内蒙古大学传感器与检测技术课件第16章霍尔传感器的应用

1、第16章 位移测量系统的设计16.1 设计要求116.2 电路原理与设计16.3 LabVIEW显示模块设计316.4 将Multisim导入Labview42516.5 硬件验证与数据采集卡的应用16.1设计要求 用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm0.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。通过本设计，要掌握以下内容：16.1设计要求16.1设计要求

2、1）了解霍尔传感器测量位移的原理；2）掌握霍尔元件的测量电路；3）测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数 据采集卡进行采集；4）掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位 移值的显示；5）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在Lab- VIEW中编程与处理的不同。16.2电路原理与设计16.2.1 传感器模型建立 霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下： （16-1）式中: VH为霍尔电压； KH为霍尔元件灵敏度； I为控制电流； B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向运动时，在一定的测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的。所

3、以输出电压与位移也存在线性关系。16.2电路原理与设计图16-1为实际霍尔传感器测量位移的特性。图16-1 霍尔位移传感器的特性16.2电路原理与设计可见在-0.6mm0.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为：式中： VH为霍尔元件输出电压，单位为mV； X为被测位移量，单位为mm。由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围 内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。 16.2电路原理与设计在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图16-2所示，它的测量范围是-0.6mm0.6mm。V1可模拟

4、位移，压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。 （a） （b） 图16-2 霍尔传感器模型 图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极16.2电路原理与设计16.2.2 放大电路设计霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加放大电路，此处加的是差分放大电路，如图16-3所示。图16-3 测量电路16.2电路原理与设计 16.2.3 电路仿真分析1）交流分析将图16-3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电压源，设其幅值和相位分别为1V和50Hz，然后对电路进行交流分析，设开始和终止频率分别为1Hz和1MHz，输出节点选择节点12，其它设置按默认设置，仿真结果如图16-4所示，该放大电

5、路的带宽约100KHz。 16.2电路原理与设计 图16-4 交流分析结果 图12-1为 Getting Started窗口 2）傅立叶分析电路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅立叶分析，其设置如图16-5所示，频率分辨率（基本频率）项和采样停止时间项都可通过点击其后的“Estimate”按钮进行估计，输出节点仍然选择12点，分析结果如图16-6所示，由图中表格可知电路的总谐波失真（THD）较小，各次谐波的幅值也非常小。16.2电路原理与设计16.2电路原理与设计 图16-5 傅立叶分析设置 图12-2（a）框图面板及函数模板图16-6 傅立叶分析结果16.2电路原理与设计16.2电路原

6、理与设计3）直流扫描分析按图16-3所示输入端接霍尔传感器模型，对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描，分析设置如图16-7所示，扫描的范围为-0.6V到0.6V，每0.2V扫描一次，输出节点选择节点12，扫描的结果如图16-8所示，可见在-0.6mm0.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。图12-2（b）前面板及控件模板16.2电路原理与设计 图16-7 直流扫描分析设置图16-8 直流扫描分析结果 16.2电路原理与设计4）传递函数分析将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源，然后进行传递函数分析，结果如图16-9所示，放大电路的放大倍数约为-4.8倍，电路输入阻抗约为2

7、0K，输出阻抗约为0.024。图16-9传递函数分析结果16.2电路原理与设计5）参数扫描分析滑动变阻器RW1的中心抽头打在中间位置不变，对电阻R3的阻值进行参数扫描，分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。参数扫描的设置如图16-10（a）和（b）所示，要分析的输出变量设为输出节点与两输入节点之差的比值，即放大电路的放大倍数。参数扫描的分析结果如图16-11所示，由于电阻R4为51K，所以当反馈回路上总的电阻和R4的阻值不相等，即参数不对称时，放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值，还和R4有关。16.2电路原理与设计（a）分析参数设置（b）输出变量设置图16-10 参数分析设置16.

