霍尔传感器位移测量电路的设计毕业设计.docx
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霍尔传感器位移测量电路的设计毕业设计
本科课程设计报告
题目霍尔传感器位移测量电路的设计
课程名称:
虚拟仿真技术
指导教师:
秦新燕
班级
学生姓名(学号)
同组学生姓名
同组学生姓名
完成时间:
物理与电子信息学院电子信息系
目录
第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务2
1.1课程设计的意义2
1.2课程设计任务说明2
第二章关于虚拟仪器和Labview2
2.1虚拟仪器简介2
2.2Labview概述3
2.2.1Labview的发展历程3
2.2.2什么是VI?
3
2.2.3Labview的操作面板3
第三章霍尔传感器位移测量电路的设计5
3.1设计要求5
3.2测量电路原理与设计5
3.2.1模型的建立5
3.2.2放大电路设计6
第四章对电路仿真分析7
4.1交流分析7
4.2傅里叶分析8
4.3直流扫描分析8
4.4传递函数分析9
4.5参数扫描分析9
第五章LabVIEW显示模块设计10
5.1位移测量子程序的设计10
5.2接口电路的设计与编译11
第六章总结15
第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务
1.1课程设计的意义
虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新
型仪器。
在国外,虚拟仪器技术已经比较熟了,由于其很强的灵活性,使得该技
术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。
近几年,虚拟仪器技术在国内的发展
势也越来越受到重视。
成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成:
高效的软件编程环
境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架,该课程设计的目
的就是,通过一些功能简单的仪表系统的设计,要在这三个方面上有更深一步的
了解。
1.2课程设计任务说明
用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm~0.6mm的位移测量仪。
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
当霍尔元件作线性测量时,最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。
当物体在一对相对的磁铁中水平运动时,在一定的范围内,磁场的大小随位移的变化而发生线性变化,利用此原理可制成位移测量器。
通过本设计,要掌握以下内容:
1)了解霍尔传感器测量位移的原理;
2)掌握霍尔元件的测量电路;
3)熟悉Labview虚拟仪器向Multisim10.0的导入方法;
4)测量电路硬件实现后,当输出模拟信号,会用数据采集卡进行采集;
5)掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理,实现位移值的显示;
6)了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时,在LabVIEW中编程与处理的不同。
第二章关于虚拟仪器和Labview
2.1虚拟仪器简介
和传统的实物仪器相比,虚拟仪器是一种全新的概念。
它是利用计算机的硬件资源(CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标)、标准数字电路(GPIB、RS-232接口总线、新型的VXI接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线)以及计算机软件资源(数据分析与表达、过程通信。
图像用户界面等),经过有针对性的开发测试,使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。
不管是传统实物仪器还是虚拟仪器,仪器大多由以下三大功能模块组成:
对被测信号的采集和控制模块、分析与处理模块,以及测得结果的表达与输出模块。
传统仪器的这些功能度是以硬件(或固体化的软件)的形式存在的。
将这些功能移植到计算机上完成,在计算机上插上数据采集卡,然后利用软件在屏幕上生成仪器面板,并且用软件来进行信号分析处理,这就构成了一台虚拟仪器。
简单的说,虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案。
相对于传统仪器,它有四大优势:
性能高、扩张性强、开发时间长、完美的集成功能。
虚拟仪器的五大特点:
①具有可变性、多层性、自主性的面板。
②强大的信号处理功能。
③虚拟仪器的功能、性能、指标可有用户定义。
④具有标准的、功能强大的接口总线、板卡以及相应软件。
⑤虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。
2.2Labview概述
2.2.1Labview的发展历程
Labview是美国国家仪器公司(NationalInstrument简称NI公司)推出
的一门图形化编程语言,同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。
Labview是laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench的英文缩写,即实验室虚拟仪器集成环境,是一种图形化的编程语言——G语言。
综上所示,Labview是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。
2.2.2什么是VI?
