 1. 運(yùn)行 Labview主程序，打開(kāi)“全橋電路的應(yīng)用—物體重量測(cè)量” 程序，建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境， 2. 在實(shí)驗(yàn)界面上輸入對(duì)應(yīng)通道數(shù)， 然后分別輸入上步擬合得到的 k值和 b值，運(yùn)行程序； 3. 在托盤(pán)上分別放置不同質(zhì)量的砝碼，在實(shí)驗(yàn)界面可看到一個(gè)測(cè)量的質(zhì)量值，分別記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和托盤(pán)上實(shí)際放置的法碼的質(zhì)量，比較誤差，如果誤差過(guò)大請(qǐng)重新計(jì)算 k值和 b值； 7. 計(jì)算實(shí)際質(zhì)量與程序測(cè)量得到的質(zhì)量之間的實(shí)驗(yàn)誤差，分析產(chǎn)生誤差的原因。

16、 6 / 20 實(shí)驗(yàn)二 電渦流傳感器特性測(cè)試及應(yīng)用 預(yù)習(xí)要求： 1、學(xué)習(xí)理解電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并掌握電渦流傳感器用于位移測(cè)量時(shí)的 測(cè)量電路和測(cè)試原理。 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，作好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備（測(cè)試方法及測(cè)試點(diǎn)選擇、數(shù)據(jù)記錄的格式等） 。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，掌握其工作原理和使用方法； 2、通過(guò)測(cè)量電渦流

17、傳感器的輸入輸出關(guān)系曲線(xiàn)，深入理解電渦流傳感器的特性及其指 標(biāo)的含義； 3、利用電渦流傳感器進(jìn)行傳感器靜態(tài)特性的測(cè)量； 4、利用機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器平臺(tái)構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)。 二、 實(shí)驗(yàn)原理 1、電渦流的形成原理 如圖 2-1 所示，由物理學(xué)知識(shí)可知，若在線(xiàn)圈中通入交變電流 I ，在線(xiàn)圈周?chē)目臻g就 產(chǎn)生了交變磁場(chǎng) Ф i，將金屬導(dǎo)體置于此交變磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體表面層產(chǎn)生渦電流，渦電流 的高頻磁場(chǎng) Фe 以反作用于傳感器電感線(xiàn)圈，從而改變了線(xiàn)圈的阻抗 Z 或線(xiàn)圈的電感和品 L 質(zhì)因素。 ZL 的變化取

18、于線(xiàn)圈到金屬板之間的距離 x、金屬板的電阻率 δ、磁導(dǎo)率 μ以及激 勵(lì)電流的幅值 A 和頻率 f 。 i Фi Фi高頻交變磁場(chǎng) δ Фe 渦流磁場(chǎng) Фe 渦流 i 高頻激勵(lì)電流 金屬導(dǎo)體 圖 2-1 電渦流傳感器的工作原理 2、電渦流位移傳感器原理 電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生 的高頻振蕩電流通過(guò)同軸電纜流入探頭線(xiàn)圈中，線(xiàn)圈將產(chǎn)生一個(gè)高頻電磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬 7 / 20

19、 體靠近該線(xiàn)圈時(shí)，由于高頻電磁場(chǎng)的作用，在金屬表面上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，既電渦流。該電流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，方向與線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向相反，這兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加就改變了原線(xiàn)圈的阻抗。這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線(xiàn)圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線(xiàn)圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線(xiàn)性和 各項(xiàng)同性，則線(xiàn)圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率 б、磁導(dǎo)率 ξ 、尺寸因子 τ、頭部體線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體表面的距離 D、電流強(qiáng)度 I 和頻率 ω 參數(shù)來(lái)描述。則線(xiàn)圈特征阻抗可用 Z=F( τ , ξ, б, D, I, ω ) 函數(shù)來(lái)表示。通常我們能做到控制 τ, ξ

20、, б , I, ω這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變， 則線(xiàn)圈的特征阻抗 Z 就成為距離 D 的單值函數(shù)，雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線(xiàn)性的， 其函數(shù)特征為“ S”型曲線(xiàn)， 但可以選取它近似為線(xiàn)性的一段。于此，通過(guò)前置器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將線(xiàn)圈阻抗 Z 的變化，即頭部體線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體的距離 D 的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。 輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距的變化而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的 測(cè)量。 當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過(guò)檢波

