金属探伤仪传感器作业

第一篇：金属探伤仪传感器作业

金属探伤传感器的应用仪器

摘要：利用探伤器检验金属制件内部缺陷（如隐蔽的裂纹、砂眼、杂质等）的一种方法。通过一定装置，通过电磁感原理，利用磁性、X射线、伽玛射线、超声波等检查和探测金属材料内部的缺陷。关键词：电磁感原理、内部缺陷、高频振荡器、震荡检测器、三极管、变压器、反馈系统、金属探测器、自动剔除装置、金属检测仪。正文：金属检测仪应用电磁感原理来探测金属。金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。金属探测器还可以作为开展青少年国防教育和科普活动的用具，当然也不失为是一种有趣的娱乐玩具。

工作原理：高频振荡器：由三极管VT1和高频变压器T1等组成，是一种变压器反馈型LC振荡器。T1的初级线圈L1和电容器C1组成LC并联振荡回路，其振荡频率约200kHz，由L1的电感量和C1的电容量决定。T1的次级线圈L2作为振荡器的反馈线圈，其“C”端接振荡管VT1的基极，“D”端接VD2。由于VD2处于正向导通状态，对高频信号来说，“D”端可视为接地。在高频变压器T1中，如果“A”和“D”端分别为初、次级线圈绕线方向的首端，则从“C”端输入到振荡管VT1基极的反馈信号，能够使电路形成正反馈而产生自激高频振荡。振荡器反馈电压的大小与线圈L1、L2的匝数比有关，匝数比过小，由于反馈太弱，不容易起振，过大引起振荡波形失真，还会使金属探测器灵敏度大为降低。振荡管VT1的偏置电路由R2和二极管VD2组成，R2为VD2的限流电阻。由于二极管正向阈值电压恒定（约0.7V），通过次级线圈L2加到VT1的基极，以得到稳定的偏置电压。显然，这种稳压式的偏置电路能够大大增强VT1高频振荡器的稳定性。为了进一步提高金属探测器的可靠性和灵敏度，高频振荡器通过稳压电路供

电，其电路由稳压二极管VD1、限流电阻器R6和去耦电容器C5组成。振荡管VT1发射极与地之间接有两个串联的电位器，具有发射极电流负反馈作用，其电阻值越大，负反馈作用越强，VT1的放大能力也就越低，甚至于使电路停振。RP1为振荡器增益的粗调电位器，RP2为细调电位器。高频振荡器探测金属的原理 调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应现像，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。

振荡检测器：振荡检测器由三极管开关电路和滤波电路组成。开关电路由三极管VT2、二极管VD2等组成，滤波电路由滤波电阻器R3，滤波电容器C2、C3和C4组成。在开关电路中，VT2的基极与次级线圈L2的“C”端相连，当高频振荡器工作时，经高频变压器T1耦合过来的振荡信号，正半周使VT2导通，VT2集电极输出负脉冲信号，经过π型RC滤波器，在负载电阻器R4上输出低电平信号。

过程：当高频振荡器停振荡时，“C”端无振荡信号，又由于二极管VD2接在VT2发射极与地之间，VT2基极被反向偏置，VT2处于可靠的截止状态，VT2集电极为高电平，经过滤波器，在R4上得到高电平信号。由此可见，当高频振荡器正常工作时，在R4上得到低电平信号，停振时，为高电平，由此完成了对振荡器工作状态的检测。音频振荡器 音频振荡器采用互补型多谐振荡器，由三极管VT3、VT4，电阻器R5、R7、R8和电容器C6组成。互补型多谐振荡器采用两只不同类型的三极管，其中VT3为NPN型三极管，VT4为PNP型三极管，连接成互补的、能够强化正反馈的电路。在电路工作时，它们能够交

替地进入导通和截止状态，产生音频振荡。R7既是VT3负载电阻器，又是VT3导通时VT4基极限流电阻器。R8是VT4集电极负载电阻器，振荡脉冲信号由VT4集电极输出。R5和C6等是反馈电阻器和电容器，其数值大小影响振荡频率的高低。互补型多谐振荡器的工作原理 接通电源时，由于VT3基极接有偏置电阻器R1、R3而被正向偏置，假设VT3集电极电流处于上升阶段，VT4基极电流随之上升，导致VT4集电极电流剧增，VT4集电极电位随之迅速升高，由VT4输出的电流通过与之相连的R5向C6充电，流经VT3的基极入地，又导致VT3基极电流进一步升高。

