基于霍爾式傳感器的電子秤 課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 基于霍爾式傳感器的電子秤 指導(dǎo)老師摘要科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對稱重技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù)的巨大進(jìn)步，大大加速了這個進(jìn)程。目前，電子秤在商業(yè)銷售中的使用已相當(dāng)普遍，但在市場上仍廣泛使用的電子秤有很大局限性。這些電子秤體積大、成本高，又不便隨身攜帶，而目前市場上流行的便攜秤又大都采用桿式秤或以彈簧壓縮、拉伸變形來實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈簧秤等，其計(jì)量誤差大，又容易損壞。桿式秤和彈簧秤等計(jì)量器械將逐漸被淘汰。因此，一種能夠在未來更方便、更準(zhǔn)確的普及型電子秤的發(fā)展受到人們的重視，設(shè)計(jì)一種重量輕、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀的民用電子秤迫在眉睫。本設(shè)計(jì)過程充分利用傳感器的有關(guān)知識，利用

2、霍爾傳感器設(shè)計(jì)的簡單電子秤很大程度上滿足了此應(yīng)用需求，并從簡單電子秤的基本構(gòu)造進(jìn)一步了解大型電子秤的構(gòu)造原理。關(guān)鍵詞：CSY 傳感器實(shí)驗(yàn)儀；電子秤；霍爾式傳感器；差動放大器目 錄第一章 緒論 . 11.1 電子秤概述 . 11.2 電子秤的組成 . 2第二章 電子秤設(shè)計(jì)的目的意義及設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 . 42.1 電子秤設(shè)計(jì)目的 . 42.2 此課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用 . 42.3 電子秤設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 . 4第三章 電子秤總體設(shè)計(jì)方案 . 53.1 電子秤設(shè)計(jì)思想 . 53.2各電路單元或部件選擇. 63.3 最終方案的確定 . 10第四章 硬件設(shè)計(jì) . 114.1 硬件設(shè)計(jì)概要 . 11

3、4.2 所用到的單元或部件及其各自說明 . 13第五章 系統(tǒng)調(diào)試與使用 . 205.1 系統(tǒng)調(diào)試 . 205.2 使用說明 . 21第六章 收獲、體會 . . 22 參考文獻(xiàn) . 22鳴謝 . 23第一章 緒論1.1 電子秤概述稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計(jì)量器具，是國計(jì)民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟(jì)效益的提高。電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由粗糙到精

4、密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性，伴隨著高科技的發(fā)展，電子秤的

5、功能將會日趨完善。1. 按原理分:電子秤、機(jī)械秤、機(jī)電結(jié)合秤；2. 按功能分：計(jì)數(shù)秤、計(jì)價秤、計(jì)重秤；3. 按用途分：工業(yè)秤、商業(yè)秤、特種秤；4. 按放置位置分：1 桌面秤：指全稱量在30Kg 以下的電子秤；2 臺秤：指全稱量在30-300Kg 以內(nèi)的電子秤；3 地磅：指全稱量在300Kg 以上的電子秤；1.2 電子秤的組成電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電子秤均由以下三部分組成：1. 承重傳力復(fù)位系統(tǒng)；它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的

6、承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機(jī)構(gòu)等。2. 稱重傳感器；即由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計(jì)式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、聲表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要小；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。3. 測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置；即處理稱重

7、傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)嘗元件、保護(hù)線路等）和指示部件（如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等）。這部分習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運(yùn)算、變換、計(jì)數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動顯示等環(huán)節(jié)。當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系 的電信號(電壓或電流等 。此信號由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（A/D）器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號再送到微處器的CPU 處理，CPU 不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入

8、內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時，CPU 發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號各種運(yùn)算處理都在儀表中完成。需要指出的是，由于本實(shí)驗(yàn)中沒有用到單片機(jī)的有關(guān)知識，而直接使用CSY 傳感器實(shí)驗(yàn)儀，故經(jīng)放大電路放大的信號直接進(jìn)入F/V表，從而直接得出物體重量與輸出電壓值的關(guān)系，繼而計(jì)算出靈敏度。第二章 電子秤設(shè)計(jì)目的意義及設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 電子秤設(shè)計(jì)目的意義本次設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生在熟悉掌握傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)電子秤進(jìn)一步加深對傳感器技術(shù)的了解；并熟練掌握CS

