第16章霍尔传感器的应用ppt课件.ppt

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1、第16章位移测量系统的设计16.1设计要求116.2电路原理与设计16.3LabVIEW显示模块设计316.4硬件验证与数据采集卡的应用4216.1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：16

2、.1设计要求16.1设计要求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）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；4）掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位移值的显示；5）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在Lab-VIEW中编程与处理的不同。16.2电路原理与设计16.2.1传感器模型建立霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下：（16-1）◆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

3、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。16.2电路原理与设计◆图16-1为实际霍尔传感器测量位移的特性。图16-1霍尔位移传感器的特性16.2电路原理与设计◆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

4、只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。16.2电路原理与设计◆在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图16-2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。（a）（b）图16-2霍尔传感器模型图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极16.2电路原理与设计16.2.2放大电路设计◆霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加放大电路，此处加的是差分放大电路，如图16-3所示。图16-3测量电路16.2电路原理与设计16.2.3

5、电路仿真分析1）交流分析◆将图16-3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电压源，设其幅值和相位分别为1V和50Hz，然后对电路进行交流分析，设开始和终止频率分别为1Hz和1MHz，输出节点选择节点12，其它设置按默认设置，仿真结果如图16-4所示，该放大电路的带宽约100KHz。16.2电路原理与设计图16-4交流分析结果图12-1为GettingStarted窗口2）傅立叶分析◆电路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅立叶分析，其设置如图16-5所示，频率分辨率（基本频率）项和采样停止时间项都可通过点

6、击其后的“Estimate”按钮进行估计，输出节点仍然选择12点，分析结果如图16-6所示，由图中表格可知电路的总谐波失真（THD）较小，各次谐波的幅值也非常小。16.2电路原理与设计16.2电路原理与设计图16-5傅立叶分析设置图12-2（a）框图面板及函数模板图16-6傅立叶分析结果16.2电路原理与设计16.2电路原理与设计3）直流扫描分析◆按图16-3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，分析设置如图16-7所示，扫描的范围为-0.6V到0.6V，每0.2V扫描一次

7、，输出节点选择节点12，扫描的结果如图16-8所示，可见在-0.6mm～0.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。图12-2（b）前面板及控件模板16.2电路原理与设计图16-7直流扫描分析设置图16-8直流扫描分析结果16.2电路原理与设计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16-9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。图16-9传递函数分析结果16.2电路原理与设计5）参数扫描分析◆滑动变

8、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。参数扫描的设置如图16-10（a）和（b）所示，要分析的输出变量设为输出节点与两输入节点之差的比值，即放大电路的放大倍数。参数扫描的分析结果如图16-11所示，由于电阻R4为51K，所以当反馈回路上总的电阻和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R