8、2电路原理与设计图16-11 参数分析结果16.2电路原理与设计6）实验数据处理电路调好后进行仿真，可得表16-1的实验结果。 表16-1 实验结果图12-4 图标编辑用MATLAB进行对表16-1的实验结果拟合后得： 16.3 LabVIEW显示模块设计16.3.1 位移测量子程序的设计 由上节式16-3可得位移表达式： 根据式16-4可建立一个子VI，具体步骤如下：从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW 8.2”， 在Getting Started窗口左边的Files控件里，选择Blank VI建立一个新程序。16.3 LabVIEW显示模块设计框图程序

9、的绘制：为了解决数据转换问题，采用上个设计采用的数据转换的第三种实现方法设计程序框图。用这种方法设计的子程序在接口电路设计时就不用考虑数据转换了。利用For Loop进行两次自动索引，使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。图中Input为时域信号采集器，它由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来，否则数据在里层For循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式16-4在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出为位移值，如

10、图16-12所示。16.3 LabVIEW显示模块设计图12-7 连接器和显示器件关联图16-12程序框图16.3 LabVIEW显示模块设计定义图标与连接器双击右上角图标编辑后如图16-13（a）所示。用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择Show Connector，此时连接窗格为默认模式，右键点选一种单输入单输出的模式，左边窗格与时域信号采集器Input相关联，右边窗格与位移显示相关联。关联后的连接器窗格见图16-13（b）。完成上述工作后，将设计好的VI保存。a） （b） 图16-13 图标与连接器16.3 LabVIEW显示模块设计 16.3.2 接口电路的设计与编译

11、关于接口的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照上一章的内容。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步：把Multisim安装目录下SamplingLabVIEW Instru-mentsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个地方。16.3 LabVIEW显示模块设计在LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的StarterInputI-nstrument .lvproj工程，如图16-14。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.vit中进行。 图16-14 StarterInputInstrument .lvproj工程图16.3 Lab

12、VIEW显示模块设计打开Starter Input Instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的Update DATA选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键点击选择Select a VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在Update DAT-A框中即可。子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连，在子VI的输出端点击右键创建位移指示表，如图16-15所示。程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图16-16所示。之后选择重命名，保存为proj4.vit。16.3

13、 LabVIEW显示模块设计图16-15 接口部分设计图16-16 前面板设计16.3 LabVIEW显示模块设计编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开 subVIs下的Starter Input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，如图16-17所示，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识，如一起设为plotterproj4。同时把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设为0，此模块不需要输出。设置完后另存为proj4_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。16.3 LabVIE

14、W显示模块设计图16-17 虚拟仪器基本信息的修改16.3 LabVIEW显示模块设计编译属性设置：打开Build Specifications，右键点击Source Distribution，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj4（.lib）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图16-18所示。属性设置完成并保存后，再在Sour-ce Distribution上点击右键，在弹出的菜单中选择Build即可。16.3 LabVIEW显示模块设计图16-18 编译属性设置16.3 LabVIEW显示模块设计编译完成后，在Input文件夹

15、下生成一个Build文件夹，打开后把里面的文件复制到National InstrumentsCircuit Design Suite 10.0下的lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块（plotterproj4），如图16-19。图16-19 Multisim下LabVIEW仪器菜单16.3 LabVIEW显示模块设计霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块，对电路调零后可得图16-20的部分结果，可见设计结果基本符合要求。（a）-0.2mm结果 （b）0.4mm结果图16-20 实验结果

16、16.4将Multisim导入Labview1在Multisim中添加LabVIEW交互接口：这些Multisim中的接口是分级模块(Hierarchical Block)和子电路(Sub-Circuit)接口(Hierarchical connector)，用来与LabVIEW仿真引擎之间进行数据收发。1）右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择Place on schematic/Hierarchical connector。如图16-21所示。放置一个接口在电路图的左上方，另一个放置在右上方。按照图16-22将电路与接口连接起来。16.4将Multisim导入Labview图 16-21 选

17、择交互接口16.4将Multisim导入Labview 图 16-22 接口电路16.4将Multisim导入Labview2）设置接口：打开View菜单下的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，设置针对LabVIEW的输入或者输出。为了将各个接口配置为输入或者输出，在模式设置中选择所需要的选项，然后可以在类型设置中将各个接口设置为电压或者电流输出/输出。最后，如果你想将放置的输入输出接口设置为不同的功能对，你可以选择Negative Connection。将IO1配置为输入，然后将IO2配置为输出。如图16-23所示为设置好的LabVIEW Co-simulat

18、ion Terminals窗口，图16-24为即将被Labview调用的Multisim design VI preview图标。16.4将Multisim导入Labview 图16-24设置好的Multisim design VI preview图16-23设置接口16.4将Multisim导入Labview2.在Labview中创建一个数字控制器：要在LabVIEW和Multisim之间传送数据，首先需要使用LabVIEW中的控制与仿真循环(Control & Simulation Loop)。1）打开Labview的程序框图（后面板），右键点击，打开函数选板，浏览到Control Des

