大作业实验五报告.docx
- 文档编号:10138198
- 上传时间:2023-02-08
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:195.99KB
大作业实验五报告.docx
《大作业实验五报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大作业实验五报告.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
大作业实验五报告
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μm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-55℃~150℃。
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)
InSb
InSb
InAs
电阻率
ρ
Ω.cm
0.8~1.2
0.8~1.2
0.8~1.2
0.4~0.5
0.003~0.01
0.003~0.05
0.01
几何尺寸
L*b*d
mm
8*4*0.2
4*2*0.2
8*4*0.2
8*4*0.2
6*3*0.2
8*4*0.2
8*4*0.2
输入电阻
Ri0
Ω
110+-20%
110+-20%
110+-20%
45+-20%
0.8+-20%
0.8+-20%
1.2+-20%
输出电阻
Rv0
Ω
100+-20%
100+-20%
100+-20%
40+-20%
0.5+-20%
0.5+-20%
1+-20%
灵敏度
KH
mV/(mA.T)
〉12
〉12
〉12
〉4
1.8+-20%
1.8+-2%
1+-20%
不等位电阻
R0
Ω
<0.07
<0.05
<0.07
<0.02
<0.005
<0.005
<0.003
寄生直流电压
U0
V
<150
<200
<150
<100
/
/
/
额定控制电流
IC
mA
20
15
25
50
250
300
200
霍尔电压温度系数
1/℃
0.04%
0.04%
0.04%
0.03%
-1.5%
-1.5%
内阻温度系数
1/℃
0.5%
0.5%
0.5%
0.3%
-0.5%
-0.5%
热阻
RQ
℃/mW
0.4
0.25
0.2
0.1
/
/
/
工作温度
T
℃
-40~45
-40~45
-40~45
-40~75
0~40
0~40
-40~60
3、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B1~B2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/V
B(H→L)/T
B(H→L)/T
ICCL
IOUT
输出形式
引线排列
外型
Typ
max
Ty
min
mA
mA
UCC
地
UO1
UO2
开
关
型
CS3019II
4.5~16
42
50
30
10
9
15
单OC
1
2
3
-
P
CS3020I
4.5~16
22
35
16.5
5
6
15
CS3040I
4.5~16
15
20
10
5
6
15
CS6837A
B
C
4.5~16
-
75
55
35
-
10
8
12
C
/P
CS6839A
B
C
4.5~16
-
75
55
35
-
10
6.5
12
CS837A
B
C
4.5~16
-
75
55
35
-
10
8
12
双OC
1
4
2
3
C
CS839A
B
C
4.5~16
-
75
55
35
-
10
6.5
12
CS22
4.5~5.5
45
70
38
5
6
12
射极输出
2
3
1
—
CI
(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/KΩ
输出形式
引线排列
外型
1
2
3
4
CS3501(II)
8~12
7V/T
3.6V
0.1
射极输出
UCC
地
UO
-
PCI
CS131(II)
8~12
7V/T
可调
0.1
UCC
地
UO
调节
CII
CS3605(II)
7
200mV/(mAT)
5mV
4.4
差动输出
UCC
UO1
地
UO2
CII
W1W2
NHG01
GaAS元件
-
60~100mV/(mAT)
0.5~1.2mV
0.5~1.2
输入输出1,3或2,4
CII
4、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:
①调整模块方向,使外磁场对模块的影响最小;
②在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩;
③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:
51K
5.3.3、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)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(mv)
-53
-165
-243
-305
-410
-454
-541
-605
-657
-738
第二组:
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(mv)
-45
-100
-150
-232
-380
-422
-480
-550
-634
-699
第三组:
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(mv)
-52
-140
-182
-244
-360
-420
-499
-580
-621
-720
第四组:
X(mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(mv)
-50
-145
-223
-343
-400
-436
-522
-609
-646
-723
2、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)
58
122
171
232
280
330
382
422
473
512
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)
50
112
134
216
259
300
359
412
460
500
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)
56
120
161
223
264
322
373
432
471
506
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)
54
116
156
219
267
324
362
403
466
508
_
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)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(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)
54.5
117.5
155.5
222.5
267.5
319
369
403
467.5
506.5
_
残差:
=Xi-X
方差:
=(12+22+32+…+n2)
直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
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
(mv)
38
2225
5201
8191
1475
740
2125
2222
721
774
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
(mv)
35
59
733
145
241
516
334
1283
101
75
根据3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)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(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)
54.5
117.5
155.5
222.5
267.5
319
369
403
467.5
506.5
总结:
由霍尔传感器的工作原理可知,UH=KHIB;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)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V01(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)
54.5
117.5
155.5
222.5
267.5
319
369
403
467.5
506.5
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差。
补偿方法是采用恒流源供电和输
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 作业 实验 报告