基于霍爾式傳感器技術(shù)的數(shù)字式車速技的設(shè)計

PAGE——..基于霍爾式傳感器技術(shù)的數(shù)字式車速技的設(shè)計所在學院:信息技術(shù)專業(yè):電氣自動化20XX12月摘要霍爾傳感器是一種當交變磁場經(jīng)過時產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的場強決定的。因此,霍爾傳感器不需要外界電源供電。霍爾傳感器可廣泛應用于：1電子式水表、氣表、電表和遠程抄表系統(tǒng)2控制設(shè)備中傳送速度的測量3無刷直流電機的旋轉(zhuǎn)和速度控制4在工程中測量轉(zhuǎn)動速度和其他機械上的自動化應用5轉(zhuǎn)速儀、速度表以及其他轉(zhuǎn)子式計量裝置目錄摘要IABSTRACTII前言V1霍爾器件的介紹11.1霍爾器件與車速計的關(guān)系11.2霍爾器件的原理31.3霍爾接近開關(guān)41.4霍爾速度傳感器內(nèi)部42霍爾傳感器與車速計52.1原理52.2關(guān)系圖62.3計算機程序中的關(guān)系72.4執(zhí)行器驅(qū)動控制電路113車速計的介紹133.1磁電式車速傳感器133.2霍爾式車速傳感器133.3光電式車速傳感器144.1概述244.2LWGY基本型渦輪流量傳感器244.3流量脈沖信號采集電路27ABSTRACTThisgraduationprojectresearch'scontentis:Controlstheelectricallyoperatedactuator'sopening,thuscontrolsinthepipelinetheagriculturalchemicalscurrentcapacity,andcarriesonthesamplingthroughtheflowmetertothecurrentcapacity.Constitutionclosedloopfeedbackcontrol.Andconsideredfactorsandsoontractorspeed,achievetothepipelinecurrentcapacityprecisecontrol.Thetopicresearchsignificanceliesinthepreciseagriculturalconceptappliesinthetrueagriculturalproduction,promotesourcountryagriculturethemodernization,theelectrification,theautomation.TheprojectusesthemonolithicintegratedcircuitcontrolelectricallyoperatedactuatorinteriorelectricalmachineryFieldvariousplotsneedfertilizertheratioandtheunitareaemploymentquantitybeforehandhaveprogrammedstorethedatabase;Bycurrentmachinesandtoolsapproachingspeed,controlbroadcastsowingquantityfertilizer.Thecomputerasthesystemsuperiormachine,acceptsthepositionsignal,obtainsthecurrentpositionaccordingtothepositionalinformationthroughthedatabasethequantityfertilizer,simultaneouslyreadstheDopplerradar,thepresentmachinesandtoolsspeedandthegainpolicy-makingdatasynthesisoperation,transformsthequantityfertilizerbythedigitalquantityintotheliquidcurrentcapacityoutput,thusrealizesthecontrolofvariablequantityfertilizer.Keywords:ElectricallyoperatedactuatorDigital-analogconversionSerialcommunicationFluxtransducerVariablecontrol..前言霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器,已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族,并已得到廣泛的應用。本文簡要介紹其工作原理,產(chǎn)品特性及其典型應用。霍爾器件具有許多優(yōu)點,它們的結(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1MHZ,耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高〔可達μm級。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬,可達－55℃～150℃。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量,后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性,后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場,用這個磁場來作被檢測的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等,轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。