9、Y 傳感器試驗(yàn)儀的操作方法；在不斷的創(chuàng)新嘗試中了解比較設(shè)計(jì)電子秤的四種基本方法：交流全橋、差動變壓器（互感式）、電渦流傳感器、霍爾傳感器。此次設(shè)計(jì)中主要利用霍爾式傳感器的直流激勵特性設(shè)計(jì)電子秤，在設(shè)計(jì)中主要了解霍爾式傳感器的原理與特性、霍爾式傳感器在靜態(tài)測量中的應(yīng)用。2.2 此課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用此次科研訓(xùn)練涉及到傳感器技術(shù)這門課程，因此通過此次科研訓(xùn)練可以使學(xué)生充分了解傳感器的知識，為后續(xù)學(xué)好傳感器技術(shù)打下良好的基礎(chǔ)。且傳感器技術(shù)是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授傳感技術(shù)的整體概念和常見物理量傳感器的機(jī)理、構(gòu)成、測量電路和應(yīng)用方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，增強(qiáng)對常見傳感器的

10、原理、結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識，掌握傳感器的應(yīng)用方法，也為后繼課程如過程控制儀表、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等準(zhǔn)備必要知識。2.3 電子秤設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 可以測量0-200克的物體； 2 精度為1克；3 計(jì)算出靈敏度，將電壓表示數(shù)與物體重量相對應(yīng)。第三章 電子秤總體設(shè)計(jì)方案3.1 電子秤設(shè)計(jì)思想 設(shè)計(jì)電子秤，可以通過構(gòu)造電路將物體質(zhì)量和指示表中數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，即使兩者呈一定的線性關(guān)系；而建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系就需利用傳感器將非電量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，可簡單通過圖3.1表示。按照電子秤設(shè)計(jì)的要求，可確定電子秤電路由以下幾部分組成：主副電源部分、電橋平衡網(wǎng)絡(luò)單元、 稱重傳感器部分、運(yùn)算放大部分、電壓表顯示部分組成，如圖3.

11、2所示。工作原理：當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系 的電信號(電壓或電流等 。此信號由放大電路進(jìn)行放大，直接進(jìn)入F/V表，可讀出電壓表示數(shù)，進(jìn)而確定電壓表示數(shù)與被測量物體重量的關(guān)系。3.2各電路單元或部件的選擇 電橋平衡網(wǎng)絡(luò)采用CSY 傳感器實(shí)驗(yàn)儀左下角的電橋單元，使用時可自由調(diào)節(jié)電位繼W1, 如圖3.3所示。稱重傳感器在電子秤中占有十分重要的位置，被喻為電子秤的心臟部件，它的性能好壞很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。通常稱重傳感器產(chǎn)生的誤差約占電子秤整機(jī)誤差的50%-

12、70%。若在環(huán)境惡劣的條件下（如高低溫、濕熱），傳感器所占的誤差比例就更大，因此，在人們設(shè)計(jì)電子秤時，正確地選用稱重傳感器非常重要。稱重傳感器的選擇主要從以下幾個方面考慮： 1. 要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境情況；傳感器所處的工作環(huán)境情況對如何選用傳感器是至關(guān)重要的，它關(guān)系到傳感器能否正常的工作，關(guān)系到傳感器的安全和使用壽命，乃至關(guān)系到整個電子秤的可靠性和安全性。2. 對傳感器數(shù)量和量程的選擇；傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子秤的用途、秤體需要支撐的點(diǎn)數(shù)（支撐點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)使秤體幾何重心和實(shí)際重心重合的原則而確定）而定。一般來說，秤體有幾個支撐點(diǎn)就選用幾只傳感器，但是對于一些特殊的秤體，如電子吊秤，就

13、只能采用一個傳感器，一些機(jī)電結(jié)合秤就應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來確定選用傳感器的個數(shù)。傳感器量程的選擇是依據(jù)秤的最大秤量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定傳感器的量程。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高，但在實(shí)際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷的存在，因此在選用傳感器量程的時候，要考慮諸如多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。稱重傳感器的種類很多，根據(jù)工作原理來分常用的有以下幾種： 電阻應(yīng)變式、電容式、壓磁式、壓電式、諧振式等。1. 電阻應(yīng)變式稱重傳感器：是把電阻應(yīng)變計(jì)粘貼

