2022年2022年集成霍尔传感器特性 .pdf

实验一集成霍尔传感器特性与简谐振动实验【实验目的】随着科学技术的进步，测量方法也不断进步。90 年代初，集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展。 各种性能的集成霍尔传感器不断涌现，在工业， 交通， 通讯等领域的自动控制中得到大量应用。如磁感应强度测量，位移测量，周期和转速的测量，还有液位控制，流量测量，产品计数， 车辆行程计量， 角度测量等。本实验将学习集成开关型霍尔传感器的特性，并用该传感器测量弹簧振子的振动周期。从而掌握简谐振动的规律，以及磁敏器件测量振动周期的新方法。【实验原理】1、 弹簧在外力作用下将产生形变( 即伸长或缩短 ) 。在弹性限度内，外力F和它的变形量Y成正比，即：FKY 1 这就是胡克定律，比例系数 K 称为弹簧的倔强系数，其值与弹簧的形状，材料有关。 若改变施加在弹簧上的外力，并测量相应的形变量，即可通过式(1) 推算该弹簧的倔强系数K。2、 质量为M的物体系于一轻弹簧的自由端，并放置在光滑的水平台面上，而弹簧的另一端固定，这就构成一个弹簧振子。若使物体在外力作用下( 如用手拉 ) 离开平衡位置少许，然后释放，则弹簧振子将在平衡点附近来回作简谐振动，其周期为: KMT2 2 实际上弹簧本身具有质量0M，它必对周期产生影响，故式(2) 可修正为02MpMTK 3 其中p是待定系数，01p， 其值可以通过实验予以确定。0pM称为弹簧的有效质量( 亦称折合质量 ) 。若将上述弹簧振子铅直地悬挂在一个稳固的支架上，则它仍能在重力( 是一个常力 ) 及弹性力的作用下作简谐振动，只是平衡位置有所变动。新的平衡位置即是弹簧下端悬挂物体后所处的平衡位置，故式(3) 仍成立3、集成开关型霍尔传感器如图 1 所示，集成霍尔开关是由稳压器A。霍尔电势发生器( 即硅霍尔片 )B，差分放大器 C，施密特触发器D和 OC门输出 E五个基本部分组成。(1) ，(2) ，(3) 代表集成霍尔开关的三个引出端点。图 1图 2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 在输入端（ 1）输入电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使触发器整形， 使其成为方波输送到OC 门输出。 当施加的磁场达到工作点 (即 Bop)时，触发器输出高电压 (相对于地电位 )，使三极管导通，此时，OC 门输出端输出低电压，通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即 Brp)时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC 门输出高电压，这时称其为“关”态,这样两次高电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。Bop与 Brp的差值一定，此差值Bh=Bop-Brp称为磁滞，在此差值内，Vo保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一。集成霍尔开关传感器输出特性如图2。【实验仪器和用具】集成霍尔传感器特性与简谐振动实验仪仪器结构图 3 1、弹簧， 2、砝码盘， 3、平面镜， 4、游标卡尺， 5、卡尺固定螺母，6、调节螺母，7、砝码和磁钢，8、开关霍尔传感器，9、水平调节螺丝，10、锁紧螺丝， 11、计时电压测量稳压组合仪【实验内容】一、测量弹簧的倔强系数K1、利用新型焦利秤测定弹簧倔强系数K实验装置如图3 所示。在砝码盘W 中放置砝码iM，则作用力iiFMmg 式中 m为砝码盘质量与弹簧的有效质量之和，g为重力加速度。利用(1) 式可得：0()iiMm gYY (4) （1）调节实验装置底脚螺丝，使焦利秤立柱垂直（目测）；（2）将弹簧固定在焦利秤上部悬臂上，旋转悬臂，使挂于弹簧下放的砝码盘的尖针靠拢游标尺上的小镜；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - （3）在砝码盘中放置一定质量的砝码1M后，弹簧伸长。调节立柱旁游标高度, 使小镜上刻线对准尖针的下端，记录砝码1M值及游标尺上相应的指示读数1Y；（4）往砝码盘中逐步放入一定量的砝码。记录砝码盘中的砝码iM以及对应的游标卡尺的读数iY；（5）从盘中逐个取出一定量的砝码后，弹簧稍收缩。再次记下此时盘中iM码值及游标卡尺相应读数iY。（6）作iiMY图，验证iiMY满足线性关系，并求出斜率K，/Kg即为弹簧的倔强系数K。2、测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数（1）用电子秒表测弹簧振子振动50 次的时间， 然后求得弹簧振子的周期T，利用公式(3) 求得弹簧倔强系数K，公式 (3) 中1 / 3p，pM为弹簧的等效质量。（2）用集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期，求弹簧倔强系数。将集成霍尔开关的三个引脚分别与电源和周期测试仪相接。OUT 接周期测试仪正级，V-接电源负极，并和周期测试仪负级连接，V+接电源正级，见图3，将钕铁硼磁钢粘于20g砝码下端，使S 极面向下。把集成霍尔开关感应面对准S 极，其与磁钢间距在10cm20cm之间。轻轻拉动弹簧使其上下振动，记录振动50 次的时间，求出弹簧振子周期。要求进行多次测量（测量56 次，每次 50 个周期）。由公式 (3)求弹簧倔强系数K。3、 测量集成开关霍尔传感器的参数。