\o"查看圖片"車速傳感器車速傳感器檢測電控汽車的車速,控制電腦用這個輸入信號來控制發(fā)動機怠速,自動變速器的變扭器鎖止,自動變速器換檔及發(fā)動機冷卻風扇的開閉和巡航定速等其它功能。車速傳感器的輸出信號可以是磁電式交流信號,也可以是霍爾式數(shù)字信號或者是光電式數(shù)字信號,車速傳感器通常安裝在驅(qū)動橋殼或變速器殼內(nèi),車速傳感器信號線通常裝在屏蔽的外套內(nèi),這是為了消除有高壓電火線及車載或其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁及射頻干擾,用于保證電子通訊不產(chǎn)生中斷,防止造成駕駛性能變差或其他問題,在汽車上磁電式及光電式傳感器是應用最多的兩種車速傳感器,在歐洲、北美和亞洲的各種汽車上比較廣泛采用磁電式傳感器來進行車速<VSS>、曲軸轉(zhuǎn)角<CKP>和凸輪軸轉(zhuǎn)角<CMP>的控制,同時還可以用它來感受其它轉(zhuǎn)動部位的速度和位置信號等,例如壓縮機離合器等。一霍爾器件的工作原理在磁場作用下,通有電流的金屬片上產(chǎn)生一橫向電位差這個電壓和磁場及控制電流成正比：VH＝K╳｜H╳IC｜式中VH為霍爾電壓,H為磁場,IC為控制電流,K為霍爾系數(shù)。在半導體中霍爾效應比金屬中顯著,故一般霍爾器件是采用半導體材料制作的。用霍爾器件,可以進行非接觸式電流測量,眾所周知,當電流通過一根長的直導線時,在導線周圍產(chǎn)生磁場,磁場的大小與流過導線的電流成正比,這一磁場可以通過軟磁材料來聚集,然后用霍爾器件進行檢測,由于磁場與霍爾器件的輸出有良好的線性關(guān)系,因此可利用霍爾器件測得的訊號大小,直接反應出電流的大小,即：I∞B∞VH其中I為通過導線的電流,B為導線通電流后產(chǎn)生的磁場,VH為霍爾器件在磁場B中產(chǎn)生的霍爾電壓、當選用適當比例系數(shù)時,可以表示為等式。霍爾傳感器就是根據(jù)這種工作原理制成的。1霍爾接近傳感器和接近開關(guān)在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體,并將它們和相應的處理電路裝在一個殼體內(nèi),做成一個探頭,將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來,霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計數(shù),黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測、測速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等?；魻柦咏_關(guān)主要用于各種自動控制裝置,完成所需的位置控制,加工尺寸控制、自動計數(shù)、各種計數(shù)、各種流程的自動銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測等等?；魻栆砥_關(guān)霍爾翼片開關(guān)就是利用遮斷工作方式的一種產(chǎn)品,2霍爾齒輪傳感器新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器,廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動機,作為點火定時用的速度傳感器,用于ABS〔汽車防抱死制動系統(tǒng)作為車速傳感器等。在ABS中,速度傳感器是十分重要的部件。1是車速齒輪傳感器；2是壓力調(diào)節(jié)器；3是控制器。在制動過程中,控制器3不斷接收來自車速齒輪傳感器1和車輪轉(zhuǎn)速相對應的脈沖信號并進行處理,得到車輛的滑移率和減速信號,按其控制邏輯及時準確地向制動壓力調(diào)節(jié)器2發(fā)出指令,調(diào)節(jié)器及時準確地作出響應,使制動氣室執(zhí)行充氣、保持或放氣指令,調(diào)節(jié)制動器的制動壓力,以防止車輪抱死,達到抗側(cè)滑、甩尾,提高制動安全及制動過程中的可駕馭性。在這個系統(tǒng)中,霍爾傳感器作為車輪轉(zhuǎn)速傳感器,是制動過程中的實時速度采集器,是ABS中的關(guān)鍵部件之一在汽車的新一代智能發(fā)動機中,用霍爾齒輪傳感器來檢測曲軸位置和活塞在汽缸中的運動速度,以提供更準確的點火時間,其作用是別的速度傳感器難以代替的,它具有如下許多新的優(yōu)點?！?相位精度高,可滿足0.4°曲軸角的要求,不需采用相位補償。〔2可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測要求?！?輸出為矩形波,幅度與車輛轉(zhuǎn)速無關(guān)。在電子控制單元中作進一步的傳感器信號調(diào)整時,會降低成本。用齒輪傳感器,除可檢測轉(zhuǎn)速外,還可測出角度、角速度、流量、流速、旋轉(zhuǎn)方向等等。霍爾速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由此,可對轉(zhuǎn)動物體實施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)理量的檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體,用流體〔氣體、液體去推動葉輪轉(zhuǎn)動,便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體,在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路,可制成車速表,里程表等等速、角度、角速度等物圖6的殼體內(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪,磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路,被測流體從管道一端通入,推動葉輪帶動與之相連的磁體轉(zhuǎn)動,經(jīng)過霍爾器件時,電路輸出脈沖電壓,由脈沖的數(shù)目,可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑,可由流速和管徑求得流量?