1、燕山大學課程設計說明書目 錄緒論1一、 產品簡介 1二、 霍爾式速度傳感器結構和測量電路2.1 霍爾式傳感器工作原理 22.2 霍爾式速度傳感器測量電路2.2.1 完整測量電路 32.2.2 感應環(huán)節(jié) 42.2.3 轉換環(huán)節(jié) 62.2.4 放大環(huán)節(jié) 72.2.5 整形輸出環(huán)節(jié)72.2.6 風速推導公式 10三、風杯風速儀的誤差及補償11四、設計實驗 （一）霍爾式傳感器的交流激勵特性 12（二）霍爾式傳感器測振幅 14五、結束語 15參考文獻燕山大學課程設計說明書緒論風能是一種清潔、安全、可再生的綠色能源，利用風能對環(huán)境無污染，對生態(tài)無破壞環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對于人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意

2、義。進入20世紀70年代，在世界范圍內爆發(fā)的能源危機告誡人們，要生存就要尋找開發(fā)新能源。同時風作為一種天氣狀況也影響著人們的一舉一動和出行自由。此外，風這種自然現象也影響著農業(yè)畜牧業(yè)。因此，各國的對于風速的測量提高了重視。風速測量對于風力發(fā)電尤為重要。由于風能具有很高的不確定性，因此，要想很好地控制風能發(fā)電，食指跟隨風速的變化而獲取最大發(fā)電功率并降低成本，就必須準確及時的測出風速，并對風機進行相應的控制。目前，世界上風力發(fā)電機可利用的風速范圍在325m/s左右，所以，測速傳感器測量風速至少要大于30m/s而風速變化要求傳感器反應時間不能大于1s另外還要求其具有低功耗、可維護性好、壽命長等特點。

3、目前測風測風速的方法很多，本位將詳細介紹風杯風速儀的原理、技術特點與適用范圍。一、產品簡介風杯風速儀是一種較常見的測風儀器。風杯風速儀的輸入部分一般由34個半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120度角的三叉星形支架上或互成90度角的十字星之家的登場旋臂上。杯的凹面順著同一方向排列，整個橫架則固定在能旋轉的垂直軸上。由于凹面和凸面所受的風的壓力不相等，風杯在受到扭力作用時開始旋轉，它的轉速與風速呈一定關系。當風杯轉動時，通過轉盤下面的霍爾式傳感器能測出風速。采用風杯風速儀的顯著優(yōu)點包括：（1）成本較低、使用方便，并且基本不需要維護；（2）轉速與風速基本上呈線性關系；（3）抗強風能力強

4、。但是該方法也存在不足：（1）存在轉動部件，容易產生摩擦，降低精度；（2）沙塵和煙霧也會對其造成腐蝕；（3）由于摩擦的存在，低于啟動值的風速將不能驅動風杯進行旋轉， 1燕山大學課程設計說明書因此，低于啟動風俗的微風將無法測量。二、霍爾式速度傳感器結構和測量電路2.1 霍爾式傳感器工作原理霍爾效應：金屬半導體薄片置于磁場中，當有電流通過時，在垂直于電流與磁場方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。即霍爾效應是由于導體的電荷在磁場作用下發(fā)生偏移引起的。將一塊半導體或導體材料，沿Z方向加以磁場B，沿X方向通以工作電流I，則在Y方向產生出電動勢，如圖1所示，這現象稱為霍爾效應。稱為霍爾電壓。 圖

5、1 霍爾效應原理圖假設長、寬、高分別為l、b和d的N型半導體薄片，磁感應強度B的方向垂直于薄片，如圖1所示，兩個控制電極C、D上外加電壓U，薄片中便形成一個沿x方向流動的控制電流I，由于N型半導體導電載流子為電子，在z軸方向的磁場作用下，這些電子將受到沿y軸負方向的洛倫茲力FL作用而向左端面即霍爾電極A所在端面運動，若電子都以均一的速度v運動，那么，在磁場作用下，電子所受的力為FL=qvB。 （1）因此左端面由于電子的積累而帶負電，右端面及霍爾電極B所在端面因缺少電子而帶正電，左右端面形成電場EH,相應的霍 2燕山大學課程設計說明書爾電極A、B之間也會形成霍爾電動勢UH，該電場使運動中的電子受

