霍尔传感器课程设计报告.doc

时间:2024.3.27

六安职业技术学院课程

设计(论文)

磁学传感器

          ——霍尔接近开关

    名:于晓路   刘之蒙     

李飞飞   司成维      

指导教师:                 

专业名称:     计控0901       

所在系部:     信息工程        

二○##年五月


课程设计开题报告


摘要

20 世纪末,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,它们已在汽车、纺织、化工、通讯、电机、电信、计算机等各个领域得到广泛的应用,特别是由集成开关型霍尔传感器制成的无刷直流电机(霍尔电机) 已经进入千家万户. 广泛应用于录音机、摄录像设备、VCD、DVD、及新型助力自行车等家用电器中. 笔者将集成开关型霍尔传感器及其计时装置应用于力学实验中,同时还可对该传感器的特性参数进行测量. 由于保留了传统的实验方法,所以使实验的内容更具综合性,它一方面能让学生从多角度地了解和掌握一些经典的测量手段和操作技能.另一方面由于加入了用集成开关型霍尔传感器来测量时间或周期的新方法,使学生对这种传感器的特性及在自动测量和自动控制中的作用有进一步的认识,从而真正领略这一最新传感技术的风采. 传统实验与现代化技术相结合对推进素质教育,培养想象能力和创新能力是十分有用的. 而这类实验已在我校的中学物理实验研究课程中开设,教师和学生都很有兴趣,教学效果很好。

关键字:霍尔效应、霍尔传感器、接近开关

Abstract

20th century, integrated Hall sensor technology has been rapid development of various properties of integrated Hall sensors are constantly emerging, they are in the automotive, textile, chemicals, telecommunications, electrical, telecommunications, computers and other widely used in various fields, especially By the integrated Hall Switch Sensor made of brushless DC motor (Hall motor) has entered every household. widely used in tape recorders, video camera equipment, VCD, DVD, and new bicycles and other household appliances. I will be integrated Hall Switch Sensor and timing devices used in mechanical experiments, while the sensor parameters can be measured. As to retain the traditional experimental method, so that the contents of a more comprehensive experiment one hand, it allows Students from many angles to understand and master some classic measurements and operational skills. On the other hand due to join the Hall Switch with integrated sensors to measure cycle time or a new method, students and the characteristics of the sensor in the automatic Measurement and automatic control of a further understanding of the role, so really appreciate the elegance of the latest sensor technology. the traditional combination of experimental and modern technology on the promotion of quality education and training imagination and innovation capability is very useful. and such Experiments in my school studies courses in high school physics experiment set up, teachers and students are interested in teaching very good.

Key Words: Hall effect, Hall sensor, proximity switch


目  录

一、序言…………………………………………………………………5

二、方案设计及论证……………………………………………………6

1.设计理念及构思…………………………………………………..6

2.  设计原理图……………………………………………………….7

3.  原理图解析………………………………………………………..7

  a.稳压电路

  b.信号采集

  c.电路放大

  d.整流电路

4.开关特效分析…………………………………………………..….11

  a.静态分析

  b.动态分析

5.开关特点……………………………………………………………12

  a.安全

  b.可靠性强

  c.经济

三、开关结构(设计三视图见附录)…………………………………12

四、设计总结……………………………………………………………16

五、谢辞…………………………………………………………………17

六、参考文献……………………………………………………………17

一、序言

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时,薄片的两端就会产 生电位差,如图1所示,这种现象就称为霍尔效应。

两端具有的电位差值称为霍尔电势U,其表达式为U= 其中K为霍尔系数,I为薄片中通过的电流,

B为外加磁场(洛伦慈力Lorrentz)的磁感应强度,d

          图1                        是薄片的厚度。由此可见,霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔接近开关是用“霍尔效应”的磁感应电子开关关,工作电压范围5-24V。霍尔传感器对磁场感应特别灵敏,所以与他配合工作的是一块小磁铁。当磁铁与它接近时。若B>0.03T以上时,霍尔传感器输出高电平,若B<0.02T时,霍尔传感器会输出低电平。利用霍尔开关的特性,我们可以很容易实现对电路的自动控制。

霍尔接近开关既有霍尔开关元件所具有的无触点,无开关瞬态抖动,高可靠和长寿命等特点,又有很强的负载能力和广泛的功能,特别是在恶劣环境下,它比目前使用的电感式,电容式,光电式等接近开关具有更强的抗干扰能力。

鉴于霍尔接近开关的诸多优点,目前市面上出售的接近开关中,霍尔式接近开关就占有了相当大的比例,它生产要求简单并广泛应用于转速,位移,位置,速度等物理量的测量上,也基于此,国内许多大大小小的企业公司都在生产、出售各类霍尔式接近开关,竞争的确相当厉害。

