最新传感器实验霍尔测速和光速测控

传感器实验霍尔测速和光速测控

传感器实验实验报告

实验三霍耳测速

一、实验目的：

了解霍耳传感器N3120U的特性，学习霍耳传感器的应用，NE555时基集成电路应用。

二、实验设备及器件：

显示器、稳压电源、频率计数器；霍耳传感器、万用表、小磁铁、小电机等。

三、实验原理：

霍耳元件是一种磁电转换元件，用于检测磁场并将磁信号转换成电压。把霍耳元件置于外磁场中，沿垂直于磁力线方向通过电流时，其中的载流子受洛仑兹力作用，被推向一侧，积累以后形成电场，这个电场阻止载流子的偏移，当达到动态平衡后，电场中电位差即形成霍耳电压。当电流一定时，测量霍耳电压即可得知磁场的场强大小。

本实验采用的N3120U霍耳器件是一种集成的开关元件。它的输出可直接与多种电子元件相连。它的内部结构和主要性能如上图，其中：

图(一)显示了N3120U的内部结构和外接电路的种类。

图(二)显示了对于N3120U器件来说磁场为负的情况。

图(三)、图(四)、图(五)表示了对于磁感应强度大小的不

同区域输出电压翻转的情况。

图（六）给出了实验装置的示意图和磁铁与传感器的相

对位置图，当磁铁转动时，N3120U输出波形为一系列方

波，这时就可送计数器进行计数。

实验原理框图所示：

四、实验步骤：

1、测试传感器特性：

(1)按图(一)连接电路，输出接示波器。

(2)如图(七)所示，测试图(五)区域的器件特性。用示波器观察N3120U的输出情况。将小磁铁由远及近移向N3120U，当输出电压发生跳变时，记录小磁体靠近霍耳探头的一端(现在是N极）与霍耳探头N3120U的距离，然后由此点由近及远移动小磁铁，观察N3120U 的输出，当示波器上输出电压出现反向跳变时，再记录小磁体与N3120U的距离。

磁铁由远到近磁铁由近到远

跳变点与N3120U距离 8mm 11mm

注：反复操作，测量结果与表中相差无几，由于不便于测量，难以得到精确值，故不必进行多次记录。

（3）用小磁体的 S极指向N3120U，重复 (2)的步骤，测试图(三)所示的器件特性。

实验中，将S极指向N3120U，重复（2）中步骤，发现无论S极如何靠近和远离

N3120U，示波器显示电压并不会发生跳变。说明该霍尔元件是一个单向开关型霍尔传感器，只对N极敏感。

（4）将磁体的 N极对准N3120U，如图(六)转动小磁体，观察示波器上的输出电压，测试如图（四）所示的特性。当连续转变小磁体时，输出电压将连续发生跳变，记录下 4次输出电压发生跳变时每次小磁体的转变角度。

跳变次数 1 2 3 4

旋转角度 16° 300° 35° 305°

以N极指向N3120U为起始0°，沿顺时针方向旋转为正方向，重新整理上述表格如下：

跳变次数 1 2 3 4

相对角度 16° -14° 16° -14°

由于霍耳探头N3120U具有图（五）所示特性，当N极靠近和远离探头时，示波器波形产生跳变，由表2中数据可以看出，跳变发生点约发生在N极偏离起始点15°左右，所以当电机高速旋转时，在示波器上将出现一定占空比切频率一定的方波，于是我们便可以利用霍尔元件对电机进行转速测量。

2、用霍耳器件测量转速：

（1）按图一连接电路, 并将N3120U的输出连接到频率计数器的数字信号输入端。（2）将连接小磁体的小电机通电，使之带动小磁体旋转，将这一装置如图(六)靠近

N3120U，计录频率计数器显示测出的旋转频率。

按图一连接好电路后，将N3120U的输出接示波器，并给小电机通以5V直流电压，示波器显示输出如下图所示：

示波器显示旋转频率为36.6HZ，即通以5V直流电时，小电机转速为36.6R/S。

实验五光控测速

一、实验目的

测量光电转换器件的特性。

掌握NE555时基电路和NE5532双低噪声运算放大器的应用。

利用光电转换器件进行自动测量。

二、实验设备

晶体管直流稳压电源、万用表、示波器、频率计数器。

三、实验原理

利用某些材料的光电和电光效应可以做成光电转换器件，半导体发光管和光电二极管就是利用半导体材料的电光效应制成的，发光管输出的光强正比于它的正向工作电流，而光电二极管产生的光生电流（即二极管反向电流）正比于接收光强度。图(一)是测量半导体发光管L1的光发射与光电二极管P1接收特性的原理电路。