14、在彈性敏感元件上，然后以適當(dāng)方式組成電橋的一種將力（重量）轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換元件。2. 電容式稱重傳感器：是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容器容量變化的一種傳感器，它是以各種不同類型的電容量作為轉(zhuǎn)換元件，實(shí)際是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器由于它存在輸出特性的非線性、寄生電容和分布電容對靈敏度和稱重精度的影響、傳感器聯(lián)接電路比較復(fù)雜等原因，直接影響到它的可靠性，所以限制了它的應(yīng)用。近些年來由于集成電路特別是微處理技術(shù)的發(fā)展，可將電子線路緊靠傳感器的極板以減小電纜分布電容的影響，并可利用微處理技術(shù)對電容式傳感器的溫度特性和非線性進(jìn)行補(bǔ)償，所以電容式傳感器在電子稱重技術(shù)中的應(yīng)用又得到了重視，在國內(nèi)

15、已出現(xiàn)了可與電阻應(yīng)變式傳感器電子秤準(zhǔn)確度相比的電容式臺秤和電容式吊秤等產(chǎn)品。3. 壓磁式稱重傳感器：也稱磁彈性傳感器，它是一種力電轉(zhuǎn)換的無源傳感器。它的工作原理是利用壓磁效應(yīng)，將被稱重量的變化變換成傳感器導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率變化并輸出電信號。壓磁傳感器具有輸出信號大、抗干擾性能好、過載能力強(qiáng)、不均勻載荷對測量準(zhǔn)確度的影響小、能在惡劣的環(huán)境中工作、結(jié)構(gòu)簡單便于加工等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度低、反應(yīng)速度慢。它常用于冶金、礦山、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門的承受大噸位，并要求牢固可靠、安全報(bào)警等測力或稱重場合。4. 諧振式稱重傳感器：也稱頻率式傳感器，它是利用機(jī)械振子的固有頻率或石英晶體的諧振特性，隨著被稱物體重量的變化而產(chǎn)

16、生頻率變化現(xiàn)象而形成的一種傳感器。諧振式傳感器可分為振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶體諧振式等多種類型。在稱重技術(shù)中主要采用的是振弦式稱重傳感器和振梁式稱重傳感器類的一種復(fù)合音叉振子傳感器。稱重傳感器的主要性能指標(biāo)：1. 傳感器的輸出靈敏度傳感器在額定載荷作用下，供橋電壓為1V 時的輸出電壓，單位為（mV/V）。在任一載荷下，傳感器的輸出電壓 =所加載荷供橋電壓輸出靈敏度/額定載荷。2. 非線性傳感器承受載荷與其相應(yīng)輸出電壓之間并非成完全的線性關(guān)系，由此而造成的誤差稱為傳感器的非線性誤差。3. 不重復(fù)性在同一環(huán)境條件下，對傳感器反復(fù)施加某載荷時，其每次輸出的電壓值不盡相同，這種現(xiàn)象稱

17、為傳感器的不重復(fù)性。4. 零點(diǎn)不平衡輸出在傳感器不受任何載荷條件下，傳感器輸入端以額定的供橋電壓時的輸出電壓，稱為零點(diǎn)不平衡輸出。綜合對上述的了解以及自己做實(shí)驗(yàn)的親身體驗(yàn)，最終決定采用霍爾式傳感器完成此設(shè)計(jì)內(nèi)容，霍爾式傳感器單元如圖3.4所示，圖3.5為其實(shí)物圖。 放大電路的主要性能指標(biāo)有放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等，其中放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)，有電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)；輸入電阻是從輸入端向放大電路內(nèi)看去的等效電阻，它等于放大電路輸出端接實(shí)際負(fù)載電阻后，輸入電壓與輸入電流之比；放大電路的輸出端可等效為一個信號源。在此設(shè)計(jì)中可利用傳感器試驗(yàn)儀上的差動放大器單元，

18、如圖3.6所示。 此F/V表是顯示差動放大器輸出的電壓值，可直接用實(shí)驗(yàn)儀上的數(shù)字式電壓/頻率表即（F/V表）：3位半顯示，電壓范圍0-2V ，0-20V ，頻率范圍3Hz-2KHz 、10Hz-20KHz ，靈敏度50mV, 如圖3.7所示。 3.3 最終方案的確定經(jīng)過上述的思考與論證，決定設(shè)計(jì)的最終方案如下：1. 稱重傳感器選霍爾式傳感器；2. 電源部分、電橋平衡網(wǎng)絡(luò)、差動放大器、電壓表均按要求采用CSY 傳感器實(shí)驗(yàn)儀上相應(yīng)的單元。第四章 硬件設(shè)計(jì)4.1 硬件設(shè)計(jì)概要原理說明：在直流穩(wěn)壓電源的激勵下，首先調(diào)整電位繼W1使電壓表示數(shù)為零，以補(bǔ)償不等位電勢（不考慮溫度誤差的影響）；當(dāng)有重物放在振

