磁敏传感器综合实验仪的研制

磁敏传感器综合实验仪的研制

1磁敏传感器综合实验仪的背景人们对磁体特征的认识历史悠久。随着现代科学技术的发展，磁电子、磁敏传感器技术和磁体检测技术已成为国内外许多尖端技术研究领域最重要的前前技术，也是现代信息技术中非常重要的检测手段。它在广泛的应用领域得到了迅速发展和实现工业化的现实。目前，国内外高校物理实验和磁体检测技术的基础实验基本空白，需要补充新内容和现代科学技术发展适合新概念的基础实验。磁敏传感器综合实验仪是我校全国工科物理教学基地与传感器技术梯队为实现以上目的联合进行创新的一项成果.本实验仪结构新颖、综合性强,涉及磁敏传感器原理、信号转换与处理、传感器性能评估与测试、现代开环检测与闭环控制原理、计算机采集与处理等多交叉学科知识点,宜于学生对所学各种专业知识进行综合运用,为创新型教学奠定基础.2实验仪器设置磁敏传感器综合实验仪的外形如图1所示.整台仪器是箱式结构,机箱前面板包含了显示仪表、功能按键和调节旋钮,机箱上部空间整合了实验演示的硬件结构,包含传感器、其特性研究的机械结构和电机闭环演示实验装置,仪器机箱后面板引出电源线和RS232通信线、下载线,用于和单片机进行通讯.实验仪器按实验内容可以分为3个实验系统,即角度传感器测量系统,位移传感器测量系统,电机闭环控制以及测速传感器测试系统.3试验仪器的功能和实验内容磁敏传感器综合实验仪的基本实验功能包括2部分,如图2所示.3.1磁敏传感器的基本功能1倾斜角度传感器的使用角度检测系统由角度传感器、倾斜角传感器、分度值为1′的标定盘和前面板显示仪表组成.角度传感器安装在标定盘后侧,与标定盘同轴连接,检测标定盘内外盘的相对转角,倾斜角传感器安装在标定盘前方检测倾斜角度.角度标定盘的内盘和外盘可相对转动,相应的角度量由两盘边缘的刻度差读出,角度传感器和倾斜角传感器感知角位移,并输出电压或电流信号,可由仪器前面板的4位数字电压表和4位数字电流表读出.实验时,可以利用2种传感器共同测量,同时研究2种传感器的使用特性.2顶头与位移传感器的安装位移检测系统由磁敏位移传感器和螺旋微位移发生尺组成.位移传感器量程为cm级,螺旋位移尺的顶头与位移传感器的滑动顶头对顶共线安装,当旋动螺旋位移尺的旋头,其尺头顶着传感器的滑动杆共同滑动,带动位移传感器的磁铁发生直线位移,磁敏元件感受磁场变化输出电压信号.传感器输入位移由螺旋千分尺刻度读出,精度为0.01mm,传感器输出的信号由前面板的4位数字电压表读出.3电机转速测量测速传感器包含齿轮测速传感器、高精度磁敏编码器、测速发电机,它们通过与电机连接的齿轮和联轴器等结构可以同时测量电机的转速;电机转速可通过调节电机工作电压实现转速调节,磁敏编码器和齿轮测速传感器输出信号为与转速成正比的方波信号,该信号可以通过外接示波器或智能转速表获得;测速发电机电压由前面板3位数字电压表显示.3种测速方式同时工作形成对比.3.2识别电机闭环控制电机闭环控制系统分为硬件和软件2部分,硬件由直流无刷电机、磁敏编码器、齿轮测速传感器、霍尔电流传感器、测速发电机、齿轮和皮带传动部分、功能键盘、液晶显示、单片机开发系统组成.软件采用PID控制.电机闭环控制系统可实现电机速度闭环控制、位置闭环控制、功率闭环控制3种基本的形式,原理如图3所示.1速度闭环控制在功能键盘上选择速度闭环控制,给定电机预定转速,电机转速由选定的测速传感器检测,单片机采集速度信号,比较实测转速与预定转速的差异,发出控制信号调整电机工作电压,使转速达到预设值,从而实现电机速度闭环控制.系统的实际转速及控制提示由前面板的液晶显示,电机工作电压由前面板的指针电压表显示,测速发电机输出电压由3位数字电压表给出.本仪器在速度闭环控制部分的最大特点就是它综合了3种速度闭环控制,根据所选用传感器的不同,分为由测速发电机输出作为反馈的模拟速度闭环控制,齿轮测速传感器和高精度磁敏编码器给出的数字信号反馈实现闭环控制,可以对比模拟控制与数字控制的差异.2定位控制装置在功能选择键上可选择位置闭环控制,设定控制位置,高精度编码器作为检测仪表进行速度反馈,单片机采集后转化为位置数,并对位置控制,演示现象可由皮带传动装置演示.3磁敏传感器选型指标电流传感器采用霍尔开环和闭环电流检测原理,采集电机工作电流,并输出电压信号.电机工作时,单片机采集电流传感器输出信号,结合速度控制,从而检验负载不同对电机运行状态的的闭环控制效果.