如图 4 接线，把小块钕铁硼磁钢粘在固定支架上，使小磁钢的S 极与集成开关型霍尔传感器 (简称集成霍尔开关)的感应面 (有文字面 )紧密相对 （接触），记录电路板在固定支架上的位置 x0,将集成霍尔开关向外线移动。当发光二级管熄灭时记录电路板的位置x1,再,将集成霍尔开关向内线移动，当发光二级管又被点亮时再记录电路板的位置x2，计算该传感器与磁钢间距的关系（相距x2-x0时工作，相距x1-x0时释放）。然后，用 95A 型集成线性霍尔传感器测量离磁钢距d 处的磁感应强度B。求出集成霍尔开关的特性参数:工作点Bop及工作距离Dop，释放点 Brp及释放距离drp，计算磁滞值BH。集成线性霍尔传感器的接线图和集成霍尔开关的接线图，请看附录。02xxDop01xxdrp)(500.2mTKUB (5) )(mTKUB (6) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 图 4 95A 型集成线性霍尔传感器的连接方法和集成开关型霍尔传感器的基本相同，不同的只是不接周期测试仪，而接电压表。 先将 95A 型集成线性霍尔传感器远离磁场，调节输入电压，使输出霍尔电压为2.500V ，再进行测量，此时运用公式（5） ，如果补偿了零磁场时的2.500V ，运用公式（ 6） 。【思考题】 1.实验中除了可由Mi Yi图线判断弹簧的弹性回复力与弹簧偏离平衡位置的位移成线性关系外，还可以由什么来判断这一关系? 2.集成霍尔开关有哪些主要特性参数?怎样测量这些特性参数? 3. 集成霍尔开关测量周期或转速有何优点?你是否可以举些例子说明集成霍尔开关的应用吗？【附录】 1、A44E集成霍尔开关实验中用于测量的A44E集成霍尔开关，磁钢用直径D=6.004mm ，长度为L=3.032mm的钕铁硼磁钢。电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表测量，磁感应强度B 用95A 型集成霍尔元件测量。图 5 图 5 中，(a) 为集成霍尔传感器外形图。测量时 (1) 和(2) 两端加直流 +12V，在输出端 (3)与电流 (10 之间接一个2K 的负载电阻，如图(b) 所示。（1）输出特性传感器主要特性是它的输出特性，即输入磁感应强度B与输出电压V0之名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 间的关系。测量所得数据见表1。表 1 工作电压 Vcc=12v参数名称符号测量数据单位最小典型最大“工作点”Bop15.2 16.9 18.5 mT “释放点”Brp11.7 13.2 13.5 mT 磁滞BH3.5 3.7 5.0 mT 从表 1 中数据可见， A44E 集成霍尔开关是单稳态型。由测量数据作出的特性曲线如图 2 所示。（2）磁输入特性传感器的磁输入基本有三种情况: 单极磁场，双极磁场和交变磁场。 A44E 集成霍尔开关的磁输入为单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和集成霍尔开关之间的距离。测量时，将磁铁固定，移动集成霍尔开关，且使移动方向在磁铁与霍尔开关的轴心线方向上。 实验中显示， 当磁铁和霍尔开关移近到一定位置，霍尔开关接通，二者移开一定距离后，霍尔开关断开。 若以两者之间的距为r ， 则测得 r=4mm时， 霍尔开关导通， 此时 B=16.9mT，而 r=5mm时，霍尔开关断开， 测得 B=13.2mT。可见导通点与释放点间距离值为1mm ，这是用直径只有D=4.0mm钕铁硼强磁材料做成磁铁测量的结果，其它形状和大小磁铁的测量结果略有不同。2、 95A 型集成霍尔元件95A 型集成霍尔元件的内部结构如图6 所示。左端为一霍尔传感器，中间连接了一个放大器，右端方框表示薄膜电阻组成的剩余电压补偿器。95A 型集成霍尔元件测量时输出信号大，不必考虑剩余电压的影响，V+与 V-间的电压为5V左右， 0 和 V-两端即为输出电压。在磁感应强度为零时，调节电流电压，使输出电压为2.500V ，在此标准状态下，它的输出电压U 与磁感应强度B关系如图 8 所示该关系可用 (5) 式表示 : )(500.2mTKUB式中， U为集成霍尔传感器输出电压，K为该集成霍尔传感器的灵敏度。如果外接一个2.500V 辅助直流电源，使磁感应强度为OT时，输出信号U1为 0，那么集成霍尔传感器输出电压U1与磁感应强度B的关系为 (6): )(mTKUB图 6 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 图 7 图 7 是 95A 型集成霍尔传感器的特性曲线。95A 集成霍尔线性传感器参数如表2 表 2 供电电压 (VDC) 4.5-10.5 供电电流 25 (mA) Typ 7.0 Max 8.7 输出类型比率变化输出电流 (mA) 典型电流源最小电流源最小电流沉最小电流沉Vs4.5V Vs4.5V Vs4.5V Vs5.0V 1.5 1.0 0.6 1.0 磁场范围Typ. Gauss:-670-+670(-67-+67mT) Min. Gauss:-600-+600(-60-+60mT) 输出电压范围Typ. 0.2-(VS-0.2) Min. 0.4-(VS-0.4) 零点电压（ 输出0高斯 ，伏）2.500 0.075 灵敏度（ mV/G ）3.125 0.125 线性误差（量程）Typ. -1.0% Min. -1.5% 零点飘移（）0.06% 灵敏度飘移（）25 Max +0.02%0.03% 25 Max +0.03%0.03% 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -