四川大学基于霍尔效应的应用性实验.docx
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四川大学基于霍尔效应的应用性实验
基于霍尔效应的应用性实验
四川大学物理学院瞿华富
1.前言
在用计算机进行监控的四遥(遥测、遥控、遥信、遥调)系统中,常常因为监控系统中的工控机与受控系统中的一些设备不能共地、或者在一些受控设备中存在着噪声干扰等原因,必须在工控机与上述受控设备之间进行电隔离,才能保护工控机的安全和可靠的工作。
在隔离中,当被监控的设备是直流开关稳压电源及其负载(用电设备)时,所需要的隔离就不能是一般简单的隔离,而必须是高精度的静电(直流)隔离,其内容包括直流电压高精度的隔离传送和检测、直流电流高精度的隔离检测、监控量越限时准确的隔离报警。
显然,要实现上述高精度的直流隔离应用光电式传感器是不行的,因为稳压电源释放的热量将引起环境温度的变化,而环境温度的变化将导致光电式传感器中光敏管的光电流和暗电流的变化,因此无法达到高精度隔离的目的。
为了克服上述困难而采用了霍尔传感器,由于霍尔传感器应用了磁平衡原理和磁比例式原理,再加上霍尔元件良好的温度特性,因此霍尔传感器不仅传感精度高、线性度好,而且温度漂移小、输入与输出之间高度隔离,所以取得了很好的结果,实现了直流电压高精度的隔离传输和检测、直流电流高精度的隔离检测、直流电压和直流电流越限时准确的隔离报警。
本教材将介绍应用霍尔效应实现高精度的静电(直流)隔离的实用知识和实用技术。
2.霍尔效应的应用知识
(1)磁平衡原理
如图1所示,当原边电流IIN通过原边线圈N1所产生的磁通量与霍尔电压经放大后产生的副边电流I0通过副边线圈N2所产生的磁通量平衡时,原边磁动势N1IIN与副边磁动势N2I0相等,因此副边电流I0将精确地反映出原边电流值IIN,这就是磁平衡原理。
(2)磁比例式原理
如图2所示,输入电流IIN所产生的磁场B与IIN的大小成正比,根据霍尔效应原理,处在磁场B中并与B垂直的霍尔元件所产生的霍尔电压又与磁场B成正比,于是霍尔元件产生的霍尔电压与输入电流IIN成比例。
这就是磁比例式原理。
图2磁比例式原理图
(3)霍尔传感器的主要性能指标
由于霍尔效应用于静电隔离的产品即为霍尔传感器,用于电压隔离传送和检测的产品称为霍尔电压传感器,用于电流隔离检测的产品称为霍尔电流传感器,用于电流和电压越限隔离报警的产品称为霍尔开关量传感器,因此,直流电压隔离传送实验板、直流电流隔离检测实验板、监控量越限隔离保护实验板均为传感器。
衡量传感器基本性能的主要指标有很多,如:
传感精度、线性度、重复性、温漂、稳定性等。
在这里只介绍最主要的、可用于学生实验的两个重要性能指标。
A.传感精度
精度,即表示测量结果与“真值”的靠近程度,一般用极限误差来表示,或者用极限误差与满量值之比按百分数给出。
定义△Umax为霍尔传感器的电压传感精度,则有
(1)
B.线性度
图3传感器的端点线性度
线性度又称非线性,即表示传感器的输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度。
传感器的线性度是用选定的工作直线与实际工作曲线之间最大的偏差与满量程输出之比表示。
由于工作直线的作法不同,线性度的数值也就不同。
在一般情况下,通常采用端点线性度来表示。
如图3所示,端点是指与量程的上下限值对应的标定数据点。
通常取零点作为端点直线的起点,满量程为终点。
通过这两个端点的直线称为端点直线。
根据这条直线确定的线性度称为端点线性度,用+S、-S表示。
(2)
(3)
应用性实验一、直流电压高精度的隔离传送和检测
在隔离监控工作中,常常需要解决一个难题,那就是直流电压高精度的隔离传送和检测。
因为计算机对某些物理量(如直流稳压电源的电压和电流)的监控必须通过高精度的隔离传送一直流电压(基准电压)才能实现,同时计算机对一些精度很高的直流电压监控时必须对该电压进行高精度的隔离检测。
经实践证明,应用磁平衡原理研制的霍尔电压传感器可以成功的解决这个难题。
本实验将通过测量霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度,从实
验中学习直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。
[预习与思考题]
1.磁平衡原理的内容。
2.传感精度的含意是什么?
