第16章霍尔传感器的应用案例.ppt

第16章 位移测量系统的设计 16.1设计要求 16.1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： 16.1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。 16.2电路原理与设计 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。 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。 16.2电路原理与设计 16.2.3 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 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 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，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。 16.2电路原理与设计 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。 16.2电路原理与设计 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R4有关。 16.2电路原理与设计 16.2电路原理与设计 16.2电路原理与设计 6）实验数据处理 ◆电路调好后进行仿真，可得表16-1的实验结果。