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1、集成开关型霍尔传感器本讲稿第一页，共十四页随着科学技术的发展，测量方法也不断进步，随着科学技术的发展，测量方法也不断进步，7070年代初，光电技术年代初，光电技术迅速发展，光敏传感器计时技术在工业和家用电器中得到大量迅速发展，光敏传感器计时技术在工业和家用电器中得到大量应用。应用。9090年代初，集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展。各种性能的年代初，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、通信等领域的自动控制中得集成霍尔传感器不断涌现，在工业、交通、通信等领域的自动控制中得到广泛的应用。到广泛的应用。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
2、量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。集成开关型霍尔传感器测量周期的优点是弹簧振子的振动周期。集成开关型霍尔传感器测量周期的优点是装置体积小，可靠性强，价格低廉，特别是它隔着介质（非磁介装置体积小，可靠性强，价格低廉，特别是它隔着介质（非磁介质）仍能工作，这些是光电传感器很难做得到的，因而有广泛的质）仍能工作，这些是光电传感器很难做得到的，因而有广泛的应用前景。应用前景。本讲稿第二页，共十四页实验目的通过测量弹簧振子振动周期，掌握霍尔传感器的特性。了通过测量弹簧振子振动周期，掌握霍尔传感器的特性。了解其在自动测量和自动控制中的应用。解其在自动测量和自动控
3、制中的应用。测量弹簧的倔强系数，研究弹簧振子运动规律。测量弹簧的倔强系数，研究弹簧振子运动规律。测量集成开关型霍尔传感器的特性，掌握集成霍尔传感器的测量集成开关型霍尔传感器的特性，掌握集成霍尔传感器的使用方法。使用方法。用集成开关型霍尔传感器设计测量角度、转速、产品计数、用集成开关型霍尔传感器设计测量角度、转速、产品计数、液位控制等有关应用性实验。液位控制等有关应用性实验。本讲稿第三页，共十四页实验原理1.1.位移法测弹簧倔强系数位移法测弹簧倔强系数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，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，外力外力F F和它的变形量成正
4、比，即：和它的变形量成正比，即：即胡克定律，比例系数即胡克定律，比例系数K K称为弹簧的倔强系数，其值与弹簧的形状，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，即可通过该式推算该弹簧的倔强系数过该式推算该弹簧的倔强系数K K。本讲稿第四页，共十四页实验原理2.2.周期法测弹簧倔强系数周期法测弹簧倔强系数质量为质量为MM的物体系于一轻弹簧的自由端，并放置在光滑的水平台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，弹簧的另一端固定，这就构成一个弹簧振子。弹簧振子将面上，弹簧的另一
5、端固定，这就构成一个弹簧振子。弹簧振子将在平衡点附近来回作简谐振动，其周期为：在平衡点附近来回作简谐振动，其周期为：实际上弹簧本身具有质量实际上弹簧本身具有质量MM0 0，它必对周期产生影响，可修正为，它必对周期产生影响，可修正为式中式中P P是一个介于是一个介于0 0与与1 1之间的系数（之间的系数（00P P11），其准确值可以通过实验予以确定，），其准确值可以通过实验予以确定，对柱形弹簧对柱形弹簧P P 1/31/3。PMPM0 0称为弹簧的有效质量（亦称折合质量）。称为弹簧的有效质量（亦称折合质量）。本讲稿第五页，共十四页实验原理3.3.霍尔效应及集成开关型霍尔传感器原理霍尔效应及集成
6、开关型霍尔传感器原理一般霍尔器件是四端器件，有一般霍尔器件是四端器件，有两个电流控制极和两个输出极。两个电流控制极和两个输出极。两个电流控制极分别焊接在霍两个电流控制极分别焊接在霍尔片与尔片与y y 轴平行的两个侧面上，轴平行的两个侧面上，而两个输出极则在与而两个输出极则在与x x 轴平行的轴平行的两侧面中央焊接引出。两侧面中央焊接引出。如果给霍尔器件的电流控制极通以控制电流如果给霍尔器件的电流控制极通以控制电流I IC C ，并在其所在平，并在其所在平面的法线方向（即面的法线方向（即z z 轴方向）上加以磁应强度为轴方向）上加以磁应强度为B B 的磁场，那么的磁场，那么载流子受洛伦兹力作用在
7、两侧面间产生电位差载流子受洛伦兹力作用在两侧面间产生电位差V VH H，称为霍尔电压，称为霍尔电压或霍尔电势。这种现象称为霍尔效应。或霍尔电势。这种现象称为霍尔效应。本讲稿第六页，共十四页实验原理开关型霍尔传感器（集成霍尔开关）是把霍尔片产生的霍尔电压开关型霍尔传感器（集成霍尔开关）是把霍尔片产生的霍尔电压V VH H放大后驱动触发电放大后驱动触发电路，输出电压是能反映路，输出电压是能反映B B的变化的方脉冲。集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势的变化的方脉冲。集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和发生器（即硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器和OCOC门输出
8、五个基本部分组门输出五个基本部分组成。在输入端（成。在输入端（1 1、2 2之间）输入电压之间）输入电压V Vcccc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差尔电势差V VH H 输出。输出。V VH H 经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到输送到OCOC门输出。门输出。本讲稿第七页，共十四页实验原理当外磁场当外磁场B B达到达到“
9、工作点工作点”B Bopop时，触发器输出高电平（相对于地电时，触发器输出高电平（相对于地电位），三极管导通，此时，位），三极管导通，此时，OCOC门输出端输出低电平，通常称这种门输出端输出低电平，通常称这种状态为状态为“开开”；当外磁场；当外磁场B B达到达到“释放点释放点”B Brprp时，触发器输出低电时，触发器输出低电平，三极管截止，平，三极管截止，OCOC门输出高电平，这时称其为门输出高电平，这时称其为“关关”状态。本状态。本实验就是利用磁钢与霍尔传感器之间的距离周期性改变来测量实验就是利用磁钢与霍尔传感器之间的距离周期性改变来测量弹簧的振动周期的，把这些开关信号（方脉冲）送入计数器
10、计弹簧的振动周期的，把这些开关信号（方脉冲）送入计数器计数就能测出振动的周期数。数就能测出振动的周期数。B Bopop与与B Brprp是有一定差值的，此差值是有一定差值的，此差值B BH H=B Bopop-B Brprp称为霍尔开关的磁滞。称为霍尔开关的磁滞。B B的变化不超过的变化不超过B BH H，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。集成霍尔开关传感器的输出特性如图集成霍尔开关传感器的输出特性如图(2)(2)。本讲稿第八页，共十四页实验内容1.1.用位移法测定弹簧倔强系数用位移法测定弹簧倔强系数K K。实验装置如图所示。游标卡尺实验装置
11、如图所示。游标卡尺3 3固定在支架固定在支架上，在游标卡尺的活动爪上装有一面小反射上，在游标卡尺的活动爪上装有一面小反射镜镜1 1，镜上有一条刻度线。利用，镜上有一条刻度线。利用1 1的帮助（主的帮助（主要是为了消除视差）可以用游标卡尺准确读出要是为了消除视差）可以用游标卡尺准确读出砝码托盘砝码托盘2 2末端的位置。在砝码盘中放置质末端的位置。在砝码盘中放置质量为量为MM的砝码，则的砝码，则MM产生的作用力产生的作用力F F=MgMg。设在放置设在放置MM前砝码托盘末端的位置读数为前砝码托盘末端的位置读数为Y Y0 0，放置后为，放置后为Y Y，利用，利用(1)(1)式可得：式可得：g=g=k
12、 k(Y Y-Y Y0 0)式中式中g g为重力加速度。为重力加速度。321本讲稿第九页，共十四页实验内容(1)(1)调节支架的底脚螺丝，使焦利秤立柱垂直。调节支架的底脚螺丝，使焦利秤立柱垂直。(2)(2)将弹簧固定在焦利秤上部悬臂上。旋转悬臂，使挂于弹簧下方的砝码盘将弹簧固定在焦利秤上部悬臂上。旋转悬臂，使挂于弹簧下方的砝码盘的尖针靠拢游标尺上的小镜。的尖针靠拢游标尺上的小镜。(3)(3)法码盘中放置一定质量的砝码后，弹簧伸长。调节游标尺的活法码盘中放置一定质量的砝码后，弹簧伸长。调节游标尺的活动爪，使砝码托盘末端的针尖对准小镜上的刻线，记录动爪，使砝码托盘末端的针尖对准小镜上的刻线，记录M