3.什么叫端点线性度?
[实验目的]
1.懂得霍尔电压传感器的工作原理.
2.学习应用磁平衡原理实现直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。
3.测量出霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。
[实验仪器]
霍尔效应应用技术综合实验仪;直流电压隔离传送实验板。
[实验原理]
直流电压高精度的隔离传送和检测的原理为磁平衡原理。
如图4所示,当原边电压UIN通过R转换为原边电流IIN,IIN通过原边线圈N1所产生的磁通量与霍尔电压经放大而形成的副边电流I0通过副边线圈N2所产生的磁通量平衡时,有IINN1=I0N2,因此副边电流I0将精确的反应出原边电流IIN,IO在W2上的电压降U0将精确地反映出原边电压的电压值UIN。
工作电流
稳压电源
电压表(V)
清除失调
(W1)
W2(调比例)
IIN
功
放
UH
放
大
电压表(V)
霍尔元件
N1
N2
[仪器介绍]
本实验所用仪器为霍尔效应应用技术综合实验仪和直流电压隔离传送实验板。
霍尔效应应用技术综合实验仪在霍尔效应实验中已有介绍,不再重述。
直流电压隔离传送实验板为图5所示,原理框图如图4所示。
图5直流电压隔离传送实验板
[实验内容]
1、研究直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。
2、测量霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。
[实验要求]
1.测量出霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的精度和线性度。
2.按表1的要求处理数据,并作出端点线性度曲线。
3.总结出直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。
[实验电路及实验方法]
1、实验电路
直流电压高精度隔离传送和检测的实验电路如图4所示。
2、实验方法
(1)通电检查数字表,其方法请见霍尔效应实验的实验方法
(1),检查后关闭电源。
(2)仪表预置
测量选择:
二号表、三号表掷电压端,一号表不用掷电流端。
稳压源输出电压置最小,即左旋“电压调整”电位器到极限位置。
(3)按图4接线,把6条线接好。
(4)消除失调电压
合电源开关,先调“电压调整”使
(量程),再调W2(调比例电位器)使
,试运行5分钟后断开带“0线”,调W1(调零电位器)使U0为0.000V。
(5)调比例,校量程
比例M=U0∶UIN=UOmax∶UINmax
在本实验中取M=1∶1,因此校量程即为当UIN=UINmax时,调整W2(调比例电位器)使UOmax=UINmax。
方法:
接好带“0”线,调“电压调整”使UIN=UINmax,再调W2使U0=UINmax。
(6)断开带“O”线,再次消除失调电压;然后接好带“0”线,再次校量程。
(7)调“电压调整”使UIN读数先从大到小,再从小到大分别为表1中给定的UIN值,从U0测量表上读出与之对应的U0值。
[数据处理]
实验数据处理为表1所示。
表1霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的精度和线性度测试
Uin(v)
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
Uo(v)
Uo(v)
△Umax(v)
Sv
+Sv
-Sv
[霍尔电压传感器的用途]
应用磁平衡原理研制的霍尔电压传感器适用于基准电压高精度的隔离传送和直流电压高精度的隔离检测。
[总结与思考]
1.总结出直流电压高精度的隔离传送和检测的方法。
2.在霍尔电压传感中为什么要消除失调电压?
[参考文献]
1.瞿华富等.基于霍尔效应的可调式直流电压传感器的研制[J].四川大学学报(自然科学版),2006(6),1300-1304.
2.袁希光.传感器技术手册[M].北京.国防工业出版社,1992.
3.张玉民、戚伯云.电磁学[M].北京:
科学出版社,2000。
应用性实验二、直流电流越限时准确的隔离报警
在隔离监控中,受控物理量(又称监控量)越限隔离报警尤为重要,因为当监控量越限时已经涉及到设备的安全。
只有做到当监控量越限时能准确的隔离报警才能保护设备的安全。
经实践证明,应用磁比例式原理研制的霍尔开关量传感器能成功的解决了这一难题。
本实验通过测量霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性,学习直流电流越限时准确的隔离报警的方法。
[预习与思考题]
1.磁比例式原理的内容。
2.直流电流越限时准确的隔离报警有何应用?