；魻栯娐酚呻娎|35來供電和輸出。圖6霍爾流量計由圖7可見,經(jīng)過簡單的信號轉(zhuǎn)換,便可得到數(shù)字顯示的車速。利用鎖定型霍爾電路,不僅可檢測轉(zhuǎn)速,還可辨別旋轉(zhuǎn)方向,如圖27所示。曲線1對應結(jié)構(gòu)圖〔a,曲線2對應結(jié)構(gòu)圖<b>,曲線3對應結(jié)構(gòu)圖<c>。圖7霍爾車速表的框圖圖8利用霍爾開關(guān)鎖定器進行方向和轉(zhuǎn)速測定4在大電流檢測中的應用在冶金、化工、超導體的應用以及高能物理〔例如可控核聚變試驗裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進行大電流的測量和控制,既可滿足測量準確的要求,又不引入插入損耗,還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測試裝置。圖9示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器,可檢測高達到300kA的電流。圖9〔a為G－10安裝結(jié)構(gòu),中心為電流匯流排,<b>為電纜型多霍爾探頭,<c>為霍爾電壓放大電路。<a>G10安裝結(jié)構(gòu)<b>電纜型多霍爾探頭<c>霍爾電壓放大電路圖9多霍爾探頭大電流傳感器圖10霍爾鉗形數(shù)字電流表線路示意圖圖11霍爾功率計原理圖<a>霍爾控制電路<b>霍爾磁場電路圖12霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器圖13霍爾電度表功能框圖圖14霍爾隔離放大器的功能框圖5霍爾位移傳感器若令霍爾元件的工作電流保持不變,而使其在一個均勻梯度磁場中移動,它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖15示出3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線,將它們固定在被測系統(tǒng)上,可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見,結(jié)構(gòu)〔b在Z<2mm時,VH與Z有良好的線性關(guān)系,且分辨力可達1μm,結(jié)構(gòu)〔C的靈敏度高,但工作距離較小。圖15幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。以微位移檢測為基礎(chǔ),可以構(gòu)成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。6霍爾壓力傳感器霍爾壓力傳感器由彈性元件,磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成,如圖16所示。在圖16中,〔a的彈性元件為膜盒,<b>為彈簧片,<c>為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復合系統(tǒng),如圖29中的<a>、<b>,也可采用單一磁體,如〔c。加上壓力后,使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移,改變作用到霍爾元件上的磁場,從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的p～f<VH>曲線即可得到被測壓力p的值。圖16幾種霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理7霍爾加速度傳感器圖17示出霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點上固定均質(zhì)彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M,片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H,H的上下方裝上一對永磁體,它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上,當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時,慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個相對盒體的位移,產(chǎn)生霍爾電壓VH的變化?？蓮腣H與加速度的關(guān)系曲線上求得加速度。圖17霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)特性三小結(jié)目前霍爾傳感器已從分立元件發(fā)展到了集成電路的階段,正越來越受到人們的重視,應用日益廣泛中洛倫茲力作用的結(jié)果?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獊砉ぷ鞯囊活悅鞲衅鞯目偡Q?；魻栃漠a(chǎn)生是由于運動電荷受磁場霍爾元件具有對磁場敏感,結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻響寬、動態(tài)范圍大<輸出電勢的變化大>、無活動部件、使用壽命長等優(yōu)點,因此在測量技術(shù)、自動化技術(shù)等方面有著廣泛的應用。

