传感器课程设计说明书

  传感器课程设计说明书

              霍尔位移传感器设计

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                         年   月

1.绪论

1.1概述

传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时，我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。

霍尔位移传感器有以下优点：1、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。 2、线性度好：优于0.1%   3、动态性能好：响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs   4、测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达00V。 5、过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时也不会损坏。 6、模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。 7、高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如：在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。   8、可靠性高：失效率：λ=0.43╳10-6/小时    9、抗外磁场干扰能力强：在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流(2Ip)的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，这对大多数应用，抗外磁场干扰是足够的，但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。

我们需要对其进一步的了解，了解其硬件组成，了解其工作原理，了解其误差来源等。

1.2设计任务书

霍尔位移传感器设计要求如下：

2.方案设计

2.1原理简述

霍尔特元件是基于霍尔效应（由于运动载流子即电子手洛伦兹力作用的结果）。保持霍尔元件的控制电流I恒定，使其在一个有均匀梯度的磁场中移动，则霍尔电势与位移量成正比，可表示为U=K.x  其中的x为沿磁场x方向的位移量；K为位移传感器的灵敏系数。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出电势线性度越好。

利用霍尔元件测量物体位移。如下图所示。物体导致霍尔元件向上位移Δx，导致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化；物体下移导致霍尔元件向下位移Δx，导致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化。

若测得输出量UH为正，则可判断工件为上移；若测得输出量UH为负，则可判断工件为下移。

霍尔元件的主要特性：

1、霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度）

霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍尔常数。

2、霍尔额定激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

3、霍尔最大允许激励电流

以霍尔元件允许最大温升为所对应的激励电流称为最大允许激励电流。

4、霍尔输入电阻

霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。

5、霍尔输出电阻

霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。

6、霍尔元件的电阻温度系数

在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位为%/℃。

7、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点）

在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。

8、霍尔输出电压

在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。

9、霍尔电压输出比率

霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率

原理图和电路图如下所示：

                图 1   霍尔电流传感器原理图

3单元电路设计

3.1放大电路

  当霍尔元件的输出信号不够大时，也可以采用运算放大器加以放大，如图将霍尔元件和放大电路做成一起的集成电路。

3.2不等位电势的消除

一般采用加补偿电阻的方法来消除由于霍尔元件本身存在的不等位电势V。但是用这种方法会影响霍尔元件的灵敏度及精度。

3.3温度补偿电路

霍尔元件是采用半导体材料制造的，而半导体材料的许多特性参数都具有较大的温度系数，因此造成霍尔元件的温度误差。有温度引起的误差可以采用并联电阻的方法来补偿，其计算公式为R=BR/a 

4 实验结果

4.1实验数据获取与分析

用制作完成的霍尔电流传感器接至电流源上，改变电流的大小，读出数字电压表上的数据，记录在表格内。并且用MATLAB进行绘图和直线拟合，求出线性度。

表1  输入电流与输出电压的数据记录

图  MATLAB中对实验中获取的数据进行描点与直线拟合（第一组数据）

图  MATLAB中对实验中获取的数据进行描点与直线拟合（第二组数据）

由MATLAB拟合直线可知该霍尔电流传感器的灵敏度约为3.8。

4.2误差分析

首先是集成霍尔元件本身有一定的不稳定性。然后是运放受到前后电路的影响，电路的电阻并没有配至平衡。最后还有给运放提供工作电压的电压源并不是提供数值相等的电压，导致运放工作缺乏一定的稳定性。

5 总结

参考文献

[1] 卢文科，朱长纯，方建安.霍尔元件与电子检测应用电路[M]，中国电力出版社，2005

[2] 刘畅生，寇宝明，钟龙.霍尔传感器实用手册[M]，中国电力出版社，2009

[3] 贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术[M]，东南大学出版社，2007

致谢

    本文是在老师鲍丙豪教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度和精益求精的科学作风使我受益匪浅。在老师的指导下是我们明白了，理论与实际之间的差距，实际上做东西还是很难的，如果连理论的东西都掌握不牢，那么，实际上便更加不可能了。今后，我们一定会改变自己的态度，认真学习，求实创新。我们在此，谨向导师的培育、鼓励、支持和理解致以最衷心的感谢和深深的敬意！