13、M及游及游标尺上相应的读数标尺上相应的读数Y Y。(4)(4)改变改变MM，测量不同的，测量不同的MM对应的对应的Y Y（参看数据记录表，加砝码过程测一（参看数据记录表，加砝码过程测一次为次为Y Y1 1；减砝码过程再测一次为；减砝码过程再测一次为Y Y2 2，取平均）。，取平均）。(5)(5)作作MM-Y Y图，验证图，验证M-YM-Y的线性关系，并求曲线的斜率的线性关系，并求曲线的斜率k k，k k=k kg g即为弹即为弹簧的倔强系数。簧的倔强系数。(6)(6)同时用逐差法求同时用逐差法求K K和和 K K，并与作图法的计算结果比较。，并与作图法的计算结果比较。本讲稿第十页，共十四页实验
14、内容2.2.测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数K K(1)(1)用电子秒表测弹簧振子振动用电子秒表测弹簧振子振动5050个周期的时间，求得弹簧振子的周期个周期的时间，求得弹簧振子的周期T T，利用公式求，利用公式求得弹簧倔强系数得弹簧倔强系数K K。(2)(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。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。a a）测量集成开关霍尔传感器的参数。）测量集成开关霍尔传感器的参数。如图，把小块钕铁硼磁钢粘在固定支架上，使小磁如图，把小块钕铁硼磁钢粘在固定支架上，使小磁钢的钢的S S极正对霍尔开关的霍尔
15、片的感应面（有文字面）。极正对霍尔开关的霍尔片的感应面（有文字面）。将集成霍尔片沿磁钢的轴线移动，使霍尔片与磁钢产生将集成霍尔片沿磁钢的轴线移动，使霍尔片与磁钢产生间距间距d d。测出工作距离。测出工作距离d dopop和释放距离和释放距离d drprp，然后用，然后用95A95A型集成线性霍尔传感器测量型集成线性霍尔传感器测量d dopop处的磁感应强处的磁感应强度度B Bopop和和d drprp处的磁感应强度处的磁感应强度B Brprp。求出集成霍尔开关的特。求出集成霍尔开关的特性参数：工作点性参数：工作点B Bopop及工作距离及工作距离d dopop，释放点，释放点B Brprp及释
16、及释放距离放距离d drprp，计算磁滞，计算磁滞B BH H。本讲稿第十一页，共十四页实验内容b b）用集成霍尔开关测量弹簧振动周期。）用集成霍尔开关测量弹簧振动周期。如图，将钕铁硼磁钢粘于如图，将钕铁硼磁钢粘于20g20g砝码下端使砝码下端使S S极面向极面向下。把集成霍尔开关感应面对准下。把集成霍尔开关感应面对准S S极，使它与磁极，使它与磁钢的间距适当。将集成霍尔开关的三个引脚分钢的间距适当。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。轻轻拉动弹簧使别与电源和周期测试仪相接。轻轻拉动弹簧使其振动（振幅不宜太大，也不宜太小，要保证其振动（振幅不宜太大，也不宜太小，要保证霍尔开关能
17、够翻转），记录振动霍尔开关能够翻转），记录振动5050次的时间，次的时间，求出弹簧振子周期。求出弹簧振子周期。c c）由公式求弹簧倔强系数）由公式求弹簧倔强系数K K。本讲稿第十二页，共十四页数据表格本讲稿第十三页，共十四页思考题1.1.实验中除了可由实验中除了可由MM-Y Y曲线判断弹簧的弹性回复力与弹簧偏离平衡位置曲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？的位移成线性关系外，还可以由什么来判断这一关系？2.2.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？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？3.3.如何用集成霍尔开关测量周期或转速？试作出一个设计方案。如何用集成霍尔开关测量周期或转速？试作出一个设计方案。本讲稿第十四页，共十四页