19、ign & SimulationSimulationControl & Simulation Loop。左键点击，并将其拖放到程序框图上。如图16-25所示。16.4将Multisim导入Labview图 16-25放置控制与仿真模块16.4将Multisim导入Labview2）要修改控制仿真循环的求解算法和时间设置，双击输入节点，打开Configure Simulation Parameters窗口。输入如图16-26的参数；在这些选项中使用本文后面提供参数，可以有效地在LabVIEW的波型图表中显示数据。也可以根据自己的需求改变这些参数。图16-26 节点参数设置16.4将Multisi

20、m导入Labview3）在VI中添加仿真挂起(Halt Simulation)函数来停止控制仿真循环。右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulationUtilitiesHalt Simulation。左键点击，并将其拖放到程序框图上，然后在布尔输入上右键点击并选择CreateControl。这样就可以在VI的前面板上创建一个布尔控件来控制程序的挂起，来停止仿真VI的运行。如图16-27所示。16.4将Multisim导入Labview 图16-27添加 Halt Simulation函数16.4将Multisim导入Labview3. 放

21、置Multisim Design VIMultisim Design VI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之间通讯的。1）右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulation External Models Multisim Multisim Design，左键点击，并将其拖放到控制与仿真循环之中，注意，这个VI必须放置到控制仿真循环中。将Multisim Design VI放置到程序框图上以后，会弹出选择一个Multisim设计（Select a Multisim Design）对话框。在对话框中你可以直接输出文件的路径，或者

22、浏览到文件所在的位置来进行指定。如图16-28所示。16.4将Multisim导入Labview图16-28 放置Multisim design VI preview16.4将Multisim导入LabviewMultisim Design VI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的Multisim Design VI预览一致，具有相对应的输入与输出。如果接线端没有显示出来。左键点击下双箭头，展开接线端。2）调用Labview子VI：在Labview的程序框图中，打开函数选板，选择前面设计好的子VI，放在控件与仿真循环中。如图16-29所示。16.4将Multisim导入Labv

23、iew 图16-29 调用子VI16.4将Multisim导入Labview3）分别为Multisim Design VI和Labview子VI创建输入和显示控件。右键点击输入接线端，然后选择Create Control来完成创建命令。如图16-30所示。图16-30 创建输入及显示控件16.4将Multisim导入Labview4）连接Multisim Design VI和Labview子VI：这里涉及到数据匹配问题，打开Labview的即时帮助，可以看到Labview子VI的输入端需要接入的数据类型。如图16-31所示。图16-31 即时帮助16.4将Multisim导入Labview由即

24、时帮助我们知道，Labview子VI需要接入的数据类型是数组和波形的叠加，但是Multisim Design VI的输出是一个双精度的实数，所以这里需要创建一个一维数组和波形。右击程序框图，打开函数选板，Programming Array Build Array（编程 数组创建数组）,如图16-32所示。然后点击左键并将其拖放到程序框图中，将鼠标指针放到Build Array函数下面中间位置，会变成大小调整指针，然后左键点击，拖动函数，将Build Array函数调整会两个输入端口。将Multisim Design VI的位移（输入端）连接到数组上面的输入端口，电压（输出端）连接到数组下面的端

25、口。这样就可以创建一个两个元素的一位数组。如图16-33所示。16.4将Multisim导入Labview 图16-32 创建数组16.4将Multisim导入Labview图16-33 连接接口组成一维数组16.4将Multisim导入Labview现在需要创建一个仿真时间波形来达到数据类型的匹配。打开程序框图，单击鼠标右键，选择Control Design & Simulation Simulation Graph Utilities Simulation Time Waveform，VI会自动地放置一个波型图表（Waveform），如图16-34.但是我们这里不需要这个图表（Wavefo

26、rm），所以要将它删除。然后将Simulation Time Waveform的输出端与子Labview的VI连接。如图16-35所示。图 16-34 Simulation Time Waveform 图标16.4将Multisim导入Labview图 16-35 设计完成的控件与仿真循环16.4将Multisim导入Labview5）整理前面板：打开前面板窗口，前面板的控件如图16-36所示。这里我们选择一个垂直的填充滑竿代替。并设置他的标尺范围为-0.60.6.如图16-37所示。图16-36 前面板图图16-37 整理好的前面板图16.4将Multisim导入Labview6）开始仿真：