19、動平臺正中央且霍爾元件通過恒定電流時，霍爾元件會在梯度磁場中向下移動時，輸出的霍爾電勢也為負(fù)值，即與位移相對應(yīng)，且與位移在一定程度上呈線性關(guān)系；輸出的霍爾電勢經(jīng)差動放大器放大顯示在F/V表上，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)可得出被測物體重量與電壓表示數(shù)的關(guān)系，從而通過看放未知重物時的電壓表示數(shù)可迅速得到其重量。電子秤原理圖如圖4.1示。 電橋平衡網(wǎng)絡(luò) 霍爾式傳感器 差動放大器 電壓表 121. 旋鈕初始位置：1 差動放大器：增益旋至最小 2 F/V數(shù)顯表：置于2V 檔 3 直流穩(wěn)壓電源：置于2V 檔 4 主副電源關(guān)閉2. 了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)儀上的安裝位置，熟悉實(shí)驗(yàn)面板上霍爾片的符號（霍爾片安裝在實(shí)驗(yàn)儀

20、的振動圓盤上，兩個半圓永久磁鋼固定在實(shí)驗(yàn)儀的頂板上，二者組合成霍爾傳感器）。3. 開啟主副電源將差動放大器增益調(diào)至最小位置調(diào)零后，關(guān)閉主副電源，拆除差動放大器調(diào)零接線。4. 差動放大器增益調(diào)至最小位置調(diào)零后，不再改變調(diào)零電位繼的位置。 5. 調(diào)節(jié)測微頭脫離平臺并遠(yuǎn)離振動臺。6. 按圖1接線，開啟主副電源，調(diào)W1電位繼使系統(tǒng)電壓輸出為零。 7. 在稱重平臺上放上砝碼，填入表4.1中。 表4.1 V-W關(guān)系表8. 根據(jù)表4.1中數(shù)據(jù)作出V-W 曲線，可看出其線性范圍為0-140g, 并可得出其靈敏度S=2.03mv/g，如圖4.2所示。13 9. 根據(jù)線性起點(diǎn)移走平臺上放的多余稱重砝碼，記下此刻的

21、表頭讀數(shù)，再在平臺上放一個未知重量之物，記下表頭讀數(shù)。根據(jù)線性區(qū)的靈敏度S 可求得此物體重量。如若電壓表顯示13mv, 則所稱量物體重6.4g 。4.2 所用到的單元或部件及其各自說明由于本設(shè)計(jì)中使用的是直流激勵，故應(yīng)使用+2V直流穩(wěn)壓電源，且激勵電壓不可過大，以免損壞霍爾片。直流穩(wěn)壓電源有如下特點(diǎn)：1. 輸出電壓值能在額定輸出電壓值以下任意設(shè)定和正常工作； 2. 輸出電流的穩(wěn)流值能在額定輸出電流值以下任意設(shè)定和正常工作； 3. 直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能夠自動轉(zhuǎn)換并有相應(yīng)的狀態(tài)指示；144. 對于輸出的電壓值和電流值要求精確的現(xiàn)實(shí)和識別；5. 對于輸出電壓和電流值有精確要求的直流穩(wěn)壓電源

22、，一般要用多圈電位器和電壓電流微調(diào)電位器，或者直接數(shù)字輸入；6. 要有完善的保護(hù)電路，直流穩(wěn)壓電源在輸出端發(fā)生短路及異常工作狀態(tài)時不應(yīng)損壞，在異常情況消除后能立即正常工作；電橋電路是最常用的非電量電測量電路中的一種，其中直流電橋是一種精密的電阻測量儀器，具有重要的應(yīng)用價值。按電橋的測量方式可分為平衡電橋和非平衡電橋。平衡電橋是把待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)電橋平衡，從而測得待測電阻值，如單臂直流電橋(惠斯登電橋 、雙臂直流電橋(開爾文電橋 。它們只能用于測量具有相對穩(wěn)定狀態(tài)的物理量，而在實(shí)際工程中和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，很多物理量是連續(xù)變化的，只能采用非平衡電橋才能測量；非平衡電橋的基本原理是通