如此反复循环，强烈的正反馈使得VT3、VT4迅速进入饱和导通状态，VT4集电极处于高电平，使多谐振荡器进入第一个暂稳态过程。随着电源通过饱和导通的VT4经R5向C6充电，当VT3基极电流下降到一定程度时，VT3退出饱和导通状态，集电极电流开始减小，导致VT4集电极电流减小，VT4集电极电位下降，这一过程又进一步加剧了向C6充电电流迅速减小，VT3基极电位急剧降低而使VT3截止，VT4集电极迅速跌至低电平，多谐振荡器翻转到第二个暂稳态。多谐振荡器刚进入第二暂稳态时，先前向C6充电的结果，其电容器右端为正，左端为负，现在C6右端对地为低电平，由于电容器C6两端电压不能跃变，故VT3基极被C6左端负电位强烈反向偏置，使两只三极管在较长时间继续保持截止状态。在C6放电时，电流从电容器右端流出，主要流经R5、（R8）、R9、VT5发射结入地，又经过电源、R6、R1、R3流回电容器C6左端。直到C6放电结束，电源继续通过上述回路开始对

C6反向充电，C6左端为正。当C6两端的电位上升至0.7V，VT3开始进入导通状态，经过强烈正反馈，迅速进入饱和导通状态，使电路再次发生翻转，重复先前的暂稳态过程，如此周而复始，电路产生自激多谐振荡。从电路工作过程可以看出，向C6充电时，充电电阻器R5电阻值较小，因此充电过程较快，电路处在饱和导通状态时间很短；而在C6放电时，需要流经许多有关电阻器，放电电阻器总的数值较大，因而放电过程较慢，也就是说电路处于截止时间较长。因此，从VT4集电极输出波形占空比很大，正脉冲信号的脉宽很窄，其振荡频率约330Hz。功率放大器 功率放大器由三极管VT5、扬声器BL等组成。从多谐振荡器输出的正脉冲音频信号经限流电阻器R9输入到VT5的基极，使其导通，在BL产生瞬时较强的电流，驱动扬声器发声。由于VT5处于开关工作状态，而导通时间又非常短，因此功率放大器非常省电，可以利用9V积层电池供电。

调试与使作方法：金属探测器电路除了灵敏度调节电位器外，没有调整部分，只要焊接无误，电路就能正常工作。整机在静态，也就是扬声器不发声时，总电流约为10mA，探测到金属扬声器发出声音时，整机电流上升到20mA。一个新的积层电池可以工作20～30小时。新焊接的金属探测器如果不能正常工作，首先要检查电路板上各元器件、接线焊接是否有误，再测量电池电压及供电回路是否正常，稳压二极管VD1稳定电压5.5～6.5V之间，VD2极性不要焊反。探测碟内振荡线圈初次级及首尾端不要焊错。金属探测器使用前，需要调整探测杆的长度，只要将黑胶通旋松，推拉胶通套管至适宜的长度，再旋

转胶内通管，使电缆线绕紧，并使手柄尖端朝上，最后将黑胶通旋紧，锁住胶通套管。这样，手握探测器手柄时，大拇指正好紧挨灵敏度调节电位器。调整金属探测器灵敏度时，探测碟（振荡线圈）要远离金属，包括带铝箔的纸张，然后旋转灵敏度细调电位器旋钮（FINE TUNING）打开电源开关，并旋转到一半的位置，再调节粗调电位器旋钮（TUNING），使扬声器音频叫声停止，最后再微调细调电位器，使扬声器叫声刚好停止，这时金属探测器的灵敏度最高。用金属探测器探测金属时，只要探测碟靠近任何金属，扬声器便会发出声音，远离到一定位置叫声自动停止。本金属探测器有较高的灵敏度，用它探测大块金属时，探测碟距金属物体20cm扬声器就会发出声音，小到曲别针，甚至一枚大头针都能检测到，只是探测碟线圈必须紧靠细小金属物体。由于金属探测器利用振荡线圈的电磁感应来探测金属物体，可以透过非金属物体，比如纸张、木材、塑料、砖石、土壤、甚至水层，探测到被遮盖的的金属物体，因此具有实用性，比如在装修房屋时，用它探测到墙内的电线或钢筋，以免造成施工危险和安全隐患；又如安检用的金属探测器就是根据这个原理制成的

