项目四 速度检测（课件）- 《传感器与检测技术项目式教程》同步教学（人民邮电版）

项目四 速度检测 1 知识目标： 理解霍尔效应、霍尔传感器的工作原理 了解光纤传感器的工作原理 熟悉霍尔传感器的测量电路 熟悉光纤传感器类型和应用 掌握霍尔传感器的结构和主要特性 理解光电编码器的工作原理及应用 能够根据需要选择合适的速度传感器进行速度测量电路设计 学会速度测量系统的制作与调试 技能目标： 学习目标 项目背景 对于工业生产而言，采用各种先进的检测技术对设备的转速或者速度进行检查、检测，对保证安全生产，提高生产质量有着重要的意义。通过对生产设备速度的测量，可以了解整个设备的运转情况，可以根据生产需求及时作出调整。同时对于超出设备本身的运转速度范围，检测系统发出报警，保障生产的安全。所以，在工业生产中，要求速度检测装置或系统除具有测量功能外，还应具有记录、报警或发出控制信号的功能。 物体运动的速度检测分线速度检测和转速检测。通常线速度用v表示，转速用n表示，角速度用w表示，转换关系为v=wr=2πnr（其中r为半径），所以一般线速度的检测都转换为转速检测。在检测系统中，速度的测量主要是通过速度传感器进行的。根据被测对象的不同，以及检测的条件和环境的差别，对速度进行检测的传感器有许多种。本项目主要介绍常见的霍尔传感器、光电编码器和光纤等传感器的工作原理及其应用。 任务4.1 动感单车速度检测 知识分布网络 动感单车速度检测 任务实施 知识拓展 相关知识 霍尔传感器基本测量电路 集成霍尔传感器 霍尔元件的误差及其补偿原则 传感器选型 测量电路设计 模拟调试 霍尔电流传感器 霍尔式微位移传感器 霍尔传感器工作原理 霍尔式压力传感器 任务4.1 动感单车速度检测 动感单车是一种结合了音乐、视觉效果等独特的充满活力的室内自行车训练、健身设备。动感单车的结构与普通的单车相似，包括车把、车座、蹬板和轮子几个部分，如图4-1所示，与普通自行车不同的是，其车身稳固地联结为一个整体 。 【任务描述】 图4-1 动感单车 任务4.1 动感单车速度检测 4.1.1霍尔传感器工作原理 1. 霍尔效应 当把一块金属或半导体薄片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电场EH，将这种现象称为霍尔效应 . 【相关知识】 图4-2 霍尔效应原理 6 任务4.1 动感单车速度检测 当电流I通过霍尔片时，设载流子为带负电的电子，则电子沿电流相反方向运动，设其平均速度为v，在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL e——电子所带电荷量，e=1.602×10-19C； V——电子运动速度，m/s； B——磁感应强度，Wb/m2 运动电子在洛伦兹力fL的作用下，以抛物线形式偏转至霍尔片的一侧，并使该侧形成电子积累。同时使其相对一侧形成正电荷积累，于是建立起一个霍尔电场EH。该电场对随后的运动电子施加一电场力fE b—霍尔片的宽度，m； UH—霍尔电动势，V。 任务4.1 动感单车速度检测 平衡时，洛伦兹力fL与电场力fE相等，得： 由于电流密度为j=nev，则电流强度为 d—霍尔片的厚度； n—电子浓度； RH—霍尔系数，； KH—霍尔灵敏度，。 任务4.1 动感单车速度检测 2. 霍尔元件的结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。 （a)霍尔元件示意图 （b)霍尔元件内部结构图 图4-3 霍尔元件 任务4.1 动感单车速度检测 图4-4 霍尔元件的符号 常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。 任务4.1 动感单车速度检测 3.霍尔元件的主要技术参数 （1）输入电阻Ri 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电压变化，为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。 （2）输出电阻R0 两个霍尔电压输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻同一数量级，它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电压的漂移减至最小。 任务4.1 动感单车速度检测 （3）额定激励电流IC 在磁感应强度B=0时，静止空气中环境温度为25℃条件下，焦耳热所产生的允许温升△T=10℃时从霍尔器件电流输入端的电流称额定控制电流IC。 （4）灵敏度KH 在单位控制电流IC和单位磁感应强度B的作用下，霍尔器件输出端开路时测得霍尔电压，称为灵敏度KH，其