我们知道图尔克(天津),OMRON,SUNX等大公司近几年在霍尔接近开关上的技术发展相当迅速,他们除在霍尔接近开关内部采用了厚膜混合集成电路工艺制作外,外形方面也不拘一格,采用槽形,贯穿形,平面形,其技术含金量越来越高。这些功能优势无疑使得霍尔接近开关的应用变的越来越广泛,自然可以在国内外市场的竞争中立于不败之地。

在实际生活中,我们接触最多的便是电器,而大多数的电器开关连接的是220V交流电源。普通的电器开关,在联通与断开时操作者都要直接触到电信号,这样我们就有触电的危险。

为了克服普通开关的安全性低的缺点,我们设计了一个能控制220V交流电的霍尔开关,它通过对磁信号的探测实现电路的通断。

二、方案设计及论证

在前面我们介绍了霍尔效应,除了霍尔接近开关的输入端是以磁感应强度B 来表征的,当B 值达到一定的程度(如B1)时,霍尔开关内部的触发器翻转,霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。我们的设计灵感也就来自于此。

一个微小的磁场变化就可以引起霍尔接近开关的输出电平。我们就选择用极小的磁场变化量(约0.01T)来控制电路的通断。这样我们可以增加开关的安全性同事也有利于自动控制。

1、设计理念及构思

我们要实现用磁场控制电信号的通断,我们就必须实做好磁场信号的控制、探测,对电路的控制,对干扰的减弱等工作。

框路图如下(图2):

                  图2

(1)通过控制一块条形磁铁的位置来实现控制磁场的变化,产生我们所需的0.01T的磁场强度的变化量。

(2)用SS495霍尔片检测信号,静态时输出低电平,动态时输出高电平。

(3)uA741构成电流并联正反馈放大电路。

(4)控制执行用单向硅管2N1596,Ie=1A,U≥400V

(5)电源可变换器用交流电桥,静态时,它输出整流后的直流电位霍尔电路供电;动态时,它与可控硅作用,使电路导通。

2、设计原理图

 

                       图3 原理图

从上述电路图(图3)以及前面的论述中我们可以得出:霍尔接近开关有五部分构成。下面我们会一一作解释

3、原理图解析

A、稳压电路

     稳压电路的选择我们有2种可选元件稳压管、W7800系列三端稳压器、但是考虑到W7800系列的稳压范围是小电压、小电流,(像W78L05稳压为5V、0.1A)。如果我们要得到大电压输出还要加上复杂的扩压电路。

     稳压管如下图(图4、图5)

           图4 W7800                        图5 稳压二极管

根据《模拟电子技术》对稳压二极管的介绍,我们可得

U1=(2-3)U0

Rmax  =  

Rmin  =   

我们要驱动220V60w的白炽灯,其参数为:

电压 220V

电流 0.2727A

功率 60w

电阻807欧姆

所以稳压管参数设置如下:

U1=400V

限流电阻R1max=888欧

所以取R1为800Ω

B、信号采集

我们用霍尔片探测磁信号的变化再通过斯密特出发其处理后获得高低电平。霍尔元件电路图如图6前半部分所示

                          图6信号采集电路

在信号采集的过程中,最重要的就是斯密特触发器的选择,表1是常用TTL集成施密特触发器的参数考虑到我们的能耗性以及电路的实际要求,我们用74LS14。

表1  TTL集成施密特触发器参数

实际应用中,由霍尔效应原理可得

U=

实际中取B为0.03T,I=220uA,K=6.7*10-3

经过计算,选用74LS14霍尔片。

要使霍尔元件输出1.6V的电压,参考下表我就要选用上海寅传自动化科技有限公司生产的SS4905霍尔片。

参数为:

供电电压(Vs)5V

工作温度范围(Working Temp)-40~150℃

输出电流(Is)0~6mA

输出类型(Output): 电压输出  0.8-1.6V。

线性度(Linearity):当25 ℃,其值为 0.06 %

温漂:当温度℃,其值为0.06 +0.01 %

灵敏度:3.125%。

C、电路放大

霍尔元件检测输出的电压电流值不足以实现对SCR单晶硅的作用所以我们要选用集成放大电路来对霍尔元件的输出电压进行放大。放大电路如下,

                         图7 放大电路

我们选用uA741集成放大器

放大倍数要求在300倍,而A=1+

    所以,我们选R2=30kΩ,R1=100Ω。

D、整流电路

             图8整流电路

原理图中的整流部分如上图(图8)所示,考虑到U1为220V,根据《模拟电子技术》中整流二极管的说明,我们可以得出Uo≥1.2U1

结合整流二极管参数表(表2)我们选用IN4001二极管。

                             表2 二极管参数

4、开关特效分析

A、静态分析

静态(开关断开)时,霍尔交流开关无磁场信号,开关处于断开状态。Rac无穷大,但实际上, Rac并不是无限大。Rac= Req 式中Req为桥整流内侧直流端等效电阻。Req= ,取R2=Rw=0.5R3, 得Rac=1KΩ,开关静态漏电流I0,I0 ==220uA。开关静态功耗P0,P0= I0 *Uac=220*220*10-6W=48.4mW。

由此可见,霍尔交流开关的静态漏电流和功率都很小,在抢点回路中完全可以忽略不计。

B、动态分析

当霍尔交流开关感应到磁场时,开关应为短路状态,Uac应为零。但是, Uac并不为零。Uac= Ud  + Ude,式中Ud为桥电路中两个二极管的正向导通电压,1V左右。

此时,STR处于导通状态,理论可视为短路,但是,实际上在STR的阴阳极两端仍然存在导通电压降,Ustr在0.6V左右。Ude= Ustr,Ude= Ustr=1+0.6=1.6V 。

假设灯泡是60W,电流为30mA,则此时开关的动态功率为P1=If*Uf=300*1.6*10-3W  =480mW

由此可见,霍尔交流开关的动态压降和动态功耗也很小,完全可以忽略不计。

5、开关特点

 A、安全

因为全部元件都被树枝固化并封住在一个保护盒中,开关能动部分就只是一盒与磁铁相连的可动活塞。

B、可靠性强

开关与受控开并联,电压在50%范围内变化,开关仍可以正常工作再加上抗干扰外壳,可靠性、寿命、稳定性大大加强。

C、经济

所有部件造价总和不超过6元,(SS495霍尔片网上报价0.1元。)

三、开关结构(设计三视图见附录)

我们的开关用于控制磁场强度B的大小来控制霍尔元件的输出电压,继而控制220V电路的通断。

            图9(a) 基座                      图9(b)按钮

                          图10    开关俯视图

                    图11    按钮三视图

开关的机械部分有三部分构成,①基座、②抗磁干扰外壳、③开关按钮

基座不用过多介绍,下面我们来看看卡管得②、③部分。

②采用塑料包裹铁丝网构成,是在可塑塑料中加了铁丝网后加工成盒状根据电磁屏蔽原理,这样的外壳可以屏蔽外界磁场。

③开关按钮由一块小的永磁铁、弹簧支架等构成,用于完成对磁铁与霍尔片的距离的控制(即控制B的大小)。

我们知道永磁铁周围存在磁场,条形磁铁周围的磁场分布如下

图12 条形磁铁磁场

我们在开关的上部分放上一个磁铁使得它产生的磁感应强度B大约在0.02-0.04之间,将霍尔片放在磁场下方。这样,当开关摁下时,B变大霍尔片输出高电平,电路导通;开关不摁下时,B小于0.03T,霍尔片输出低电平,开关不导通。

总   结

通过这次课程设计,让我对检测技术这门课有了更深的认始。近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。总之,随着传感器技术的发展,电容式传感器的形式将会多种多样,其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高,同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。

在学习过程中,我发现自己很容易烦躁。每当查不到或不能快速掌握查阅技巧的时候,我就变的很不冷静,这点要在日后的学习中慢慢加以锻炼改善.对于一个即将踏入社会参加工作或科研工作的大学生来说,这是不应该出现的情况,我要严格的要求自己,为日后的工作学习打好坚实的基础。

谢   辞

这次的课题得以完成,有太多的人给予我帮助,在此我要感谢此次给予我支持和帮助的老师、同学和朋友们,我从他们身上学到了书本上学不到的许多东西。

我要特别感谢我的指导教师李棚老师,感谢他在我做课程设计期间耐心的指导与帮助。同时,报告的顺利完成,离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。另外,要感谢在大学期间所有传授我知识的老师,是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识,这也是设计报告得以完成的基础。

感谢所有给我帮助的老师和同学,谢谢你们!

总之,此次设计报告的写作过程,我收获了很多,即为大学三年划上了一个完美的句号,也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。 再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师,同学和朋友,谢谢你们!

参考文献

《模拟电子技术》(第二版)…………………………………………

西安电子科技大学出版社

《传感器原理及工程应用》(第三版)………………………………

西安电子科技大学出版社

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