6、到反方向的電場力作用，FH為FH=-qEH=-qUH/b （2）當FL+ FH=0時，電子積累達到動態(tài)平衡，此時霍爾電動勢UH為UH=vbB （3）由式（3）可見，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運動速度，它隨載流體材料的不同而不同。材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷移率來表征。遷移率用 表示， =v/EI。EI是C、D兩端面之間的電場強度，它是由外加電壓U產生的，即EI=U/l。這時式（3）可改寫成為UH=ubB/l （3）當材料的電子濃度為n時，有如下關系式：I=nqbdv即v=I/（nqbd） （4）將式（4）代入（3），得：UH=IB/nqd=RHI

7、B/d=KIB。 （5）RH為霍爾系數，RH=1/（nq），由材料物理性質決定；K為靈敏度系數，K=RH/d，它與材料的物理特性和幾何尺寸有關，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時的霍爾電動勢大小。2.2 霍爾式速度傳感器測量電路2.2.1 完整測量電路風杯風速儀霍爾式傳感器差動放大器施密特觸發(fā)器風速 圈2測量電路構成框圖 3燕山大學課程設計說明書 圖3 測量電路完整電路圖 2.2.2 感應環(huán)節(jié)自然風正面吹向風杯，從而使風杯轉動，由于圓盤與風杯同軸因而隨風杯以相同角速度旋轉，將磁鋼固定在圓盤最外側，使之周期性轉動。原件尺寸,如圖4：風杯半徑r=1.5cm；風杯連架桿長L=20cm；圓盤半徑R=

8、 10cm。磁鋼：磁鋼型號尺寸（mm）工作溫度()磁感應強度(GS)N35uh15*15*1001803500 4燕山大學課程設計說明書風速轉換過程：一直風速與風杯球心的線速度近似為線性關系，假設其轉換比為k，則：Vf=k·Vb (6)L=Vb (7)f=2/ (8)（Vf為風速，Vb為風杯半球心處的線速度，k可以通過實際測試獲得, 為圓盤和磁鋼轉動的角速度,f為磁鋼轉動頻率。）由（6）（7）（8）得：f=2kL/Vf (9)圖4 風杯風速儀轉換部件結構圖 5燕山大學課程設計說明書2.2.3 轉換環(huán)節(jié)轉換環(huán)節(jié)是根據霍爾原理制成的霍爾元件，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成，如下圖5。霍

9、爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，經研磨拋光，然后用蒸發(fā)和金發(fā)或者其他方法制作歐姆接觸電極，最后喊上癮餡餅封裝。一般控制引線采用紅色引線如：a-b為輸入電流端子，輸出端引線采用綠色引線，如：c-d為輸出電壓端子，霍爾元件殼體用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。圖5 霍爾元件外形圖如果在圖示方向加上磁場B，就會在c-d端子輸出電壓，此電壓稱為霍爾電壓Vh，由式（f）知：Vh=IB/ned=KBI（K為霍爾元件靈敏度）。一般地說，K愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓Vh。因K和載流子濃度n成反比，而半導體的載流子濃度遠比金屬的載流子濃度小，所以采用半導體材料作霍爾元件靈敏度較高。又因Kh和樣品厚度d成反比

10、，所以霍爾片都切得很薄，一般d0.2mm。霍爾元件的選材： 6燕山大學課程設計說明書霍爾元件型號輸入電阻（）輸出電阻（靈敏度（mV/mA/kG）控制電流(mA)工作溫度()材料HZ-46001K126-40-150GaAs已知K=12mV/mA/kG，控制電流I= 6mA，磁感應強度B= 3500GS故Vh=252mV 2.2.4 放大環(huán)節(jié)霍爾元件輸出電壓一般為幾mV到幾百mV，應用時必須接入放大器把此電壓經行放大。放大電路基本形式是差動放大電路。下圖是霍爾元件的放大電路實例。圖6 差動放大電路正反相引腳虛短虛斷后，流經R2的電流等于流經R1，R3，R4三個電阻的電流的代數和。即V0/ R2=

