测试技术综合实验

实验报告书

姓 名： 邹大光

学 号： 201330118316

班 级：2013级机械八班

任 务： 霍尔测速实验

20xx年 6月

5日

目录

? 实验任务书 ? 实验方案书

? 实验报告

? 文献综述

霍尔测速实验方案书

评 阅：

指导教师：? 设计思路及整体思想

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔元件要想用来测转速，就必须在被测的旋转体上装一个磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，也有的霍尔元件可以直接输出脉冲信号，送运算，两个脉冲的间隔时间就是周期，由周期可以换算出转速，也可计数单位时间内的脉冲数，再换算出转速。

? 设计可行性分析

利用霍尔效应表达式：UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。

主要的仪器设备：转动源模块、+5V、2~24V直流电源、电脑、虚拟仪器6003、采集卡及LABVIEW软件。

可行性分析（软件条件）

LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛应用于工业界、学术界和研究实验室,主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,适用于多种不同的操作系统平台。

? 核心技术问题分析

电信号的采样及输出

脉冲波形的信息处理

? 具体实验步骤

1. 安装根据图所示，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢

霍尔传感器安装示意图

2. 将+5V电源接到转动源模块上的“霍尔”输出的电源端，“霍尔输出接到F/V转换单元，再接到直流电压表上。

3. 调节试验台上2～24V输出，根据以下电压值，记录转动源电机转速。采集以下表格的数据：

4. 通过通信接口的第四通道CH1，用电脑LABVIEW软件观测霍尔组件输出的脉冲波形,记录下电压为6V,10V,20V时的脉冲波形。 ? 预期实验效果

完成电信号的采样及输出

实验报告

实验项目名称：霍尔测速实验

实验目的：了解霍尔组件的应用—测量转速。

实验原理：利用霍尔效应表达式：UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。

主要仪器设备：霍尔传感器、+5V、2～24V直流电源、转动源、电脑、虚拟仪器6003采集卡及LABVIEW软件。

操作方法与实验步骤：

1.安装根据图所示，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢

霍尔传感器安装示意图

2. 将+5V电源接到转动源模块上的“霍尔”输出的电源端，“霍尔输出接到F/V转换单元，再接到直流电压表上。

3. 调节试验台上2～24V输出，根据以下电压值，记录转动源电机转速。采集以下表格的数据：

4. 通过通信接口的第四通道CH1，用电脑LABVIEW软件观测霍尔组件输出的脉冲波形,记录下电压为6V,10V,20V时的脉冲波形。

实

理

验数据记录和处:

实验结果与分析：

1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。 因为霍尔传感器本身是磁场和霍尔元件之间由于磁性交替变化而产生的脉冲信号变化。两者之间通常会设有遮光原件，能够在变化过程中间断的影响到两者之间的磁通量。有磁场照射霍尔元件导通，没有磁场照射霍尔元件截止，不断的交替变化引起了脉冲的信号变化，所以霍尔测速时，所长生的波形也就是脉冲电，只是随转速的改变频率发生了改变，频率变化越快证明转速越快。

2

V-RPM曲线。

3．举出一种霍尔测速以外的电机测速方式，并加以原理说明。

光电编码器

原理：光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移-数字变换，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。常见的光电编码器由光栅盘，发光元件和光敏元件组成。光栅实际上是一个刻有规则透光和不透光线条的圆盘，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经整形后，变为脉冲信号，每转一圈，输出一个脉冲。根据脉冲的变化，可以精确测量和控制设备位移量。

华南理工大学广州学院

文献综述

题目 霍尔传感器的原理及实际应用

专业班级 2013级机械八班 姓 名 邹大光 学生学号 指导教师 刘颖君 黄镇昌 容爱琼

二〇一 五 年 六 月

文献综述内容：

摘要：霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 μm 级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

关键词：霍尔器件；霍尔效应；检测；补偿；

前言

因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，使其应用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，随着人们对它的熟悉和了解，它们将象其他传感器等基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越重要的作用。所以各种功能的集成霍尔传感器在工业、交通、通讯等领域的自动控制中得到了大量的应用. 如磁感应强度的测量、角度和位移的测量、周期和转速的测量、液位控制、产品计数、车辆行程计量等。

1 霍尔效应及霍尔元件

在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，这种现象就是霍尔效应， VH 称为霍尔电压。

霍尔效应和霍尔元件

这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。在片子上作四个电极，其中C1、C2 间通以工作电流I，C1、C2 称为电流电极，C3、C4 间取出霍尔电压VH，C3、C4 称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。

霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

2 霍尔传感器的工作原理

按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线，差动霍尔电路(双霍尔电路)，它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，图6差动霍尔电路的工作原理图，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能，霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，由霍尔效应原理可知,当霍尔片处于磁场中,并在垂直于磁场的方向上通以电流时,霍尔片，施密特触发