27、单击仿真开始按钮开始仿真。仿真结果如图16-39所示.由结果可知设计基本符合要求。(a)测量位移为-0.2mm （b）测量位移为0.4mm图16-39 仿真结果图16.5 硬件验证与数据采集卡的应用16.5.1 硬件连接 霍尔位移传感器的安装如图16-40所示。电路调理部分和上面Multisim仿真的电路相同。16-40霍尔传感器安装示意图16.5 硬件验证与数据采集卡的应用开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，再调节控制电流使霍尔调理电路输出为零。连接电路输出到数据采集卡NI PCI6014，由于输入信号为接地信号，且输入干扰少，所以采用非参考单端方式在通道0进行信号采集，示意图如图1

28、6-41所示，其中V1正极就是霍尔位移测量电路的输出电压，和数据采集卡的通道0相连；负极为地信号，和数据采集卡的AISENSE端相连。16-41 接地信号的连接16.5 硬件验证与数据采集卡的应用 16.5.2 软件设计 1）数据采集卡的配置连接好数据采集卡，并安装硬件驱动程序。打开资源管理程序Measurement&Automation Explorer如图16-42所示，本机系统Devices and Interfaces子树下可以看到数据采集卡PCI 6014已经安装好，且知PCI6014只限于传统NI-DAQ系统的数据采集。 16.5 硬件验证与数据采集卡的应用图16-42 Measu

29、rement&Automation Explorer界面16.5 硬件验证与数据采集卡的应用使用前需要对数据采集卡的属性进行设置，同时测试用到的输入输出通道是否正常工作。在PCI6014上点击右键选Properties可对设备进行设置，如图16-43所示。在这个对话框中可对硬件作如下设置：图16-43 设备属性对话框16.5 硬件验证与数据采集卡的应用System：包括设备的编号和Windows给卡分配的系统资源，在这个标签下单击Test Resources按钮，弹出一个对话框，说明资源已通过测试; AI：包括设备默认的采样范围和信号的连接方式（本设计选择非参考单端方式）; AO：显示系统默认

30、的模拟输出极性Bipolar，双极性表示模拟输出既包含正值也包含负值; Accessory：数据采集卡的附件（I/O接线板），选CB-68LP; OPC和Remote Access在本设计中没有用到。 16.5 硬件验证与数据采集卡的应用点击System下的Test Panel选项可对设备进行详细测试，开始测试前按参考单端方式将CB-68LP接线端子的68针与22针、67针与55针分别连接起来，这样使数据采集卡的模拟输出0通道为模拟输入0通道提供信号。模拟输出测试如图16-44所示，测试输出0通道，可选择输出直流电压或正弦波，并可调节幅度。选模拟输入标签可进行模拟输入测试，如图16-45所示，

31、产生的正弦波是由模拟输出通道0提供的。16.5 硬件验证与数据采集卡的应用图16-44 传统DAQ模拟输出测试面板图16-45传统DAQ模拟输入测试面板16.5 硬件验证与数据采集卡的应用回到模拟输入页下，还可选择输出直流电压，拖动幅值滑块选择一个电压值，点击Update Channel按钮，再回到模拟输入测试，观察直流电压输入情况。但测试结束后需要回到模拟输出测试面板把电压值拖回0，然后点击Update Channel，否则输出电压值会一直保持到关机。16.5 硬件验证与数据采集卡的应用对设备测试后，需要建立一个虚拟通道meter，建立虚拟通道的优点是通道的参数在通道建立时已配置好，而不用在

32、程序中设置。在图16-23本机系统Data Neighborhood子树下右键点击Traditional NI-DAQ Virtual Channels选择新建一个输入通道，命名为meter。通道设置中信号的连接方式选择非参考单端方式，其它选默认设置即可。虚拟通道建立后在编程中可被选择，在图16-29有“测量通道”选项，在下拉菜单中选择meter通道，则程序的输入信号来自meter虚拟通道。16.5 硬件验证与数据采集卡的应用2）虚拟仪器程序设计从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW 8.2”， 在Getting Started窗口左边的Files控件里，选择Blank VI建立一个新程序。根据设计目的来设计程序，得到图16-46的程序流程图。开始电压信号单通道单点采集平滑数据求位移值计数？等待保存实验数据全部测量完毕？读取实验数据显示实验结果结束NYNY图