21、、濾波、線(xiàn) 性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓 （電流）變化，最終完成機(jī)械位移 ( 間隙 ) 轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。 所以探頭與被測(cè)金屬體表面距離的變化可通過(guò)探頭線(xiàn)圈阻抗的變化來(lái)測(cè)量。前置器根 據(jù)探頭線(xiàn)圈阻抗的變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓。 圖 2-2 為電渦流傳感器的工作原理示意圖。 圖 2-2 電渦流傳感器工作示意圖 主要技術(shù)指標(biāo)： 供電電壓 探頭直徑 線(xiàn)性量程 輸出方式 ＋24V 11mm 4mm 1-5V 8 / 20

22、 3、最小二乘法 合原理： 定平面上一 點(diǎn)（ xi,f(xi) ）(i=1,2,3 ?n) ，用直 合。即求得 f(x), 使得偏差△ Vm達(dá)到最小。 三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備 1． 算機(jī) 1 臺(tái) 2 ．LabVIEW8.2 以上版本 1 套 3．?dāng)?shù)據(jù)采集模 1 臺(tái) 4 ． 流特性 模 1 臺(tái) 5. 源模 1 臺(tái) 6. 操作工具 1 套 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟 1、 前準(zhǔn) 及 路的 接 （ 1） 關(guān) 數(shù)據(jù)采集卡 源，將 流 感器 接到采集

23、卡的數(shù)據(jù)采集一個(gè) AD 通道上。 注意不要在 的情況下從采集卡上插拔 感器，以免 采集卡和 感器造成 壞。 （ 2） 流 感器的工作 源 24V ，把 流 感器的 源接到 臺(tái)的 24V 源口，并把數(shù)據(jù) 接到采集卡的某一通道上，接通 臺(tái)和數(shù)據(jù)采集卡的 源。 定好“通道 ”、 “采 率”、 “采 度”等參數(shù)后點(diǎn) 如下 2-3 所示的運(yùn)行 按 運(yùn)行程序， 察各部分運(yùn)行燈的亮 情況。 運(yùn)行按 圖 2-3 程序運(yùn)行按 （ 4）將千分尺 零，將滑 上反射 片 靠在 流探 表面， 察此 的 。 （ 5）滑

24、 離 感器， 察 數(shù) 的 化， 感器的最大 量距離。 2、 并求出 感器的 性區(qū)范 ： 流 感器的 性區(qū)定 ：不在此 量范 內(nèi) ，其函數(shù)將不成 性關(guān)系。 (1) 接好 量系 中 感器及其采集卡等模 的通道號(hào)及其 源， 整滑 到一個(gè)初始位置， 下 數(shù) X0 。 (2) 打開(kāi)“ 一 流靜 特性 .vi ”， 置每次移 千分尺的距離 0.3mm，將 兩個(gè)數(shù) 入到“ 一 流靜 特性 .vi ”的“采 隔”控制 量里。 圖 2-4 流靜 特性曲 的程序截 。 定好“通道 ”、 “采 率”、 “采

25、 9 / 20 長(zhǎng)度”等參數(shù)。 圖2-4 電渦流靜態(tài)特性試驗(yàn) （ 3）運(yùn)行“試驗(yàn)一 電渦流靜態(tài)特性試驗(yàn) .vi ”，點(diǎn)擊“第 1 次采集”按鈕， 指示燈亮后，程序?qū)⒆詣?dòng)記錄對(duì)應(yīng)電渦流傳感器的讀數(shù)。 （ 4）將千分尺向遠(yuǎn)離探頭方向移動(dòng) 0.3mm，點(diǎn)擊“第 2 次采集”按鈕，依次改變測(cè)量的距離進(jìn)行 30 次測(cè)量，采集 30 組數(shù)據(jù)。注：圖上按鈕可反復(fù)使用，也可只反復(fù)

