课程设计说明书题目：霍尔式速度传感器结构与转换电路设计燕山大学课程设计任务书目录摘要 (1)第一章霍尔传感器的理论基础 (2)第二章风杯风速计的组成与原理 (3)第三章信号的处理与放大电路 (4)第四章霍尔传感器的应用实例 (5)摘要随着社会与科技的进步，霍尔式传感器越来越广泛的应用于工业行业中。
对于风速的测量，其精确度及准确度的要求越来越高，而霍尔式速度传感器可以结合风杯测速仪来更准确的实现对风速的测量。
1.1霍尔效应所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。
金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。
当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。
半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。
利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。
霍尔电位差UH的基本关系为UH=RHIB/d （18）RH=1/nq（金属）（19）式中RH——霍尔系数：n——载流子浓度或自由电子浓度；q——电子电量；I——通过的电流；B——垂直于I的磁感应强度；d——导体的厚度。
应该指出：霍尔效应对于一切导电体（导体、金属半导体）都成立。
图1-1 霍尔效应原理图1.2霍尔元件霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。
一般用于电机中测定转子转速,如录象机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。
霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔元件常用型号1.3霍尔元件基本电路1.4霍尔元件的特性1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。
另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率率ρ与电子迁移率μ的乘积。
2、霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度）霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍尔常数。
3、霍尔额定激励电流当霍尔元件自身升温10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。
4、霍尔最大允许激励电流以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。
5、霍尔输入电阻霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。
6、霍尔输出电阻霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。
7、霍尔元件的电阻温度系数在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位为%/℃。
8、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点）在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。
9、霍尔输出电压在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。
10、霍尔电压输出比率霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率11、霍尔寄生直流电势在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。
12、霍尔不等位电势在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。
13、霍尔电势温度系数在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。
它同时也是霍尔系数的温度系数。
14、热阻Rth霍尔元件工作时功耗每增加1W，霍尔元件升高的温度值称为它的热阻，它反映了元件散热的难以程度，单位为：摄氏度/w。
1.4 霍尔元件的温度误差与补偿由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度而变化，用此材料制成的霍尔元件的性能参数必然随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。
为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化茵外，还可以采取一些恒温措施而引起的控制电流变化1.恒压源串联电阻补偿由U H＝k HIB可看出；稳定输入电流I是个有较措施，可以使霍尔电势稳定。
但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。
霍尔元件的灵敏系数k H也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。
霍尔元件的灵敏度与温度的关系可写成k H＝k H0[1+αΔT]式中：k H0———温度T0时的k H值；ΔT＝T－T0－－温度变化量；α——霍尔电势温度系数。
大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加αΔT。
但如果同时让激励电流I相应地减小，并能保持k HI乘积不变，也就抵消了灵敏系数k H增加的影响。
图1就是按此电路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。
电路中U S为恒压源，分压电阻RP与霍尔元件的激励电极相串联。
当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，电阻RP也随温度升高而增加，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。
图1在图1所示的温度补偿电路中，高初始温度为T。
，霍尔元件输入电阻为Rio,灵敏系数为Kho,分流电阻为Rpo,根据分压概念得Rpo )= U SIH0(Rio+当温度升至T时，电路中各参数变为R i= R i0[1+δΔT]Rp=Rpo[1+βΔT]式中：δ――霍尔元件输入电阻温度系数；β――分流电阻温度系数。
因而βΔT]+ IH R i0[1+δΔT] = U SIH Rpo[1+温度升高了ΔT，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足升前、后的霍你电势不变，即UHO=UH,则Kho IH0B= Kh IHBKh IH有Kho IH0=Rpo＝（δ－α）/(α－β) （1）当霍尔元件选定后，它的输入电阻R i0温度系数δ及霍尔电势温度系数α是确定值。
由式（1）即可计算出分压电阻Rpo及所需的温度系数β值。
为了满足Rpo及β两个条件。
分压电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦介效果很好。
2.采用恒流源并联输入电阻补偿当霍尔元件采用恒流源供电时仍有温度误差，为了进一步提高U 的温度稳定性，对于具有正温度灵敏系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻R,其分析过程与上面的相同。
2.1风杯风速计的组成风杯由三个（或四个）半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与转轴相连。
图2.1 风杯2.2风杯风速计的感应原理在稳定的风力作用下，风杯受到扭力矩作用而开始旋转，它的转速与风速成一定的关系式中，μ为风速，N=½ρArα₁，D=2πr²ρAb₁，ρ为空气密度，A为风杯的横截面，r为杯架的旋转半径a₁和b₁是由风杯本身所决定的常数两点推论：1当风杯处于小风速时，必须考虑两种摩擦力矩（动摩擦力矩、静摩擦力矩）的影响。
2静摩擦力矩是常数，动摩擦力矩应与转速成正比。
风速越大，摩擦力矩所占的比例越低2.3基于霍尔式速速传感器的风杯风速计测量风速在风杯风速计的其中一个半球上贴上一片磁钢，让霍尔传感器固定在一个位置上，使风杯风速计的半球对准霍尔传感器，利用霍尔效应，变化的磁场B会使霍尔元件产生霍尔电压U。
这样在风使得风速计机械转动的过程中，每当贴有磁钢的半球经过霍尔传感器时，就会产生一个脉冲电压。
通过测量脉冲电压的频率来获得相应风杯风速计的转速，进而根据转速与风速的关系来求得实际的风速3.1 脉冲信号的获得霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。
如图3.1.1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。
图3.1.1 CS3020外形图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
3.2 基本硬件电路设计测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。
通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。
所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。
由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。
等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。
图3.2.1是测速电路的信号获取部分，在电源输入端并联电容C2用来滤去电源尖啸，使霍尔元件稳定工作。
HG表示霍尔元件，采用CS3020，在霍尔元件输出端（引脚3）与地并联电容C3滤去波形尖峰，再接一个上拉电阻R2，然后将其接入LM324的引脚3。
用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件输出电压与电位器R P1比较得出高低电平信号给单片机读取。
C4用于波形整形，以保证获得良好数字信号。
LED便于观察，当比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。
微型电机M可采用型，通过电位器R P1分压，实现提高或降低电机转速的目的。
C1电容使电机的速度不会产生突变，因为电容能存储电荷。
电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；比较器还有整形的作用，利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输出信号，不至于丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。
C 1图.3.2.1 测速电路原理图心得总结：通过本次设计使我对传感器这门课程有了更深的认识，特别是相关的霍尔元件和霍尔效应。
近年来随着科学技术的发展，霍尔式速度传感器的缺点不断被克服，应用越来越广泛，霍尔式速度传感器的稳定性好，抗干扰能力强，不易于的因环境的因素而产生误差，通过自己动手去设计电路，调试电路，让我更进一步的掌握了如何去设计相关的电子产品，如何运用电子产品，为将来的实践工作打下了夯实的基础，同时也感谢老师给我们这次设计实践的机会。