11、-VI+/R1+1/ R1- R4(1/ R1+1/ R2+1/ R3+1/ R4)/(R3+R4)VI- =- (VI+- VI-)R1AV=U0/(VI+- VI-)=-R2/R1放大倍數為- R2/R1設定參數：R1= 10k，R2= 300k，則放大倍數AV=-302.2.5 整形輸出環(huán)節(jié) 7燕山大學課程設計說明書此環(huán)節(jié)用施密特觸發(fā)器對放大器輸出電壓進行整形，用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖， 用555定時器可以構成施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器工作原理：門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的

12、門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。它是一種閾值開關電路，具有突變輸入輸出特性的門電路。這種電路被設計成阻止輸入電壓出現微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到

13、同等頻率的矩形脈沖信號。當輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現輸出電壓變化滯后的現象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的. 從傳感器得到的矩形脈沖經傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變壞；當傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產生振蕩現象；當其他脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現附加的噪聲。 8燕山大學課程設計說明書無論出現上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形

14、脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和vt-設置得合適，均能收到滿意的整形效果。其電路圖如下圖所示圖7 施密特觸發(fā)器為提高比較器參考電壓和的穩(wěn)定性，通常在端接由0.01左右的濾波電容。 當<1/3時，=1、=0，Q=1，故=；當1/3<<2/3時，=1，故=保持不變；當>2/3以后，=0、=1，Q=0，故=。因此=2/3從高于2/3開始下降過程： 9燕山大學課程設計說明書當1/3<<2/3時，=1，故=保持不變;當<1/3以后，=1、=0，Q=1，故=。因此=1/3。圖8 施密特觸發(fā)器輸出脈沖信號2.2.6 風速推導公式 已知Vh=252 mV經放大電路

15、放大后得到輸出電壓V0= 7560mv，因此設定施密特觸發(fā)器Vcc= 8V。已知風杯風速儀產生的頻率f，經由霍爾傳感器，放大電路，施密特觸發(fā)器后輸出相同頻率的電壓脈沖信號V0，脈沖周期為T，則頻率為f= 1/T。T可通過對輸出脈沖信號的觀察獲得，獲得方法如圖8。由公式（9）得f=2kL / Vf=1/T，故 Vf=2kLT因此通過分析施密特觸發(fā)器輸出脈沖信號獲得信號頻率T后，即可通 過上式得到風速Vf。 10燕山大學課程設計說明書三、風杯風速儀的誤差及補償1、感應環(huán)節(jié)存在轉動部件，容易產生摩擦，降低精度，沙塵和煙霧也會對其造成腐蝕，影響其精度。可以采用油液潤滑和表面防護作用。2、霍爾元件溫度誤

16、差。一般導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度都隨溫度變化。霍爾元件有半導體材料制成，因此它的性能參數也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變化，產生溫度誤差。 常采用恒壓源和輸入回路串聯電阻、合理選擇負載電阻阻值以及加入溫度補償原件的方法進行溫度補償。3、霍爾元件的零位誤差。霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場或無控制電流的情況下，霍爾元件產生輸出電壓并因此而產生的誤差。它主要表現為下面幾種方式：主要包括不等位電動勢、寄生電流電動勢等。（1）不等位電動勢不等位電動勢是零位誤差中最重要的一種。當霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端的空載電動勢稱為不等位電動勢。其原因是由于制造工藝不可能保