利用霍爾輸出正比于控制電流和磁感應強度乘積的關(guān)系,可分別使其中一個量保持不變,另一個量作為變量；或兩者都作為變量。因此,霍爾元件大致可分為三種類型的應用。例如,當保持元件的控制電流恒定,而使元件所感受的磁場因元件與磁場的相對位置、角度的變化而變化時,元件的輸出正比于磁感應強度,這方面的應用有測量恒定和交變磁場的高斯計等。當元件的控制電流和磁感應強度都作為變量時,元件的輸出與兩者乘積成正比,這方面的應用有乘法器、功率計等。

霍爾元件也可以用來測量旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速。利用霍爾元件測量轉(zhuǎn)速的方案很多。其一是將永久磁鐵裝在旋轉(zhuǎn)體上,霍爾元件裝在永久磁鐵旁,相隔lmm左右。當永久磁鐵通過霍爾元件時,霍爾元件輸出一個電脈沖<如圖23.1所示>。由脈沖信號的頻率便可得到轉(zhuǎn)速值。其二是將永久磁鐵裝在靠近帶齒旋轉(zhuǎn)體的側(cè)面,磁鐵N極與S極的距離等于齒距。霍爾元件粘貼在磁極的端面。齒輪每轉(zhuǎn)過一個齒,霍爾元件便輸出一個電脈沖,測定脈沖信號的頻率便可得到轉(zhuǎn)速值。本實驗利用LHG-5-A型霍爾傳感器采用第一種方案來進行速度測量。四.實驗步驟及內(nèi)容

1.輸送線傳輸速度測量實驗結(jié)構(gòu)如圖23.2所示,將LHG-5-A型霍爾傳感器接入輸送線模塊對應通道。

圖23.2輸送線傳輸速度測量實驗結(jié)構(gòu)示意圖2.啟動服務器,運行DRVI主程序,開啟DRVI數(shù)據(jù)采集儀電源,然后點擊DRVI快捷工具條上的"聯(lián)機注冊"圖標,選擇其中的"DRVI采集儀主卡檢測"進行服務器和數(shù)據(jù)采集儀之間的注冊。聯(lián)機注冊成功后,從DRVI工具欄中啟動"DRVI微型Web服務器",開始監(jiān)聽8600端口。

3.本實驗的原理設(shè)計參考圖如圖23.3所示。

圖23.3輸送線速度測量實驗原理設(shè)計參考圖4.在DRVI軟件平臺的地址信息欄中輸入如下信息"://服務器IP地址:8600/SensorLAB/index.htm",打開WEB版實驗指導書,在實驗目錄中選擇"霍爾傳感器傳輸速度測量"實驗,點擊附錄中"服務器端"腳本文件鏈接,將本實驗的"服務器"端腳本文件讀入。

5.點擊"開始"按鈕運行服務器端的實驗腳本,如果顯示波形沒有出現(xiàn)近似矩形波,并且相關(guān)的速度測量是無效的,請調(diào)整脈沖計數(shù)門限,直到出現(xiàn)正常的波形為止,如圖23.4所示。

6.打開客戶端計算機,啟動計算機上的DRVI客戶端程序,然后點擊DRVI快捷工具條上的"聯(lián)機注冊"圖標,選擇其中的"DRVI局域網(wǎng)服務器檢測",在彈出的對話框中輸入服務器IP地址〔例如：192.168.0.1,點擊"發(fā)送"按鈕,進行客戶端和服務器之間的認證,認證完畢后即可正常運行客戶端中所有的功能。

圖23.4轉(zhuǎn)速測量服務器端實驗樣本7.點擊附錄中的"客戶端"腳本文件鏈接,將實驗的腳本文件讀入。將服務器IP地址填入數(shù)據(jù)服務器IP地址輸入欄中,如圖23.5所示。在服務器端進行數(shù)據(jù)采集的同時,點擊"開始"按鈕,進行客戶端的速度測量過程。

圖23.5轉(zhuǎn)速測量客戶端實驗樣本五.實驗報告要求簡述實驗目的和原理,分析并整理實驗測量結(jié)果。六.思考題

1．該實驗還可以采用其它哪些傳感器進行？

2．調(diào)整不同的采樣頻率后,輸出信號有何變化？并解釋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。附錄：1.