[实验目的]
1.懂得基于霍尔效应的磁比例式原理。
2.学习应用磁比例式原理实现直流电流越限时准确的隔离报警的方法。
3.测量出霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警的准确性。
[实验原理]
直流电流越限时准确的隔离报警的原理为磁比例式原理。
如图6所示,根据霍尔效应原理霍尔元件输出的电压UH与输入电流IIN成正比,当UH大于越限设置电压时,“A”即输出高电平(开关量)将报警信号灯点亮。
由于此类传感器在报警时输出高电平(开关量),因此常称此类霍尔效应传感器为霍尔开关量传感器。
监控量越限隔离报警实验板
图6直流电流越限时准确的隔离报警实验电路
[实验内容]
1、研究直流电流越限时准确的隔离报警的方法。
2、测量霍尔开关量传感器在监控量(电流)越限时隔离报警的准确性(精度)。
[实验要求]
1、测量出霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警的准确性(精度)。
2、按表2的要求处理数据。
3、总结出直流电流越限时准确的隔离报警的方法。
[仪器介绍]
本实验所用仪器为霍尔效应应用技术综合实验仪和监控量越限隔离报警实验板。
霍尔效
应应用技术综合实验仪在霍尔效应实验中已经介绍,不再重述。
监控量越限隔离报警实验板如图7所示,原理框图如图6所示。
图7监控量越限隔离报警实验板
[实验电路及实验方法]
1、实路电路
直流电流越限时准确的隔离报警实验电路如图6所示。
2、实验方法:
(1)仪表预置
测量选择:
三只表全掷电流端。
稳压电源输出置最小,即左旋“电压调整”电位器到极限位置。
(2)按图6接线。
(3)校准及测量
a、先调“电压调整”使IXIN为表2中某一给定值时,再调越限量设置使报警显示灯刚亮为止,记录此时的电流值IX(A)。
b、调“电压调整”减小IIN使灯熄,然后再增加IIN在灯刚亮时读出IIN之值。
[数据处理]
实验数据处理为表2所示。
表2霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警的准确性测量
校
准
IXIN(A)
0.100
0.150
0.200
0.250
IX(A)
IIN(A)
△Imax(A)
[用途]
应用基于霍尔效应的磁比例式原理研制的霍尔开关量传感器的用途很多,其中之一为适用于直流稳压电源及其用电设备在电流过流时准确的隔离报警,达到保护电源及其用电设备安全的目的。
[总结与思考]
1.总结出霍尔开关量传感器在直流电流越限时准确的隔离报警的方法。
2.霍尔开关量传感器除了对直流电流越限时能准确的隔离报警外,还能对那些监控量越限时能准确的隔离报警。
[参考文献]
袁希光.传感器技术手册[M].北京:
国防工业出版社,1992.
基于霍尔效应的设计性实验
(相关实验:
霍尔效应实验、霍尔效应应用实验)
四川大学物理学院瞿华富
设计性实验一、直流电流高精度的隔离检测
[实验的意义和目的]
平时常见的对直流电流的测量是直接测量。
这种测量很简单,只需把直流电流表串接在被测电路中就能测量出流过该电路的电流。
然而在自动化和信息技术中,特别是在用计算机进行监控的四遥系统中,常常因为必须在检测及监控系统与被检测和被监控的设备之间进行隔离,于是要检测直流电流就不得不进行隔离检测,并且这种隔离检测还必须是高精度的。
因为只有这样才能实现对直流电源及用电设备的工作电流的监控,使它们安全可靠地运行。
本实验的目的就是通过测量霍尔电流传感器隔离检测直流电流的精度和线性度,学习对直流电流进行高精度的隔离检测的方法。
[实验内容及要求]
1、设计出用霍尔电流传感器(如图2所示)隔离检测直流电流的实验电路。
2、结合实验电路拟定出实验方法。
3、测量出霍尔电流传感器隔离检测直流电流的检测精度和线性度,并作出端点线性度曲线。
4、总结出对直流电流进行高精度的隔离检测的方法。
[参考资料]
1、有关电表改装方面的资料。
2、霍尔效应应用性实验一、直流电压高精度的隔离传送和检测。
3、瞿华富等.基于霍尔效应的可调式直流电压传感器的研制[J].四川大学学报(自然科学版),2006(6),1300-1304.