使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。由霍尔效应原理可知, 当霍尔片处于磁场中, 并在垂直于磁场的方向上通以电流时, 霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差V H= K B I输出. 当通过霍尔片的电流恒定不变时, 改变磁场的大小, 可以改变霍尔电势差V H.开关型霍尔传感器由稳压器 A、硅霍尔片B、差分放大器

C、

施密特触发器D和OC门输出E 五部分组成, 如图1 所示. 从输入端1 输入电压 VCC, 经稳压器 A 稳压后加在硅霍尔片 B的两端, 以提供恒定不变的工作电流. 在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场, 产生霍尔电势差V H,该V H信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器 D 整形. 当磁场达到“工作点”( 即 Bop) 时, 触发器 D 输出高电压( 相对于地电位) , 使三极管E导通, 输出端V o输出低电位,此状态称为“开”.

当施加的磁场达到“释放点”( 即 Brp) 时, 触发器 D 输出低电压, 使三极管 E截止, 输出端 V o 输出高电位, 此状态称为“关”.这样 2 次高低电位变换, 使霍尔传感器完成了1 次开关动作. 如图 2 所示. Bop- B rp称为磁滞.在此差值内, 输出电位 Vo保持高电位或低电位不变, 因而输出稳定可靠.

3. 1 元件的选择与确定

硅霍尔片灵敏度 K = 21. 7mV/ ( mA·T ) ,工作电流的范围为 0～10mA, 本文将工作电流定为 4mA.选用的磁钢是直径为D-= 11. 812m m,厚度为h-= 3. 806mm 的钕铁硼.选用的施密特触发器为 CD40106( 六反相器) . 当电源电压为 VCC= 15V 时, 触发器正触发的阈值电压为 8. 3V, 负触发的阈值电压为5. 2V( 实测) .

初步选定霍尔开关的“工作点”为 Bop=70mT ,此 时 磁钢 与 霍 尔 片 的 距 离 为r =4. 2m m. 根据霍尔效应原理, 当 Bop= 70mT 时,霍尔电势差为 VH=

6. 1mV. 若要使 D 触发器输出转换为高电平, 它的输入要大于 8. 3V,要将V H放大 1 360 倍以上. 由此增益推出, 若要使 D 触发器输出转换为低电平, 它的输入要小于 5. 2V, 对应的 VH 小于 3. 8mV, “释放点”为B rp= 44mT ,此时磁钢与霍尔片的距离为r =5. 4m m.硅霍尔片提供的差模直流信号V H放大后要用单端方式输出, 虽然它的差模信号只有几m V, 但是共模噪声可高达几 V, 且差模信号的放大倍数要求上千倍之高, 因此放大器减小输入漂移、噪声的能力和抑制共模信号的能力等因素对总的精度至关重要. 考虑到上述这些特点, 若采用单级放大, 一个微小的扰动都会使输出达到饱和, 而且单级放大倍数过大容易引起线路自激振荡, 同时降低频带宽度. 通过对多种方案的试验、比较, 我们认为应该采用多级放大, 本实验中采用的 2 级放大的高输入阻抗差分放大器效果最好.所设计的开关型霍尔传感器的电路如图 3所示, 其 中: A1～A4 运 算放大器 全部采 用±15V电源.3. 2 差分放大器的设计3. 2. 1 输入电阻仅使用 2 个放大器的高输入阻抗放大电路如图 3 中的虚线框( 1) 部分, 它是 2 个同相放大器的简单串联组合, 差动输入信号从 2 个放大器的同相端送入, 从而获得很高的输入电阻. 根据运算放大器的理论知识, 由图 3 不难看出, 差动输入电阻几乎就是 2个运算放大器的共模输入电阻之和. 当 A1, A2 的共模输入电阻 rC相等时, 本电路的差动输入电阻可表示为r id≈2rC ( 1)共模输入电阻为r iC ≈12rC ( 2)

在实验过程中发现, 各类差动放大电路都有零位输出, 且很难通过运放本身调零, 这就影响了实验的准确性. 因此为第 1级放大电路设计了外部调零线路, 如图 3 的虚线框( 2) 部分.在进行外部调零时, Vi1, V i2均为零. 当电位计 P1的中点滑到A 点时, 有

设计要求R 8= R10, R9= R11,则V B = - V A .这样电位计P1上的电压V P可在V B与V A之间调节. 当输入V i1, V i2为零时, 通过调节P 1,使得V o1= 0.甚至如果只要求输入为零时, 使V o4= 0也可以达到.

