霍尔式传感器转速测量系统的设计.ppt

霍尔式转速传感器设计,主讲人：鲍磊 组员：冯超 张琪琪 曹强 姜长青 蔡庆瑶,工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发电机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速和瞬时转速。 转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统普遍的应用在国民经济中，有着重要的意义。,目前国内外测量转速的方法很多，按照不同的设计理论可分为以下几种。,不同测量方法的比较如下表所示,几种常用的转速测量方法,（1）直射式光电转速传感器： 它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速,1.光电式转速测量：光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。,即 n=f/N,式中：n - 转速 f - 脉冲频率 N - 圆盘开孔数。,（2）反射式光电传感器： 它主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸，因此，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n。,即 n=f,如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么，n=f/N。 N-反光片或反光贴纸的数量,反射式光电转速传感器的结构图,（1）面积变化型： 图3中是面积变化型的原理，图中电容式转速传感器由两块固定金属板和与转动轴相连的可动金属板构成。可动金属板处于电容量最大的位置，当转动轴旋转180时则处于电容量最小的位置。电容量的周期变化速率即为转速。可通过直流激励、交流激励和用可变电容构成振荡器的振荡槽路等方式得到转速的测量信号。,2.电容式转速测量：电容式转速传感器是一种常用于小负荷转速测量和瞬态转速测量的电参数型数字式传感器。它同其它数字式转速传感器一样,主要是由预变换元件和变换元件两测量中应用较多。,介质变化型是在电容器的两个固定电极板之间嵌入一块高介电常数的可动板而构成的。 可动介质板与转动轴相连，随着转动轴的旋转，电容器板间的介电常数发生周期性变化而引起电容量的周期性变化，其速率等于转动轴的转速。 图中齿轮外沿面作为电容器的动极板,当电容器定极板与齿顶相对时,电容量最大,而与齿隙相对时,电容量最小。因此,电容量的变化频率应与齿轮的转频成正比 。,（2）介质变化型：,变磁阻式转速传感器,它属于变磁阻式传感器。变磁阻式传感器的三种基本类型，电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成转速传感器。 电感式转速传感器应用较广，它利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率。这类传感器按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种。 （1）开磁路式转速传感器（图4a）结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。 （2）闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁构成（图4b）。内、外齿轮有相同的齿数。当转轴连接到被测轴上一起转动时，由于内、外齿轮的相对运动，产生磁阻变化，在线圈中产生交流感应电势。测出电势的大小便可测出相应转速值。,霍尔式转速传感器,原理：是一种采用霍尔原理的的转速传感器。它的感应对象为磁钢。当被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速目的。,优点：安装使用方便，通用性好 可执行性高、易操作、精度高 同时误差比较小，适应于各种复杂环境 霍尔传感器本身具有不怕灰尘、油污，安装简易，不易损坏 所以霍尔转速传感器是转速传感器中的战斗机。,霍尔效应：,置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上垂直于电流和磁场方向产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。 霍尔电位差UH的基本关系为 UH=RHIB/d RH=1/nq（金属） 式中 RH霍尔系数： n载流子浓度或自由电子浓度； q电子电量； I通过的电流； B垂直于I的磁感应强度； d导体的厚度。,霍尔元件（敏感元件）： 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。,霍尔元件示意图,组成部分： 霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。,霍尔元件图片,下面通过一个实际的测转速例子来讲解霍尔式转速传感器,在设计中使用是Hal-12霍尔传感器，Hal-12霍尔转速传感器,是一种采用霍尔原理的的转速传感器。它的感应对象为磁钢。当被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。由于安装使用方便，通用性好，已被广泛应用于各种领域。,技术参数： 1.发讯频率：010kHz 2.供电电源：1225V(DC) 3.负载电阻：1.0k 4.检测距离：14mm(磁钢) 6.输出信号：矩形波幅值：近电源电压 7.环境条件：温度：-20C80C 相对 湿度：85%,Hal-12霍尔传感器实物图,Hal-12霍尔传感器结构参数,霍尔转速传感器传感头,当圆形磁盘旋转时，磁盘上不同磁性的小磁钢交替变化，引起磁力的交替简化，磁力穿过传感器上感应元件时产生霍尔电势经过霍尔芯片的放大整形输出，再输入到转换电路。,注释：磁盘每转一圈，与感应元件就接触一次，感应元件感应磁场的变化通过上拉电阻在输出口会产生一个有效电平。,霍尔转速传感器内置电路图,传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号,圆盘贴两个磁钢时， 设每秒计数到N个值，则转速=N/2 (r/s)。 则N/2 (r/s)=30N(r/min)。 即只要将计数值乘以30便可得到每分钟电机的转速,模拟输出的矩形脉冲图,理想的输出图,过程分析： 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴转动时, 磁性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 便可知被测转速。 磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。,输入输出关系图,霍尔式转速测量系统硬件电路图,转速测量电路,1）转速测量仪的基本组成：,2）转速测量基本方法,定数采样：这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法。 定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法。,频率电压转换(f/V),频率转速 N=f/分频数,单位r/min r/s,采用“M”法的转速测量（测频法）,在一定的测量时间内，测量输入脉冲产生的脉冲数M1来测量转速，如图所示,硬件仿真图,误差分析,预计的实物效果,霍尔元件的补偿电路,1.零位误差： 就是指在无外加磁场或无控制电流的情况下,霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差称为零位误差。要表现为以下几种具体形式：,1)不等位电动势： 不等位电动势是零位误差中最主要的一种,它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气中温升10所对应的电流)作用下,不加外磁场时,霍尔输出端之间的空载电势。不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧,致使两电极点不能完全位于同一等位面上。此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜,致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。,2)寄生直流电势 在无磁场的情况下,通入交流电流,输出端除交流不等位电压以外的直流分量是寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因大致上有两个方面:由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应,使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。,3)感应零电势 感应零电势是在未通电流的情况下,由于脉动或交变磁场的作用,在输出端产生的电动势。根据电磁感应定律,感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比。,4)自激场零电势 霍尔元件控制电流产生自激场，由于元件的左右两半场相等,故产生的电势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电流引线也产生磁场,使元件左右两半场强不等,因而有霍尔电势输出,这一输出电势即是自激场零电势。在上述的四种零位误差中,寄生直流电势、感应零电势和自激场零电势,是由于制作工艺上的原因而造成的误差,可以通过工艺水平的提高加以解决,而不等位电动势所造成的零位误差,则必须通过补偿电路给予克服。,2.零位误差的补偿电路,在实验中发现,对于霍尔元件来说,不等位电动势与不等位电阻是一致的,因此,可以将霍尔元件等效为一个电桥,并通过调整其电阻的方法来进行补偿图4为霍尔元件的结构,其中A、B为控制电极,C、D为霍尔电极,在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示,等效电路如图5所示。,在理想情况,R1=R2=R3=R4,即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零),从而消除不等位电动势。实际上,若存在零位电动势,则说明此4个电阻不完全相等即电桥不平衡。为使其达到平衡,可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。理论上可采用三种调整方案,第一种方案为单桥臂挂可调电阻,如图6所示;第二和第三种方案为双桥臂挂可调电阻,如图7、图8所示。,3.温度误差及其补偿：,产生原因：,半导体对温度很敏感 特性参数为温度的函数,处理方法：,霍尔测转速的应用,日常生活中，我们可以用在测量自行车、转轮等各种运动的速度大小。利用V=2RN 即可得出结果。 其中R为自行车轮子的半径，N为所测转速的大小。,风速测量,