传感器与测试技术传感器与测试技术 课程设计 课程设计 题题 目：数显霍尔电流表的设计目：数显霍尔电流表的设计 专专 业：机械设计制造与自动化业：机械设计制造与自动化 05 秋秋 姓姓 名：齐婷婷名：齐婷婷 指导教师：王景兴指导教师：王景兴 批注批注 微软用微软用户户 宋体一号加 粗 批注批注 微软用微软用户户 体小二号加 粗 目录 目录 一、设计目的一、设计目的 .1 二、设计要求二、设计要求 .1 三、设计方案及系统框图三、设计方案及系统框图.1 .2 .2 .2 .4 .7 .8 五、整体电路图五、整体电路图14 六、调试六、调试14 七、总结七、总结15 八、所需元件列表八、所需元件列表 .15 九、参考文献九、参考文献 .15 四、各部分功能电路设计四、各部分功能电路设计 （一） 、磁传感器（一） 、磁传感器 1、霍尔效应和霍尔元件、霍尔效应和霍尔元件 2、霍尔电流传感器、霍尔电流传感器 3、霍尔集成传感器、霍尔集成传感器 （二） 、（二） 、A/D 转换器及显示电路转换器及显示电路 . 批注批注 微软用微软用户户 宋体小二加 粗 批注批注 微软用微软用户户 宋体四号加 粗 1 一. 设计目的 一. 设计目的 通过课程设计，使我们在实践环节中进一步理解和熟悉自动检测仪表的原 理、组成和调试。熟悉霍尔传感器的原理，掌握常用的霍尔传感器的使用方法。 掌握常用芯片的使用方法， 熟悉 A/D 转换与单片机的接口方法。 并培养动手能力， 学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，整理总结设计报告。 二 二 件及必备的 A/D 转换设备、 显示器等。 要求量程在 0-50A，要求画出完整的电路图 . 三、设计方案及系统框图 三、设计方案及系统框图 霍尔传感器广泛用于测量电流， 从而可以制成电流过载检测器或过载保护装 置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件构成电流反馈回路,构成电流表。本 2 2 环上绕 可产生 1M 的灵敏度为 1.4mVmT， 则在 050A 电流范围内， 其输出电压变化为 420mV。由 UGN3501M、A/D 转换器及液晶显示器组成的数显电 流表的控制框图如图 2 所示。 .设计要求 .设计要求 设计数显霍尔电流表， 要求使用霍尔元 批注批注 微软用微软用户户 宋体小四号 加粗 批注批注 微软用微软用户户 宋体小四号 加粗1.5倍行 距 设计用 UGN3501M 霍尔传感器测量电流。如图 1 所示，软磁材料圆环中心直径为 40mm。 ，截面积为 4 X4mm （方形） ，圆环上有一开口，放人 UGN3501M，圆 有 11 匝线，并通过检测电流。根据磁路理论，可以算出电流为 50A 时， 0.3T 磁场强度。 由于 UGN350 传 感 器 调整 电路 A/D 转换 数 显 2 电路设计 （ 电路设计 （ 霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场 有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 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 触点、无磨 损 器件的工作温度范围宽，可达55150。 前者输 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 如图 3 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 3 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。 图 2 霍尔电流表图 2 霍尔电流表 四、各部分功能 一） 、 四、各部分功能 一） 、磁传感器磁传感器 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 、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m 级） 。取用了 各种补偿和保护措施的霍尔 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。 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。 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。 1、霍尔效应和霍尔元件 1.1 霍尔效应 1、霍尔效应和霍尔元件 1.1 霍尔效应 图 3 霍尔效应和霍尔元件 这种现象的产生， 是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑 作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍 霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔 兹力的 尔电场。 电场 。 在片子上作四个电极，其中 C1、C2 间通以工作电流 I，C1、C2 称为电流电极， C3、C4 间取出霍尔电压 VH，C3、C4 称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将 片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片 力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压 ）。 (1)或(或2)(3) 的材料 尔元件 决定的， (3)式 f(I/W) 决定于元件的设计和工艺， 霍尔元件一旦制成， 这些参数均为常数。 因此， 式(1) (3)就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。(1)式表示电流驱动，(2)式 表示电压驱动，(3)式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。 磁场的 恒温箱， 常采用恒压驱 动，因和 RH 比较起来，n 随温度的变化比较平缓，因而 VH 受温度变化的影响 较小。为获得尽可能高的输出霍尔电压 VH，可加大工作电流，同时元件的功耗 也将增加。(3)式表达了 VH 能达到的极限元件能承受的最大功耗。 在上述（1） 、 （2） 、 （3）式中 VH 是霍尔电压，是用来制作霍尔元件 的电阻率，n 是材料的电子迁移率，RH 是霍尔系数，l、W、t 分别是霍 的长、宽和厚度，f(I/W)是几何修正因子，是由元件的几何形状和尺寸 I 是工作电流，V 是两电流电极间的电压，P 是元件耗散的功率。由(1) 可见，在霍尔元件中，、RH、n 决定于元件所用的材料，I、W、t 和 为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测 磁感应强度 B 可用霍尔电压来量度。