26、使用一個(gè)，將數(shù)據(jù)記錄在 Excel 表格中，進(jìn)行繪圖。 （ 5）數(shù)據(jù)采集完成后，將采集到的 30組位移與電壓數(shù)據(jù)在 Excel 中進(jìn)行電渦流傳感器的特性曲線(xiàn)的繪制。 （ 6）觀測(cè)出傳感器的線(xiàn)性區(qū)范圍，并對(duì)線(xiàn)性區(qū)進(jìn)行擬后，將擬合直線(xiàn)的表達(dá)式記錄，并同時(shí)記錄擬合直線(xiàn)、斜率 K 和截距 b待用。 3、利用測(cè)得結(jié)果進(jìn)行距離反測(cè)和誤差分析： (1) 打開(kāi)“試驗(yàn)一 電渦流距離測(cè)量及誤差分析試驗(yàn) .vi ”，圖 2-5 為電渦流距離測(cè)量及誤差分析程序截圖。設(shè)定好“通道選擇”、“采樣頻率”、“采樣長(zhǎng)度”等參數(shù)。

27、 10 / 20 圖 2-5 電渦流距離測(cè)量及誤差分析程序 （ 2）設(shè)置千分尺讀數(shù)到觀測(cè)到的線(xiàn)性區(qū)的起點(diǎn)處， 并將此值輸入的實(shí)驗(yàn)界面的起點(diǎn)坐標(biāo)框中，計(jì)算采樣間隔為整個(gè)線(xiàn)性區(qū)長(zhǎng)度的 1/10 ； （ 3）照此采樣間隔的值調(diào)節(jié)千分尺， 分別點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面中的 10個(gè)采集按鈕，采集 10組數(shù)據(jù)，直接采集在實(shí)驗(yàn)界面中，不必再記錄

28、在 Excel 中。 （ 4）數(shù)據(jù)采集完成后，點(diǎn)擊擬合按鈕，得出線(xiàn)性區(qū)擬合線(xiàn)在波形顯示框中。 （ 5）將上一步中得到的擬合線(xiàn)的斜率 K 和截距 b填入實(shí)驗(yàn)界面相應(yīng)的框中，點(diǎn)擊距離計(jì)算得到由實(shí)驗(yàn)程序反測(cè)出的千分尺的距離讀數(shù)。 （ 6）將千分尺的實(shí)際讀數(shù)填入界面的最后一行的相應(yīng)位置， 點(diǎn)擊誤差分析按鈕， 得到實(shí)驗(yàn)反測(cè)的相對(duì)誤差。 （ 7）將具有結(jié)果的整個(gè)實(shí)驗(yàn)界面拷入 Word文檔備用。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1、拷貝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果頁(yè)面，插入到 word 格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。 2、求出所用傳感器的線(xiàn)性區(qū)范圍。 11 / 20

29、 3、對(duì)所用傳感器的輸出特性進(jìn)行線(xiàn)性擬合，求出擬合直線(xiàn)、斜率 K 和截距 b。 4、求出所用傳感器的線(xiàn)性誤差和靈敏度。 六、 參考與提示 1、測(cè)試系統(tǒng)的輸入輸出特性曲線(xiàn) - V (mV) V 2 V m V 1 0 x1x2 x (mm) 圖 2-7 測(cè)試系統(tǒng)的輸入輸出特性曲線(xiàn) 2、電渦流傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)分析方法（各參量如上圖 2-7 中） 線(xiàn)性區(qū)范圍： x 1～ x2 (mm) 對(duì) 線(xiàn)

30、性區(qū)對(duì)應(yīng)的電壓值： V 1～V2 (mV) Vm 線(xiàn)性誤差： 100% V2 V1 靈 敏 度： V2 V1 (mV/mm) x2 x1 七、 思考題 1、電渦流傳感器為什么可作為位移傳感器用？ 2、電渦流的大小還與那些因素有關(guān)？ 3、試想電渦流傳感器還可以用來(lái)測(cè)量那些物理量？ 12 / 20 實(shí)驗(yàn)三 霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 一． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1、了解霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作原理和應(yīng)用； 2、掌握霍爾傳感器的基本特性； 3、學(xué)習(xí)霍爾傳

