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开关型霍尔传感器


集成开关型霍尔传感器特性 与简谐振动实验





随着科学技术的发展,测量方法也不断进步,70年代初,光 随着科学技术的发展,测量方法也不断进步,70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 得到大量应用.90年代初,集成霍尔传感器技术得到了迅猛 得到大量应用.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, 通信等领域的自动控制中得到广泛的应用. 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,因而有广泛的应用前景.

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.了解其在自动测量和自动控制中的应用. 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. 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.

实验原理
1. 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,外力F 度内,外力F和它的变形量成正比,即:

F = KY或mg = KY


即胡克定律,比例系数K 即胡克定律,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,即可通过该式推算该弹簧的倔强系数K 应的形变量,即可通过该式推算该弹簧的倔强系数K.

实验原理
2. 周期法测弹簧倔强系数 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 质量为M 平台面上,弹簧的另一端固定,这就构成一个弹簧振子.弹 簧振子将在平衡点附近来回作简谐振动,其周期为:
T = 2π M K



实际上弹簧本身具有质量M 实际上弹簧本身具有质量M0,它必对周期产生影响,可修正 为
2 M + PM 0 4π (M + PM 0) T = 2π 或K = K T2



式中P是一个介于0 式中P是一个介于0与1之间的系数(0<P<1),其准确值可以通过实验予 之间的系数(0<P<1),其准确值可以通过实验予 以确定,对柱形弹簧P 1/3. 以确定,对柱形弹簧P≈1/3.PM0称为弹簧的有效质量(亦称折合质量).

实验原理
3. 霍尔效应及集成开关型霍尔传感器原理


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.两个电流控制极分别 焊接在霍尔片与y 轴平行的 两个侧面上,而两个输出极 则在与x 轴平行的两侧面中 央焊接引出.

Z

Y B

IC VH X

图 1 霍耳效应原理



如果给霍尔器件的电流控制极通以控制电流IC ,并在其所在 平面的法线方向(即z 轴方向)上加以磁应强度为B 的磁场, 那么载流子受洛伦兹力作用在两侧面间产生电位差VH,称为 霍尔电压或霍尔电势.这种现象称为霍尔效应.

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V 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VH放大 后驱动触发电路,输出电压是能反映B 后驱动触发电路,输出电压是能反映B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OC门输出五个基本部分组成.在输入端(1 器和OC门输出五个基本部分组成.在输入端(1,2之间)输入电压Vcc, 之间)输入电压V 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尔电势差V 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VH 输 出.V 出.VH 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 OC门输出. OC门输出.
Vcc 1 输出 3
V0/V 12

稳 压 霍 尔 片

9

工作点 (ON) 释放点 (OFF) B/mT 0 5 10 15 20

+ 施密特触发器

6 3

2

2

图 2 开关型霍尔传感器原理和输出特性

实验原理


当外磁场B达到"工作点"B 当外磁场B达到"工作点"Bop时,触发器输出高电平(相对 于地电位),三极管导通,此时,OC门输出端输出低电平, 于地电位),三极管导通,此时,OC门输出端输出低电平, 通常称这种状态为"开";当外磁场B达到"释放点"B 通常称这种状态为"开";当外磁场B达到"释放点"Brp时, 触发器输出低电平,三极管截止,OC门输出高电平,这时 触发器输出低电平,三极管截止,OC门输出高电平,这时 称其为"关"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. Bop与Brp是有一定差值的,此差值BH=Bop-Brp称为霍尔开关的 是有一定差值的,此差值B 磁滞.B的变化不超过B 磁滞.B的变化不超过BH,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(2). 输出稳定可靠.集成霍尔开关传感器的输出特性如图(2).



实验内容
1. 用位移法测定弹簧倔强系数K. 用位移法测定弹簧倔强系数K 实验装置如图所示.游标卡尺3固定在 实验装置如图所示.游标卡尺3 支架上,在游标卡尺的活动爪上装有一 面小反射镜1 面小反射镜1,镜上有一条刻度线.利 用1的帮助(主要是为了消除视差)可 以用游标卡尺准确读出砝码托盘2 以用游标卡尺准确读出砝码托盘2末端 的位置.在砝码盘中放置质量为M 的位置.在砝码盘中放置质量为M的砝 码,则M产生的作用力F Mg.设在放置 码,则M产生的作用力F=Mg.设在放置 M前砝码托盘末端的位置读数为Y0,放 前砝码托盘末端的位置读数为Y 置后为Y,利用(1)式可得: 置后为Y,利用(1)式可得: Mg=k(Y-Y0) g=k 式中g 式中g为重力加速度.

2 3

1

实验内容
(1) 调节支架的底脚螺丝,使焦利秤立柱垂直. (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 方的砝码盘的尖针靠拢游标尺上的小镜. (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 活动爪,使砝码托盘末端的针尖对准小镜上的刻线,记录M 活动爪,使砝码托盘末端的针尖对准小镜上的刻线,记录M 及游标尺上相应的读数Y 及游标尺上相应的读数Y. (4) 改变M,测量不同的M对应的Y(参看数据记录表,加砝码 改变M,测量不同的M对应的Y 过程测一次为Y ;减砝码过程再测一次为Y 过程测一次为Y1;减砝码过程再测一次为Y2,取平均). (5) 作M-Y图,验证M-Y的线性关系,并求曲线的斜率k,k=kg 图,验证M 的线性关系,并求曲线的斜率k 即为弹簧的倔强系数. (6) 同时用逐差法求K和K,并与作图法的计算结果比较. 同时用逐差法求K

实验内容
2. 测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数K 测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数K (1) 用电子秒表测弹簧振子振动50个周期的时间,求得弹簧振子的周期T, 用电子秒表测弹簧振子振动50个周期的时间,求得弹簧振子的周期T 利用公式求得弹簧倔强系数K 利用公式求得弹簧倔强系数K. (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. a)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, 使小磁钢的S 使小磁钢的S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间距d 线移动,使霍尔片与磁钢产生间距d.测出工 作距离d 和释放距离d ,然后用95A型集成 作距离dop和释放距离drp,然后用95A型集成 线性霍尔传感器测量d 处的磁感应强度B 线性霍尔传感器测量dop处的磁感应强度Bop和 drp处的磁感应强度Brp.求出集成霍尔开关的 处的磁感应强度B 特性参数:工作点B 及工作距离d 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BH. 及释放距离d ,计算磁滞B

实验内容
b)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20g砝码下端使S 如图,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 极面向下.把集成霍尔开关感应面对准S 极,使它与磁钢的间距适当.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.轻轻拉动弹簧使其振动(振幅不宜 太大,也不宜太小,要保证霍尔开关能够 翻转),记录振动50次的时间,求出弹簧 翻转),记录振动50次的时间,求出弹簧 振子周期. c)由公式求弹簧倔强系数K. )由公式求弹簧倔强系数K

数据表格
表 1 位移法数据表格
M∕g Y1∕mm Y2∕mm Y 平均∕mm 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

表 2 周期法数据表格(霍尔开关)
次数 1 2 3 4 5 6

T50 ∕s T ∕s T ∕s

思考题
1. 实验中除了可由M-Y曲线判断弹簧的弹性回复力与弹簧偏离 实验中除了可由M 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. 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.

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