在一些精密的测量仪表中，还采用 将霍尔元件置于其中，令 RH 保持恒定。若使用环境的温度变化， 3 4 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 件输出特性见图四(a)、(b). 这些霍尔元件大量用于 直流无刷电机和测磁仪表. 1.2 霍尔元件 1.2 霍尔元件 InSb 和 GaAs 霍尔元 （a） InSb 霍尔元件的输出特性 (b)GaAs 霍尔元件的输出特性 2、霍尔电流传感器 2、霍尔电流传感器 线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内 置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的 电流。图 8（a）所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图 8(b)所示的传 感器用于检测较大的电流。 图四 霍尔元件的结构和输出特性 霍尔电流传感器的结构如图 8 所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测 电流流过的导线上，将导 图 8 霍尔电流传感器的构成原理 实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。 将图 8 中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即 可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测 量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量 它检测 率升高， 对测量精度产生影响。 当感应强度高的磁 芯 放大后，让这个电 流通过补偿线圈，并令测电流产生的磁场方向相反，若 满足条件 式中，I1 为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1 为初级绕组的匝数， I2 为补偿绕组中的电流，N2 为补偿绕组的匝数。由式（5）可知，达到磁平衡时， 即可由 Is 及匝数比 N2/N1 得到 Io。 2.1 直接测量式霍尔电流传感器 2.1 直接测量式霍尔电流传感器 范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器， 的是磁芯气隙中的磁感应强度。 电流增大后， 磁芯可能达到饱和； 随着频 磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会 然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁 材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件来进行检测等等。 2.2 零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器 2.2 零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器 如图 9 所示，将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流 补偿线圈产生的磁场和被 IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为 0，这时下式成立： Io=Is(N2/N1) (5) 5 图 9 霍尔零磁通电流传感器 图 10 霍尔电流传感器在继电保护与测量中的应用 间极短。 平衡时， 霍尔器件处于零磁通状态。 磁芯中的磁感应强度极低 （理想状态应为 0） ， 不材料和 尔电压 实现电流的“无电位”检测。即测量电路 不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的 输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的 影响，检测电路也不受被检电路的景响。 （H 为霍尔电流传感器） 这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡。建立平衡所需的时 会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。恰当地选择磁芯 线路元件，可做出性能优良的零磁通电流传感器。 在霍尔电流传感器的输出电路中接上恰当的负载电阻器， 即可构成霍 传感器。霍尔电流传感器的特点是可以 6 霍尔电流传感器可以检测从直流到 100kHz（通过仔细的设计和制作，甚至 7 可以达到 MHz 级）的各种波形的电流，响应时间可短到 1s 以下。由于这些优 点，霍尔电流传感器得到了极其广泛的应用。 3、霍尔集成传感器 3、霍尔集成传感器 片上构 成电路相同，故也称霍尔 尔传感器和开关型霍尔传感器。 置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输 出和双端输出(差动输出)两种电路，如图 11 所示。 将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯 成霍尔传感器。有些霍尔传感器的外形与 DIP 封装的集 集成传感器。分为线性型霍 3.1霍尔线性型传感器 3.1霍尔线性型传感器 这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系 美国 SPRAGUE 公司生产的 UGN 系列线性霍尔传感器中，UGN3501T、UGN3501U、 UGN3501M 具有代表性。其中 T、U 两种型号为单端输出，差别是 T 型厚、U 型薄. M 型为双端输出 8 脚 DIP 封装。其技术参数如表 2 所示。 传感器的输出特性如 015 个磁场强度范围内 UGN3501T 的输出有 较好线性度，超出此范围时呈饱和状态。对 UGN3501M其 5、6、7 脚接一调整 电位器时，可补偿不等位电动势，且可改善线性，但灵敏度有所降低。若允许不 等位电动势输出则可不接电位器。 图 12 和图 13 所示：由图可见在 UGN3501T 的电源电压与相对灵敏度的特性如图 14 所示， 由图可知 Ucc 高时， 输出灵敏度高。 UGN3501T 的温度与相对灵敏度特性如图 15 所示， 随温度增加 其 灵敏皮下降。因此，若要提高精度需在电路中加温度补偿环节。 （二） （二） 为 、A/D 转换器及显示电路 转换器及显示电路 2位 本设计选用双积分型 ICL7106 芯片作 1 3 A/D转换器。 ICL7106 的引脚排列如图 13-1 所示 引脚的功能如