用labview开发出的应用程序被称为VI(virtualinstrument,即虚拟仪器)。
VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序,由frontpanel(前面板)和blockdiagram(两部分构成)。
前面板是应用程序的界面,是人机交互的窗口,主要由controls(控制量)和indicators(显示量)构成。
后面板是VI的代码部分,也是VI的核心。
后面板主要由图标、连线和框图构成,这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、Vis,正是它们构成了VI的主体。
2.2.3Labview的操作面板
在LabVIEW的用户界面上,应特别注意它提供的操作模板,包括工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和函数(Functions)模板。
(如图2-2)这些模板集中反映了该软件的功能与特征。
图1-2工具模块、控制模块、函数模块
(1)工具模板(ToolsPalette)
该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
如果该模板没有出现,则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。
当从模板内选择了任一种工具后,鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。
当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后,把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序(SubVI)或图标上,就会显示相应的帮助信息。
(2)控制模板(ControlPalette)
该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。
每个图标代表一类子模板。
如果控制模板不显示,可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它,也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键,以弹出控制模板。
(3)功能模板(FunctionsPalette)
只有打开了流程图程序窗口,才能出现功能模板。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
若功能模板不出现,则可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它,也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。
第三章霍尔传感器位移测量电路的设计
3.1设计要求
用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm~0.6mm的位移测量仪。
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
当霍尔元件作线性测量时,最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。
当物体在一对相对的磁铁中水平运动时,在一定的范围内,磁场的大小随位移的变化而发生线性变化,利用此原理可制成位移测量器。
通过本设计,要掌握以下内容:
1)了解霍尔传感器测量位移的原理;
2)掌握霍尔元件的测量电路;
3)熟悉LabView虚拟仪器向Multisim10.0的导入方法;
4)测量电路硬件实现后,当输出模拟信号,会用数据采集卡进行采集;
5)掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理,实现位移值的显示;
6)了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时,在LabVIEW中编程与处理的不同。
3.2测量电路原理与设计
3.2.1模型的建立
霍尔传感器基于霍尔效应,用公式表示如下:
式中:
VH为霍尔电压;
KH为霍尔元件灵敏度;
I为控制电流;
B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。
两块相对的磁铁间形成磁场,当物体在沿垂直于磁场方向运动时,在一定的测量范围内,磁感应强度与位移的关系是近似线性的。
所以输出电压与位移也存在线性关系。
图1为实际霍尔传感器测量位移的特性。
图1霍尔传感器霍尔传感器测量位移的特性
可见在-0.6mm~0.6mm之间,电压位移关系近似线性。
对实验数据进行拟合,由于实际数据是经过放大后的数据,在拟合前要将数据除以放大倍数。
拟合后的数学表达式为:
式中:
VH为霍尔元件输出电压,单位为mV;
X为被测位移量,单位为mm。
由以上分析可知,霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性,所以它是用来测量微小位移的。
在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图2所示,它的测量范围是-0.6mm~0.6mm。
V1可模拟位移,压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。
图2霍尔传感器模型
图中1、2为激励电极;3、4为霍尔电极
3.2.2放大电路设计
霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级,因此,实际使用时必须加放大电路,此处假的是差分放大电路,如图3所示。
图3差分放大电路
第四章对电路仿真分析
4.1交流分析
将图3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电源,设其幅度和频率分别为1V和50Hz,然后对电路进行交流分析,设开始和截止频率分别为1Hz和10MHz,输出节点选择节点10,其他设置按默认设置,仿真结果如图所示,该放大电路的带宽约100KHz。
交流分析结果
4.2傅里叶分析
电路的输入端仍然接上面的交流源,对电路进行傅里叶分析。
输出节点仍然选择10,分析结果如图所示,由图可知,电路的总谐波失真(THD)较小,各次谐波的幅值也非常小。
傅里叶分析结果
4.3直流扫描分析
按图3所示,输入端接霍尔传感器模型,对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描分析。
输出节点选择节点10,扫描分析结果如图,由图可知,在-0.6~0.6mm位移范围内,电路的输出近似线性。
直流参数扫描分析结果
4.4传递函数分析
将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源,然后进行传递函数分析,结果如图所示。
放大电路的放大倍数约为-4.8倍,电路输入阻抗约为20KΩ,输出阻抗约为0.024Ω。
传递函数分析结果
4.5参数扫描分析
滑动变阻器Rw1的中心抽头打在中间位置不变,对电阻R3的阻值进行参数分析扫描,分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。
参数扫描的分析结果如图所示,由于电阻R4为51KΩ,所以当反馈回路上的总电阻和R4的阻值不相等,即参数不对称时,放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值,还和R4有关。