电路中运放采用的是双电源制,这样,对钕铁硼的极性不做要求时,对应的差动放大器的输，参考文献:[1]何希才.传感器及其应用电路[M].北京:电子工业出版社,2001，电路中运放采用的是双电源制,这样,对钕铁硼的极性不做要求时,对应的差动放大器的输出就可以为正或负.因此,第2级放大采用的是绝对值电路,如图3的虚线框(3)部分,设计要求R12=R13=R14=2R16=R.当Vo1>0时,D2

电路中运放采用的是双电源制, 这样, 对钕铁硼的极性不做要求时, 对应的差动放大器的输出就可以为正或负. 因此, 第 2 级放大采用的是绝对值电路, 如图 3 的虚线框( 3) 部分, 设计要求R 12= R 13= R14= 2R 16= R .当V o1> 0时,D2导通, 有这样, 无论钕铁硼的 N 极还是 S 极与霍尔片相对, 第 2 级运放均输出正电压, 以便控制D触发器和OC门的正常工作. 其增益为A 2=R /17R.

4结果与分析

通过选配电阻, 再经过外部调零, 使得第 1级的放大倍数为A 1= 342,第2 级的放大倍数为A 2= 4,总的放大倍数为A = A 1*A 2= 1 368.在不同外部条件下进行测量, 其稳定性高, 与理论值符合性好, 输出的高、低电位转换点可靠, 稳定。

该设计线路的优越性在于:

1) 由 2 个运放组成的差动放大电路的精度高, 且与由 3 个运放组成的差动放大电路相比,性价比较好;

2) 可靠的外部调零线路保证了输出的准确性;

3) 绝对值放大电路使得测量时不需要进行磁极判断.通过本实验的设计与完成, 使学生进一步了解了物理原理在其他领域的应用, 同时也看到将理论应用到工程实践中去, 还需要具备很多其他学科的知识, 还需要在工程实践中不断总结经验.

参考文献:[ 1] 何希才. 传感器及其应用电路[ M ] . 北京: 电子工业出版社, 2001. 100～108.[ 2] 焦丽凤. 集成开关型霍尔传感器在测量物体转动惯量中的应用[J]. 实验室探索与研究, 2000( 5) :57.[ 3] 焦丽凤. 用集成开关型霍尔传感器测定弹簧的劲度系数[ J] . 物理实验, 2000, 20(11): 45～46.[ 4] 荣格 W G . 集成运算放大器应用手册[ M ] . 张熠中, 姚朝亮译. 北京: 世界图书出版公司, 1990.

第二篇：机电液分析与测控实验技术-测试技术部分实验报告书20xx

测试技术实验报告书

专业：＿＿＿＿＿＿＿＿

姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿

学号：＿＿＿＿＿＿＿＿

实验一  常用传感器使用实验报告

一、实验目的

1、

2、

3、

4、

二、实验数据整理

（一）   金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥的比较

结论：

（二）   差动螺管式电感传感器

结论：

（三）涡流式传感器的静态标定

讨论：

（四）被测材料对电涡流传感器特性的影响

结论：

（五）   电容式传感器的特性

结论 ：

                                                              位移(mm)

(六)光纤位移传感器----位移测量

总结：

（七）霍尔传感器的应用----电子秤

测量物体名称：

重量：　

三、实验结果讨论

1、  思考题

（1）       传感器在测试系统中的作用是什么？选用传感器的基本原则是什么？

（2）       根据金属箔式应变片—单臂、半桥、全桥的比较的实验数据，总结其规律。

          

实验二   信号分析实验

一、     实验目的

1、

2、

3、

二、实验仪器

1、

2、

3、

4、

四、实验记录及处理 

五、讨论

1、  总结周期信号和非周期信号的频谱。

2、根据所作实验讨论自相关函数、互相关函数、互功率谱的特点。

实验三  振动测量实验报告

一、实验目的

1、

2、

3、

4、

二、使用仪器（写出你设计的测量系统所用仪器名称）

1、                         6、

2、                         7、

3、                         8、

4、                         9、

5、                                                                                        10、

三、测量系统方框图（请画出两种以上传感器及配套仪器的测量系统连线图）

四、实验记录

1、  简支梁的尺寸：

2、  信号发生器输出电压：      V

3、  功率放大器输出电流：      mA

4、请设计表格并将实验数据填入表格内：

五、根据上表画出幅频特性曲线

1、  位移幅值和频率特性曲线

2、速度幅值和频率特性曲线

3、  加速度幅值和频率特性曲线

六、实验结果的计算

1、  简支梁惯性矩的计算

2、  简支梁各阶固有频率的计算（只计算一、二阶）

3、  简支梁阻尼比的估算

七、实验结果的分析

1、  简支梁实际测量的一阶固有频率与计算的一阶固有频率的比较。

2、  用压电式加速度计与电荷放大器联用比压电式加速度计与电压放大器联用有何好处？

3、分析不同长度的简支梁（其他参数不变）其各阶固有频率变化趋势，阻尼比有何变化？