17、證兩個霍爾電極對稱的焊在霍爾片的兩側，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。（2）寄生直流電動勢當霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電動勢外，還有直流電動勢分量，稱為寄生直流電動勢。誤差信號只對霍爾輸出的幅值有較小的影響，而對輸出信號的頻率沒有影響，所以不需對它們進行補償。11燕山大學課程設計說明書四、 設計實驗（一）實驗一：霍爾式傳感器的交流激勵特性實驗目的：了解交流激勵霍爾片的特性。所需單元及部件：霍爾片、磁路系統、音頻震蕩、差動放大器、測微頭、電橋、移相器、相敏檢波、低通濾波器、主、副電源、F/V表、示波器、振動平臺。相關旋鈕初始位置：音頻震蕩器1KHz，放大

18、器增益最大，主、副電源關閉。實驗步驟：（1） 開啟主、副電源將差放調零，關閉主、副電源。（2） 調節(jié)測微頭脫離振動平臺并遠離振動臺。按下圖接線，開啟主、副電源，將音頻振蕩器的輸出幅度調到5Vp-p值，差放增益最小。將F/V表的切換開關置于20V檔，示波器X軸掃描時間切換到0.1-0.5ms（以合適為宜）Y軸CH1或CH2切換置5V/div，音頻震蕩器的頻率旋鈕置5KHz，幅度旋鈕置中間幅度。開啟主、副電源，調節(jié)電橋網絡中的W1和W2，使F/V表和示波器顯示最小，再把F/V表和示波器Y軸的切換開關分別置于2V檔和50mv/div，調節(jié)W1和W2及差動放大器調零旋鈕，使F/V表的顯示值最小，示波器

19、的波形大致為一條水平線（F/V表顯示值與示波器圖形不完全相符時兩者兼顧即可）。再用手輕輕按住雙孔懸臂梁稱重傳感器托盤中間，調節(jié)移相器和移相旋鈕，使示波器顯示 12燕山大學課程設計說明書全波檢波的圖形。放手后，基本成一條直線。再轉動測微頭，使振動臺吸合并繼續(xù)調節(jié)測微頭使F/V表顯示零。電路圖如下（3）調節(jié)測微頭，每隔0.1mm記錄表頭讀數填入下表： X(mm) V（v） X(mm) V（v） X(mm) V（v） 找出線性范圍，計算靈敏度。 13燕山大學課程設計說明書注意事項：（1）交流激勵信號必須從電壓輸出端0或LV輸出，幅度應限制在峰-峰值5V以下，以免霍爾片產生自熱現象。（二）實驗二:霍爾

20、式傳感器測振幅實驗目的：了解霍爾式傳感器在振動測量中的應用。實驗原理：霍爾傳感器由兩個環(huán)形磁鋼組成的梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成的。當霍爾元件通過恒定電流時，霍爾元件在梯度磁場中上下移動時，輸出的霍爾電動勢取決于在磁場中的位移量。當通過音頻振蕩器給霍爾元件加以交流激勵時，其輸出霍爾電動勢經過放大環(huán)節(jié)，通過相敏檢波器、低通濾波器后為直流信號。當其振動時，輸出端輸出正弦信號，連接示波器觀察可求出其震動周期和振動幅值。所需單元及部件：霍爾片、磁路系統、差動放大器、電橋、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、低頻振蕩器、音頻振蕩、振動平臺、主、副電源、激蕩線圈、雙線示波器。有關旋鈕初始位置：差動放大增益旋至最大，音頻振蕩器1KHz實驗電路圖如下：14燕山大學課程設計說明書實驗步驟：1、 開啟主、副電源，差動放大器輸入短接并接地，調零后，關閉主、副電源。2、 根據電路圖結構，將霍爾傳感器，電橋平衡網，差動放大器，電壓表連接起來，組成一個測量線路（電壓表應置于20V檔）并將差放增益置最小。3、 開啟主、副電源，轉動測微頭，將振動平臺中間的磁鐵與測微頭分離并遠離，使梁振動時不至于再被吸住（這時振動臺處于自動靜止狀態(tài)）。4、 調節(jié)電橋平衡電位器W1、W2，使F/V表指