31、感器構(gòu)成的應(yīng)用電路的基本原理和設(shè)計(jì)方法。 二． 基本原理： 圖 3－ 1 是霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 框圖。當(dāng)有磁場(chǎng)作用在傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電壓 Vh ，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的 Vh 電壓大于 “開(kāi)啟” 閥值時(shí)，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)， 輸出高電平，使輸出三極管導(dǎo)通。 當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)， 霍爾元件輸出的 Vh 電壓很小，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，輸出三極管關(guān)閉。這樣，一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就使傳感器完 成一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 當(dāng)被測(cè)電機(jī)飛輪上裝有 N 只磁性體時(shí)，飛輪每轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)就變化 N 次，霍

32、爾傳感 器輸出的電平也變化 N 次，通過(guò)計(jì)算即可知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 3－ 1 霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 13 / 20 三． 實(shí)驗(yàn)元件和設(shè)備： 1．實(shí)驗(yàn)電路板； 2．電機(jī)組件； 3．霍爾開(kāi)關(guān)傳感器 CS3020； 4．4.7K Ω電阻； 5．跳線(xiàn)若干； 6．示波器或虛擬平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)程序。 四．

33、 實(shí)驗(yàn)步驟： 先用工具將實(shí)驗(yàn)用電機(jī)和飛輪組件固定到實(shí)驗(yàn)主板上，電機(jī)輸入端接入主板上的 Motor 端口上。 ( 一) 、用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)電路小模塊驗(yàn)證測(cè)量： 1、把各電源開(kāi)關(guān)撥到 OFF，接好并關(guān)閉主板電源； 2、把實(shí)驗(yàn)電路模塊插到實(shí)驗(yàn)主板的面包板上，霍爾傳感器的探頭盡量靠近電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán) ( 不大于 5mm)； 3、把主板上的＋ 5V， GND用導(dǎo)線(xiàn)引到電路模塊相應(yīng)引腳上。 4、把電路模塊上信號(hào)輸出端 OUT腳引到主板的輸出口 T4 或 T5 口上，然后將數(shù)據(jù)線(xiàn) 接入實(shí)驗(yàn)臺(tái)的信號(hào)采集模塊上（通道 5 或 6）。 5、在電腦上打開(kāi)相關(guān)的測(cè)

34、試用實(shí)驗(yàn)程序界面。 6、把主板上的＋ 12V、+5V 電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，把運(yùn)行模式開(kāi)關(guān)打到 Motor 檔，把 Power Surply 開(kāi)關(guān)撥到 ON。 7、運(yùn)行程序，開(kāi)始電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。 8、調(diào)節(jié)電阻 R28的阻值即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 9、由霍爾傳感器輸出信號(hào)脈沖的頻率就可以計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 如磁鐵個(gè)數(shù)為 N， 轉(zhuǎn)速為 n，脈沖頻率為 f ，則有： n=f/N 。通常，轉(zhuǎn)速的單位是轉(zhuǎn) / 分鐘，所以要 在上述公式的得數(shù)再乘以 60，才是轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，即 n=60f/N 。

35、 14 / 20 圖 3-5 實(shí)驗(yàn)程序窗口 ( 二 ) 、手動(dòng)自搭電路進(jìn)行測(cè)量： 1. 按模塊上的電路，利用給定的元器件自行設(shè)計(jì)自搭電路，在實(shí)驗(yàn)主板的面包板上搭建好實(shí)驗(yàn)電 路，并仔細(xì)檢查接線(xiàn)；注意霍爾傳感器的探頭盡量靠近電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán) ( 不大于 5mm)； 2、其它步驟同上 3～ 9 中。 五．思考題： 1、霍爾傳感器的基本特性及其基本特性曲線(xiàn)如何； 2

36、、說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中的霍爾傳感器是如何應(yīng)用霍爾傳感器的特性實(shí)現(xiàn)正負(fù)電平轉(zhuǎn)換的。 15 / 20 實(shí)驗(yàn)四 傳感器應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仿真 注：請(qǐng)準(zhǔn)備Ｕ盤(pán)，自行將先前傳給你們的軟件 (Multisim) 拷貝帶上參加實(shí)驗(yàn)?。? 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1、進(jìn)一步掌握傳感器應(yīng)用電路的組成和設(shè)計(jì)原理及方法； 2、了解計(jì)算機(jī)在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用及完成仿真的方法；