光电发射—接收测试工作原理

如下：当调整RA电位器时，三极

管N1工作电流Ic发生变化，Ic通

过发光管L1使之发光，发光功率

P是Ic的函数表示为 P=Kg*Ic，Ic

可以由R4上电压求得。Kg是电光

发射系数。L1发的光，可以通过

光电接收管P1检测；根据光电检

测原理，P1的电流正比于接收光

功率。当光照P1时产生光电流Ip，此电流在R5上产生电压；通过测R5上的电压测量所接收的光功率。接收光功率与光电流Ip的关系为：Ip=Kp*P，Kp是光电转换系数。注意：发光管是正向接入电路，接收管是反向接入电路。

光电转换器件的一种应用就是测量旋转飞轮的转

速。当将旋转的飞轮置于电光发射和光电接收测量装

置中间时，利用飞轮旋转时不断挡住红外线，从而使

红外接收管形成一系列脉冲（图一所示），根据飞轮

旋转一次的挡光次数，将脉冲进行分频，将分频后的

脉冲送至频率计数器，显示出脉冲的频率数，即是测

出飞轮的转速。

本实验是利用光电发射/接收系统传输不同频率

的电脉冲，图(二)是发射电路的原理图，它是由 NE555同R、R1、R2、C1、C2一起构成多谐振荡器。

NE555产生的方波经过 N1(3DG12)管的推动，使L1 (2DU)发光管发射红外线，发射出来的是脉冲式的红外光。调整R电位器可改变脉冲的频率。

图(三)是接收电路和放大电路的原理图，P1 (2DU) 管为红外接收管，它能接收发自L1（2DU）发射的脉冲式红外光。接收电路在没有接收到红外光时，电流较小，N2工作在截止区，在接收到光信号时，P1产生反向电流，使R5电压升高，N2工作在放大区到饱和

区，R5支路的电流、电压参数的变化，形成一系列脉冲方波，经NE5532的两级放大再送到频率计数器，即可读出脉冲方波频率。

四、实验步骤：

１、光电发射－接收管特性的测试：

(１) 按图(一)插接电路，这时Ａ点电位通过分压在此为０到+5V间连续变化。通过调节此电压，使V3点电位发生变化，使得L1发射管发光强度发生变化，也使P1接收管的支路电流发生变化。这可以通过观测R5电阻上的压降即VR点的电位显示出来。

(２) 调节A点电压使L1不发光，用万用表测此时VR上的电位。逐步增大A点电位，当使L1发光时，测量V3、VR的电位。

(３) 逐步增大A点电位，测量几组相应的V3、VR上的电位。

２、光控测速

(1) 图(二)插接电路，确认电路连接正确，接通电源。用示波器测量NE555的 3脚波形及方波频率，多谐振荡器工作正常，再测N1管的集电极 C脚波形，将信号输出作为频率计数器的信号输入，记录测得的频率。

(2) 图(二)电路振荡频率的理论值可由下面公式求出：f ＝1/0.7(R1+R+2R2)C2 ＝

求出此值,并比较和实际测得的频率是否相符。

(3) 按图(三)连接电路，确认电路连接正确，接通电源；用示波器监测接收端三极管N2输出，即NE5532的 3脚输入波形，经两级放大即 5脚和 7脚的波形、频率，将NE5532的7脚信号输出作为频率计数器的信号输入，记录测得的频率并与发射端记录进行比较。五、实验数据报告：

由表中数据可以看出，当调节电位器使得VA点的电压由小到大变化时，V3点的电压不断减小，VR点电压逐渐增大，输出电压Vout不断减小。当VA<0.268V时，二极管L1不发光Vout输出接近电源电压。

2、光控测速频率计显示频率：F＝303Hz

连接图二所示电路，用示波器测量NE555的 3脚波形如下图：

得输出频率为303Hz，由电压表测得接入NE555的电位器R电阻为33K，带入f ＝

1/0.7(R1+R+2R2)C2 求得频率理论值为295.8HZ，与测量值相近。

3、试分析影响接收端灵敏度的原因，并提出改进意见（画出电路图）

答：影响接收灵敏度最重要的原因是发光二极管和红外接收管的距离，试验中应尽量减小两者的距离，不能距离太远。其次可适当增大R3、R2或减少R4的电阻，提高发射极电流使得发光二极管发光更强。

4、画出发射端、接收端及两级放大的波形图。

NE5532的 3脚输入波形：