23、過橋式電路來測量電阻，根據(jù)電橋輸出的不平衡電壓，再進(jìn)行運(yùn)算處理，從而得到引起電阻變化的其它物理量，如溫度、壓力、形變等。霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 15霍爾式傳感器是由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。當(dāng)霍爾元件通過恒定電流、霍爾元件在梯度磁場中上、下移動

24、時，輸出的霍爾電勢V 取決于其在磁場中的位移量X ，所以測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾元件的靜位移量，如圖4.3所示。 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。當(dāng)有B 作用時，由于洛倫茲力的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)，并使該邊積累電子，而另一邊則積累電荷，于是產(chǎn)生電場。該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的電場力與洛倫茲力相等時，電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。這時建立的電場稱為霍爾電場，霍爾效應(yīng)原理圖如圖4.4所示?；魻栯妱菘捎霉剑?.1）表示161）霍爾電壓Uh 與材料的性質(zhì)有關(guān) n 愈大，Kh 愈小，霍爾靈敏度愈低；n 愈小，Kh 愈大，但n 太小，需施加極高的電壓才

25、能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N 型半導(dǎo)體材料 2）霍爾電壓Uh 與元件的尺寸有關(guān)。d 愈小，Kh 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d 太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。霍爾電壓Uh 與控制電流及磁場強(qiáng)度成正比，當(dāng)磁場改變方向時，也改變方向。國產(chǎn)霍爾傳感器型號有HZ-1、HZ-2、HZ-3、HZ-4、HT-1、HT-2、HS-1等，其命名方法如圖4.5所示。 1. 輸入電阻Ri 和輸出電阻RoRi 是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，Ro 是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為，霍爾傳感器的等效電路可如圖4.6所示。 2. 額

26、定控制電流Ic 和最大控制電流Icm1 霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10的溫升時所施加的控制電流稱為額定控制電流Ic 。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，Ic 值較大則可獲得較大的霍爾輸出，霍爾元件限制Ic 的主要因素是散熱條件。2 一般鍺元件的最大允許溫升Tm80，硅元件的Tm175。當(dāng)霍爾元件的溫升達(dá)到Tm 時的Ic 就是最大控制電流Icm 。3. 不等位電勢Uh1 在額定控制電流Ic 之下，不加磁B 0時，霍爾電極間的空載霍爾電勢Uh 0，稱為不平衡(不等位 電勢，單位為mV 。一般要求霍爾元件的Uh1mV，好的霍爾元件的Uh 可以小于0.1mV 。2 不平衡電勢Uh 是主要的零位誤差。因?yàn)樵诠に嚿想y以保證

27、霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如圖4.7所示，當(dāng)控制電流I 流過時，即使未加外磁場，A 、B 兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）Uh 。 霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P ，并將P 轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移量X ，即X KpP ，其中系數(shù)Kp 為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻梯度磁場，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B KbX ，其中斜率Kb 為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是X ，這樣，霍爾電勢Uh 與被測壓力P 之間的關(guān)系就可表示為Uh KhIB KhIKbKp

28、P KP ，式中KhIKbKpK 霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度，具體內(nèi)部原理及磁場B 與位移X 的關(guān)系分別如（圖4.8、圖4.9）所示。 霍爾元件的基本驅(qū)動電路如圖4.10所示。 霍爾元件兩種驅(qū)動電路如圖4.11所示。 恒流驅(qū)動 恒壓驅(qū)動圖4.11 霍爾元件兩種驅(qū)動電路在此次設(shè)計(jì)中，當(dāng)霍爾傳感器通過恒定電流，將重物放在振動平臺正中央時，使得霍爾傳感器在梯度磁場中上下移動，輸出的霍爾電勢V 取決于其在磁場中的位移量X ，霍爾電勢經(jīng)放大后與被測重物的重量呈一定的線性關(guān)系。我們上學(xué)期剛學(xué)過模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，了解到差動放大器的作用是放大差模信號，抑制共模信號，在本次設(shè)計(jì)中由于產(chǎn)生的霍爾電勢很小，為減小誤差，故用差動放大器將其放大后顯