37、3、了解霍爾接近開(kāi)關(guān)電路的構(gòu)成和基本工作原理。 二、 基本原理： 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行傳感器技術(shù)方面的實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容之一就是傳感器應(yīng)用電路的仿真， 對(duì)傳感器應(yīng)用電路的仿真的好處在于，可以在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路的時(shí)候不受實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè) 備和電子元器件的限制，而且可以在短時(shí)間內(nèi)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 本實(shí)驗(yàn)以“霍爾接近開(kāi)關(guān)電路的計(jì)算機(jī)仿真”為內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是在上一實(shí) 驗(yàn)三中了解了霍爾傳感器的特性及開(kāi)關(guān)電路的原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，霍爾傳感器的靜 態(tài)特性曲線(xiàn)如圖 4-1 所示，圖 4-2 是其構(gòu)成的接近開(kāi)關(guān)仿真電路， Vh 模擬霍爾傳感器 工作的輸出電壓，當(dāng)調(diào)

38、整電位器的標(biāo)定值，使霍爾傳感器的輸入電壓經(jīng)放大與比較器 的翻轉(zhuǎn)電壓相比達(dá)到一定比較量時(shí)，輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。 ＋ 60mV 0 － 60mV 0 5 10 15 20 25 30 圖 4－1 霍爾傳感器的特性曲線(xiàn) 16 / 20

39、 圖 4-2 霍爾接近開(kāi)關(guān)仿真電路 17 / 20 個(gè)人精品文檔，值得您的擁有 三、 需要的元件和設(shè)備： 1、 實(shí)驗(yàn)電路； 2、 計(jì)算機(jī)一臺(tái)； 3、 Multisim 仿真軟件； 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟： 1. 在 Multisim 軟件環(huán)境下按圖 4-2 建立霍爾接近開(kāi)關(guān)的仿真電路（注意各元器件的選取與放置，可用基本元器件，也可用虛擬儀器元器件） 。 2. 對(duì)各元器件的值及標(biāo)號(hào)進(jìn)

40、行相應(yīng)設(shè)置，放置電路仿真觀察點(diǎn)電壓標(biāo)號(hào)； 3. 設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)置霍爾傳感器模擬電壓 Vh 的 Tine/Voltage項(xiàng)為：0mss 60mV 5ms 60mV 25ms -60mV 30ms -60mV ，注意中間用空格間隔，如圖 4-3 所示； 圖 4-3 霍爾傳感器模擬電壓 V3 設(shè)置 4. 調(diào)節(jié)電位器 WD 的值為 0.5（ 50%）仿真 V1 ～V4 各點(diǎn)電壓，

41、設(shè)置加以電壓表或示 波器，以方便觀察仿真結(jié)果，對(duì)電路進(jìn)行仿真；分析說(shuō)明 V1 ～V4 各點(diǎn)電壓有什么 規(guī)律，由此說(shuō)明霍爾接近開(kāi)關(guān)電路的工作原理； 5. 說(shuō)明當(dāng)電位器 WD 的值為 0.5 時(shí)，此開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作 （即翻轉(zhuǎn)點(diǎn)）在什么位置。 6. 調(diào)節(jié)電位器 WD 的值，使霍爾接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作位置分別在 10ms、20ms 處，用 V1～ 18 / 20 個(gè)人精品文檔，值得您的擁有 V4 各點(diǎn)電壓的仿真結(jié)果說(shuō)明工作原理； 7. 用仿真結(jié)果說(shuō)明是否有電阻 R1、R2，電路工作有何不同，由些說(shuō)明電阻 R1、R2在電路中的

42、作用 （選做）。 8．用仿真結(jié)果說(shuō)明是否有電阻電壓跟隨器 U1A ，電路工作有何不同，由些說(shuō)明電壓跟 隨器 U1A 在電路中的作用 （選做）。 六、思考題： 霍爾傳感器構(gòu)成的接近開(kāi)關(guān)電路的工作原理如何，它是怎樣通過(guò)電壓跟隨器的電壓比 較器來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能的。 19 / 20