4.袁希光.传感器技术手册[M].北京:
国防工业出版社,1992.
[实验前应了解的问题]
1、分流器的主要用途是什么?
2、分流器上的电压降与被电流有何种关系?
3、磁平衡原理的内容是什么?
4、在磁平衡电路中Io和
具有何种关系?
5、怎样实现Io=
?
6、检测精度(传感精度)的定义是什么?
7、端点线性度的定义是什么?
[可提供的主要器材]
1、霍尔效应应用技术综合实验仪。
2、直流电流隔离检测实验板(霍尔电流传感器),该实验板为图1所示,原理框图为图2所示。
图1直流电流隔离检测实验板
IIN
UH
放
大
功
放
N1
N2
图2霍尔电流传感器框图
[实验报告要求]
1、阐明实验的目的和意义。
2、简要介绍本实验涉及的基本原理。
3、写出设计实验电路的思路、过程和结果。
4、写出拟定实验方法的思路、过程和结果。
5、全过程的数据记录和处理,并作出霍尔电流传感器的端点线性度曲线。
6、记录全过程中遇到的问题及解决方法,特别是有体会有创新的内容。
7、根据实验结果自评实验效果,再根据实验效果写出改进意见。
8、总结出对直流电流进行高精度的隔离检测的方法。
9、本实验的用途。
设计性实验二、直流电压越限时准确的隔离报警
[实验的意义和目的]
在直流稳压电源中,我们常见的过压保护(告警或断电)属于负载(用电设备)能与电源共地的一类,对于这类情况,只需用一个比较电路便可达到过压保护的目的。
然而在用计算机进行监控的自动化和信息化技术中,常常因为计算机等不能与电源共地而必须隔离,于是计算机的报警就只能是隔离报警,并且还必须做到当直流电压越限时能准确的隔离报警,才能保护用电设备的安全。
本实验通过用自己设计的实验电路和方法测量出监控量越限隔离报警实验板(霍尔开关量传感器)在直流电压越限时隔离报警的准确性,学习对直流电压越限时能够准确的隔离报警的方法。
[实验内容及要求]
1.设计出用监控量越限隔离报警实验板(如图3所示)在直流电压越限时准确的隔离报警的实验电路。
2.结合实验电路拟定出实验方法。
3.测量出监控量越限隔离报警实验板在直流电压越限时隔离报警的准确性(精度)。
4.总结出在直流电压越限时准确的隔离报警的方法。
[参考资料]
1.比较电路的原理及设计。
2.磁比例式原理。
3.基于霍尔效应的应用性实验二,直流电流越限时准确的隔度报警。
4.袁希光.传感器技术手册[M].北京:
国防工业出版社,1992.
[实验前应了解的问题]
1.叙述基于霍尔效应的磁比例式原理。
2.报警设置电压与霍尔电压有何关系?
3.叙述比较电路的工作原理。
4.比较电路的基准电压(越限设置电压)与越限电压有何关系?
[可提供的主要器材]
1.HYS-1型霍尔效应应用技术综合实验仪。
2.监控量越限隔离报警实验板(又名霍尔开关量传感器),该实验板为图3所示,原理框图如图4所示。
图3监控量越限隔离报警实验板
越限设置
图4霍尔开关量传感器框图
[实验报告要求]
1.阐明实验的目的和意义。
2.简要介绍本实验涉及的基本原理。
3.写出设计实验电路的思路、过程和结果。
4.写出拟定实验方法的思路、过程和结果。
5.全过程的数据记录和处理。
6.记录全过程中遇到的问题及解决方法,特别是有体会有创新的内容。
7.根据实验结果自评实验效果,再根据实验效果写出改进意见。
8.总结出当直流电压越限时准确的隔离报警的方法。
9.本实验的用途。
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- 四川大学 基于 霍尔 效应 应用性 实验