該實驗的實驗信號處理框圖如圖23.6所示圖23.6轉(zhuǎn)速測量實驗信號處理框圖>磁電式車速傳感器磁電式車速傳感器是一個模擬交流信號發(fā)生器,它們產(chǎn)生交變電流信號,通常由帶兩個接線柱的磁芯及線圈組成。這兩個線圈接線柱是傳感器輸出的端子,當由鐵質(zhì)制成的環(huán)狀翼輪<有時稱為磁組輪>轉(zhuǎn)動經(jīng)過傳感器時,線圈里將產(chǎn)生交流電壓信號。磁組輪上的逐個齒輪將產(chǎn)生一一對應的系列脈沖,其形狀是一樣的。輸出信號的振幅<峰對峰電壓>與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比<車速>,信號的頻率大小表現(xiàn)于磁組輪的轉(zhuǎn)速大小。傳感器磁芯與磁組輪間的氣隙大小對傳感器的輸入信號的幅度影響極大,如果在磁組輪上去掉一個或多個齒就可以產(chǎn)生同步脈沖來確定上止點的位置。這會引起輸出信號頻率的改變,而在齒減少時輸出信號幅度也會改變,發(fā)動機控制電腦或點火模塊正是靠這個同步脈沖信號來確定觸發(fā)電火時間或燃油噴射時刻的。測試步驟可以將系統(tǒng)驅(qū)動輪頂起,來模擬行駛時的條件,也可以將汽車示波器的測試線加長,在行駛中進行測試。波形結(jié)果車輪轉(zhuǎn)動后,波形信號在示波器顯示中心處的零伏平線上開始上下跳動,并隨著車速的提高跳動越來越高。波形顯示與例子十分相似,這個波形是在大約30英里/小時的速度下記錄的,它又不像交流信號波形,車速傳感器產(chǎn)生的波形與曲軸和凸輪軸傳感器的波形的形狀特征十分相似的。通常,波形在零伏線上下的跳變是非常對稱的,車速傳感器的信號的振幅隨車速增加。速度越快波形幅值就越高,而且車速增加,波形頻率也將增加,示波器將顯示有較多的波形震蕩。確定振幅、頻率和形狀等關(guān)鍵的尺度是正確的、可重復的、有規(guī)則的、可預測的。這是指波峰的幅值正常,兩脈沖間的時間不變,形狀是不變的且可預測的,尖峰高低不平是因傳感器的磁芯與磁組輪相碰所引起的,這可能是有傳感器的軸襯或傳動部件不圓造成的,尖峰丟失是損壞缺點的磁組輪造成的。不同型式的傳感器,其波形的峰值電壓和形狀有輕微的差異,另外由于傳感器內(nèi)部是一個線圈,所以故障是與溫度有關(guān)的,在大多數(shù)情況下波形會變得短很多,變形也很大,同時還可能設(shè)定故障碼<DTC>,故障在示波器上顯示的搖動線束,這可以更進一步確定磁電式傳感器是造成故障的根本原因,車速傳感器信號輸出最常見的故障是根本不產(chǎn)生信號,但如果駕駛汽車時波形是齊直的直線,那么應該先檢查示波器和傳感器的連線,確定電路有沒有對地搭鐵,確認零部件能否轉(zhuǎn)動<塑料齒輪有沒有咬死等>確認傳感器氣隙是否正常,然后再斷定傳感器。2>霍爾式車速傳感器霍爾效應傳感器<開關(guān)>在汽車應用中是十分特殊的,這主要是由于變速器周圍空間位置沖突,霍爾效應傳感器是固體傳感器,它們主要應用在曲軸轉(zhuǎn)角和凸輪軸位置上,用于開關(guān)點火和燃油噴射電路觸發(fā),它還應用在其它需要控制轉(zhuǎn)動部件的位置和速度控制電腦電路中?；魻栃獋鞲衅骰蜷_關(guān),由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成,一個軟磁鐵葉片轉(zhuǎn)子穿過磁鐵和磁極間的氣隙,在葉片轉(zhuǎn)子上的窗口允許磁場不受影響的穿過并到達霍爾效應傳感器,而沒有窗口的部分則中斷磁場,因此,葉片轉(zhuǎn)子窗口的作用是開關(guān)磁場,使霍爾效應象開關(guān)一樣地打開或關(guān)閉,這就是一些汽車廠商將霍爾效應傳感器和其它類似電子設(shè)備稱為霍爾開關(guān)的原因,該組件實際上是一個開關(guān)設(shè)備,而它的關(guān)鍵功能部件是霍爾效應傳感器。測試步驟將驅(qū)動輪頂起模擬行使狀態(tài),也可以將汽車示波測試線加長進