本实验选用磁敏传感器型号与主要技术指标见表1.4仪器实现的研究内容4.1磁敏位移传感器测量实验1)有关磁敏传感器敏感元件的物理机制与特性研究在我们开发的“磁敏感元件与磁场特性研究实验”中可以充分开展研究,或通过讲义将磁电子转换原理与系列磁敏传感器原理讲述清楚.2)本实验通过角度刻度盘与支架可以实现无触点磁敏角度传感器、磁敏倾斜角传感器0°～360°范围内任意角度的测量.通过更换不同传感器的备品类型,配合面板仪表的组合显示,可以测量不同输出量程、不同输出形式(电压、电流、PWM脉宽调制、RS232、RS485、单片机等)传感器的信号检出,对传感器品质(线性度、分辨率、重复性、复位精度、综合精度、数据处理等)进行评估与研究.3)本实验通过千分尺测微系统对磁敏微位移传感器的输入、输出特性与输出形式进行测量与研究.通过测试可以得到位移传感器的输入、输出特性,分析其误差、测量精度、线性度等参数.在了解磁敏位移传感器的基础上,可以进一步讨论传感器性能的好坏、影响其特性的因素、提高其特性的方法等.4)实验通过与电机联接的齿轮可以对磁电感应、磁敏电阻、霍尔器件等不同原理的磁敏齿轮测速传感器的检测特性进行测试研究,还可以不断引进其他原理测速传感器进行特性对比.5)通过与电机联接的磁编码器可以进一步对工业与自动化常用数字控制编码器进行特性研究,掌握先进的磁编码器原理和使用技术.4.2电机控制的原理电动机是工业技术领域主要动力源,实现对电机的准确测控意义重大.本实验借助于磁敏传感器的概念尝试了揭示电机控制的基本方式、原理与相互关系.1转速测量实验研究通过与电机联接的测速发电机进行模拟转速测量,对比齿轮测速与磁编码器数字量转速测量,以及不同的数字量测量方法对控制精度的影响进行测试研究.2实验系统设计闭环控制是高精度自动控制的核心所在,是自动控制的基础.闭环控制主要有3种形式:速度闭环、位置闭环、功率闭环.本实验可同时对3种闭环控制进行演示和研究.学生可以在这个实验中比较3种工业常用闭环控制的效果,总结3种控制的特点,从而不仅了解学习3种测速原理,形成闭环控制的硬件构成和软件构成,还可以亲自设计程序,改变参量,组成小组讨论,自行研究优化系统,提高控制精度的方案,进行实验,这个实验系统是完全开放的,可设计可研究.a.速度闭环控制演示研究实验.本仪器通过单片机结合电机控制理论,分别对测速发电机模拟量、齿轮转速传感器及磁编码器数字量编程实现闭环控制,仪器可以明显观察到控制稳定性的变化和对比.b.位置闭环控制演示研究实验.本仪器通过设计同步带轮模拟位置控制,利用磁编码器双路90°相位差数字信号进行计长与定位控制.c.功率闭环控制演示研究实验.电动机带负载运动过程中,实现稳速转动必需对电机驱动功率进行补偿.本实验配置自主开发的电流传感器,利用电机控制理论,通过单片机编程实现恒功率控制.5促进实验教育模式的转变1研究问题的制订由于本系列实验可探求的实验内容非常多,完全可以摆脱照着讲义按部就班的教学模式,充分启发同学想象空间,在充分预习和指导教师辅导的基础上,拟订感兴趣的研究实验方案,各自得到不同的实验结果.2磁电子技术的研究内容本实验为系列实验,涵盖传统霍尔效应实验,包括系列敏感元件性能测试、传感器特性研究、自动控制技术研究,内容可深可浅,可以根据不同专业选取不同内容开设实验.特别适用于物理、信息自动化、机电一体化、冶金采矿机械(资源、冶金)等专业,探求磁电子技术领域科技发展与近代技术的结合的来龙去脉,佐证或揭示科学研究的规律.3实验结果要求由于实验方案的多样性,在规定时间内可以得到许多不同的实验结果,本系列实验拟采取动手实验与教学讨论相结合,这样可以在相同的教学时间内,同学们得到尽可能多的实验结果.同时可以大大调动同学们的实验积极性,提高教学质量.4实验结果的应用研究在掌握了自动控制几个闭环控制的基础上,完全可以让同学们利用实验结果结合不同专业应用特点,开展创新型研究,拓展本实验教学成果的应用领域,也可以在新型磁敏传感器的开发、新型磁敏感元件的性能测试等方面开展创新研究.5扩充式教学模式:新教学方式在我国测定一个扩充性由于实验内容的多样性和创新研究型教学方式,实验内容也具备扩充性,在不断总结的基础上,完全可能形成教与学互动的生动局面,是一种全新教学方式改革的尝试.6实验平台建设的意义磁敏传感器教学实验仪是将当代科学研究的前沿技术向基础教学的转化,内容上综合了多种交叉学科知识拓展点,将传感器检测技术与许多自动化基础实验有机融入基础教学实验,使物理基本原理与信息检测、自动控制、机电一体化等专业自然地衔接,形成了综合性较强的