实验十七 线性霍尔传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的 磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在 电场和磁场中而产生电势的一种现象。如图171（带正电的载流子）所示，把一块宽为 b， 厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I ,此时在板图 171 霍尔效应原理的横向两侧面A , A之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用 洛伦兹力来解释），所产生的电势差UH称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为：H式中：RH=-l/（ne）是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；Hkh= RH/d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中 自由电子浓度n很高，因此Rh很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有Wm 左右。霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放 大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可 靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。本实验采用的霍尔式位移（小位移1mm2mm）传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组 成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。霍尔 式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图172 （a）、（b）所示。将磁场强度相同的两 块永久磁钢同极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为0，YrVW1sNNS差动放大器 电压表2(W)O-4V电桥平衡网络4 （Vo-） L 霍尔位移传感器1俗）丿=I Rw（a）工作原理（b）实验电路原理图 17 2 霍尔式位移传感器工作原理图设这个位置为位移的零点，即X=0,因磁感应强度B = 0,故输出电压U =0。当霍尔H元件沿X轴有位移时，由于BM0,则有一电压U输出，U经差动放大器放大输出为V。 HHV 与 X 有一一对应的特性关系。注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端是电源输入激励端，另外二端是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能颠倒，否则霍尔元件就损坏。三、需用器件与单元：主机箱中的土2V10V （步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。四、实验步骤：1、调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度 线。按图173示意图安装、接线，将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，2V 10V （步进可调）直流稳压电源调节到4V档。2、检查接线无误后，开启主机箱电源，松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安 装套，使传感器的PCB板（霍尔元件）处在两园形磁钢的中点位置（目测）时，拧紧紧固螺钉。3、测位移使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3周，记 录电压表读数作为位移起点。以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒（0.01mm/每 小格），每隔 X=0.1mm（总位移可取34mm）从电压表上读出输出电压Vo值，将读数填入表 17（这样可以消除测微头的机械回差）。表17 霍尔传感器（直流激励）位移实验数据X (mm)V(mV)4、根据表17数据作出VX实验曲线，分析曲线在不同测量范围（0.5mm、1mm、 2mm）时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。实验十八 线性霍尔传感器交流激励时的位移性能实验一、实验目的：了解交流激励时霍尔式传感器的特性。二、基本原理：交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处 是测量电路。三、需用器件与单元：主机箱中的土2V10V （步进可调）直流稳压电源、15V直流 稳压电源、音频振荡器、电压表；测微头、霍尔传感器、霍尔传感器实验模板、移相器相 敏检波器低通滤波器模板、双踪示波器。四、实验步骤：1、相敏检波器电路调试：将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻 轻转到底），将2V土 10V可调电源调节到2V档，再按图181示意接线，检查接线无 误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=1kHz，峰峰值Vp-p=5V （用示波器测量。 提示：正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置，触发源选择内触发CH1、水平扫描 速度TIME/DIV在0.1mS10M范围内选择、触发方式选择AUT0 ；垂直显示方式为双踪显 示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V5V范围内选择。当 CH1、 CH2 输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。）。调节相敏检波器的电位器钮 使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。到此，相敏检波器电路已调试完毕，以后不 要触碰这个电位器钮。关闭电源。直涼稳压电源图 18 1 相敏检波器电路调试接线示意图霍尔式传感器测微头安装JL就套微分筒霍尔传感器实验模板图 18 2 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图2、调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度 线。按图182示意图安装、接线，将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接 线无误后合上主机箱电源开关。3、松开测微头安装孔上的紧固螺钉。顺着传感器的位移方向移动测微头的安装套（左 右方向都可以），使传感器的PCB板（霍尔元件）明显偏离两园形磁钢的中点位置（目测）时, 再调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形（示波器 CH2 的灵敏度 VOLTS/DIV在50mVIV范围内选择监测）。再仔细移动测微头的安装套，使相敏检波器输出 波形幅值尽量为最小（尽量使传感器的PCB板霍尔元件处在两园形磁钢的中点位置）并拧紧 测微头安装孔的紧固螺钉。再仔细交替地调节实验模板上的电位器Rwi、RW2使示波器CH2 显示相敏检波器输出波形基本上趋为一直线并且电压表显示为零（示波器与电压表二者兼 顾，但以电压表显示零为准）。4、测位移使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回 程差，为消除这种机械回差可用单行程位移方法实验：顺时针调节测微头的微分筒3 周，记 录电压表读数作为位移起点。以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒（0.01mm/每 小格），每隔 X=0.1mm（总位移可取34mm）从电压表上读出输出电压Vo值，将读数填入表 18（这样可以消除测微头的机械回差）。表 18 交流激励时霍尔传感器位移实验数据X (mm)V(mV)5、根据表18数据作出VX实验曲线，分析曲线在不同测量范围（0.5mm、1mm、2mm）时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。五、思考题：根据对实验曲线的分析再与实验十七比较，线性霍尔传感器测静态位移时采用什么激励电源为好（直流或交流）？实验十九 开关式霍尔传感器测转速实验一、实验目的：了解开关式霍尔传感器测转速的应用。二、基本原理：开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图191 所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器 就同频率f相应变化输出，再经转速表显示转速n。图 19 1 开关式霍尔传感器测转速原理框图三、需用器件与单元：主机箱中的转速调节024V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率转速表；霍尔转速传感器、转动源。四、实验步骤：1、根据图 192 将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为23mm02、将主机箱中的转速调节电源024V旋钮调到最小（逆时针方向转到底）后接入电压表 （电压表量程切换开关打到20V档）；其它接线按图192所示连接（注意霍尔转速传感器的 三根引线的序号）；将频频转速表的开关按到转速档。3、检查接线无误后合上主机箱电源开关，在小于12V范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变直流电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。霍尔架惮电架频率转速磁钢2转盘转速调节直流稳压电源+5VCT-24V3mm .十电机rt rl rt rt1 e Xj 8 JU s O电压表游7S蘇 工作平台升降杆升降支架霍尔转速传感器转动源霍尔转速 传感器o/F0丿誓LTij十转盘图 192 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据）； 画出电机的V-n （电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。实验完毕，关闭电源。五、思考题：利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件？实验二十 磁电式传感器测转速实验一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。二、基本原理：磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器，也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律，一个匝数为N的线圈在磁场中切割磁力线时， 穿过线圈的磁通量发生变化， 线圈两端就会产生出感应电势， 线圈中感应电势：e = - N 业 dt。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定（即磁场强度已定）后，使穿过线圈的磁通发 生变化的方法通常有两种：一种是让线圈和磁力线作相对运动，即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势；另一种则是把线圈和磁钢部固定，靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻，从而改变通过线圈的磁通。因此，磁电式传感器可分成两大类型：动磁式及可动衔铁式（即可 变磁阻式）。本实验应用动磁式磁电传感器，实验原理框图如图201 所示。当转动盘上嵌 入6个磁钢时，转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化，感应电势e通过放大、整形由频率表显示f,转速n=10f。帝磁体转动盘农竺磁电传感器P.放大整形f_TL ”转速n=iO转速袤三、图 201 磁电传感器测转速实验原理框图需用器件与单元：主机箱中的转速调节024V直流稳压电源、电压表、频频转速表；磁电式传感器、转动源。四、实验步骤：磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外 （传感器探头中心与转盘磁钢对 准），其它完全与实验十九相同；请按图202 示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕，关闭电源。频率/转速表电压表升降立架工作平台图 20 2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图磁电转速 传感器五、思考题