参数分析扫描结果
4.6实验数据处理
电路调好后进行仿真,可得如表所示的实验结果。
实验结果
位移X(mm)
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
电压Uo(mV)
464.408
309.659
154.911
0.162598
-154.586
-309.334
-464.083
用MATLAB进行对上表的实验结果拟合后得:
第五章LabVIEW显示模块设计
5.1位移测量子程序的设计
由上节公式可得位移表达式:
根据上式,可建立一个子VI,其程序框图如图:
图4程序框图
并定义图标与连接器:
双击右上角图标编辑后如图所示。
用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格,在快捷菜单中选择ShowConnector,此时连接窗格为默认模式,右键点选一种单输入单输出的模式,左边窗格与时域信号采集器Input相关联,右边窗格与位移显示相关联。
关联后的连接器窗格见图(b)。
完成上述工作后,将设计好的VI保存。
(b)连接器
(a)图标
5.2接口电路的设计与编译
1把Multisim安装目录下Sampling>>LabVIEWInstruments>>Templates>>Input文件夹拷贝到另外一个地方。
②在LabVIEW中打开步骤①中所拷贝的StarterInputI-nstrument.lvproj工程,如图5。
接口电路的设计是在StarterInputInstrument.vit中进行。
图5StarterInputInstrument.lvproj工程图
③打开StarterInputInstrument.vit的框图面板,完成接口框图的设计。
在数据处理部分,选择CASE结构下拉菜单中的UpdateDATA选项进行修改。
按框图中的说明,在结构框中右键点击选择SelectaVI,把在LabVIEW完成的子VI添加在UpdateDAT-A框中即可。
子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连,在子VI的输出端点击右键创建位移指示表,如图6所示。
程序框图设计好后,要进行前面板的设计,除了要完成功能外,还要兼顾美观。
设计好的前面板如图7所示。
之后选择重命名,保存为proj.vit
图6接口部分设计
图7前面板设计
④编译之前,要对虚拟仪器进行基本信息设置。
打开
subVIs下的StarterInputInstrument_multisimInformation.vi的后面板,如图8所示,在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识,如一起设为plotterproj。
同时把输入端口数设为1,因为只有一个电压输入;把输出端口设为0,此模块不需要输出。
设置完后另存为proj_multisimInformation.vi,注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。
图8虚拟仪器基本信息的修改
⑤编译属性设置:
打开BuildSpecifications,右键点击SourceDistribution,选择属性设置,在保存目录和支持目录中,都将编译完成后要生成的库文件重命名,如proj.lib。
同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目,如图9所示。
属性设置完成并保存后,再在SourceDistribution上点击右键,在弹出的菜单中选择Build即可。
图9“属性设置”对话框
⑥编译完成后,在Input文件夹下生成一个Build文件夹,打开后把里面的文件复制到NationalInstruments\CircuitDesignSuite10.0下的lvinstruments文件夹中,这样就完成了虚拟仪器的导入,当再打开Multisim时,在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块(plotterproj),如图10。
图10plotterproj模块
霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块,对电路调零后可得下图(a)、(b)的部分结果,可见设计结果基本符合要求。
(b)0.4mm结果
(a)-0.2mm结果
第六章总结
本次课程设计是关于霍尔传感器位移测量电路的设计,在做此设计前必须先掌握一些基本的模电知识和对Multisim、Labview仿真软件的运用,方可理解并熟练完成。
由于此次设计是个人独立完成,且没有学习过Labview的运用,因而对Labview的G语言编程不会用,期间遇到了不少问题,但是通过上网XX与图书管借阅的一些书籍,问题慢慢一个个都解决了。
通过本次设计,使我更为熟练的掌握了Multisim元件库的调用,同时也掌握了Labview的部分知识,已及对两者接口部分设计的掌握,相信自己再次面对类似的设计时,可以熟练的完成。
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期:
指导教师签名:
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
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日 期:
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
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学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。
尽我所知,除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明并表示感谢。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者(本人签名):
年月日
学位论文出版授权书
本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”),愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊(光盘版)电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版,并同意编入CNKI《中国知识资源总库》,在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播,同意按“章程”规定享受相关权益。
论文密级:
□公开□保密(___年__月至__年__月)(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)
作者签名:
_______导师签名:
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_______年_____月_____日_______年_____月_____日
独创声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计(论文)使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文
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