所有金属包括铁和非铁都有很高的探测灵敏度。铁磁类金属进入探测区域将影响探测区域的磁力线分布，进而影响了固定范围的磁通。非铁磁类金属进入探测区域将产生涡流效应，也会使探测区域的磁场分布发生变化

金属检测仪组成：金属检测器与自动剔除装置，其中检测器为核心部分。检测器内部分布着三组线圈，即中央发射线圈和两个对等的

接收线圈，通过中间的发射线圈所连接的振荡器来产生高频可变磁场，空闲状态时两侧接收线圈的感应电压在磁场未受干扰前相互抵消而达到平衡状态。一旦金属杂质进入磁场区域，磁场受到干扰，这种平衡就被打破，两个接收线圈的感应电压就无法抵消，未被抵消的感应电压经由控制系统放大处理，并产生报警信号（检测到金属杂质）。系统可以利用该报警信号驱动自动剔除装置等，从而把金属杂质排除生产线以外。

金属检测仪特性和概念：

金属检测仪的精确性和可靠性取决于电磁发射器频率的稳定性，一般使用从80 to 800 kHz的工作频率。工作频率越低，对铁的检测性能越好；工作频率越高，对高碳钢的检测性能越好。检测器的灵敏度随着检测范围的增大而降低，感应信号大小取决于金属粒子尺寸和导电性能。

由于电流的脉动和电流滤波的原因，金属检测仪对检测物品的输送速度有一定的限制。如果输送速度超过合理范围，检测器的灵敏度就会下降。

为了确保灵敏度不下降，必须选择合适的金属检测仪以适应相应的被检测产品。一般来说，检测范围尽可能控制在最小值，对于高频感应性好的产品，检测器通道大小应匹配于产品尺寸。检测灵敏度的调整要参考检测线圈的中心来确定，中心位置的感应最低。产品的检测值会随生产条件的变化而变化，比如温度、产品尺寸、湿度等的变化，可通过控制功能作调整补偿

球状物有重复性，最小的表面积，对金属检测仪而言也最难检测。因此，球状物可作为检测灵敏度的参考样本。对于非球状的金属，检测灵敏度很大程度上取决于金属的位置，不同的位置有不同的横断面积，检测效果也就不同。比如，纵向通过时，铁比较灵敏；而高碳钢和非铁就不太灵敏。横向通过时，铁不太灵敏，高碳钢和非铁则比较灵敏。

在食品工业中，系统通常使用较高的工作频率。对于如奶酪食品，由于其内在的高频感应性能好，会成比例地增加高频信号的响应。潮湿的脂肪或盐份物质，例如面包类、奶酪、香肠等的导电性能与金属相同，在这种情况下，为了防止系统给出错误信号，必须调整补偿信号，降低感应灵敏度。金属检测仪用途：

主要用于探测小食品、化工产品、服装、制鞋,海洋水产、渔业、干鲜水产、面食、冷冻食品、干鲜蔬果、糖 茶、药品等行业检测原料或产品中夹杂或漏落的铁、铅等各种金属杂质。等。金属检测仪的分类

1.功能来划分：1）全金属检测仪：可以检测到铁、不锈钢、铜、铝等所有金属。检测精度和灵敏度都比较高，稳定可靠。2）铁金属检测仪：只能检测到铁质金属，俗称检针机。检测精度和灵敏度较低，容易干扰。3）铝箔金属检测仪：也仅能检测到铁质金属，但是检测带铝箔包装的产品时，其检测精度和灵敏度仍然较高。

2.按用途来划分：手持金属检测仪、地下金属检测仪、输送式金属检测仪、下落式金属检测仪、管道式金属检测仪、真空输送式金属检测仪、压力输送式金属检测仪、平板式金属检测仪。常见金属检测仪介绍： 落体式金属检测仪

落体式金属检测仪一般都带有自动剔除装置，所以习惯称呼落体式金属检测仪，或者金属检测仪。

金属检测仪对产品的包装要求是不能含有金属、但是考虑到密封性、避光性等较高的要求，必须采用金属复合膜进行包装。金属复合膜其本身就是金属，所以用通道式金属检测仪的话，检测灵敏度就会有大的偏差，甚至无法检测。鉴于上述原因，可以选择在包装前进行检测。落体式金属检测仪就是针对上述情况而被开发出来的，主要用于如药片、胶囊及颗粒状（塑料粒子等）、粉末状物品的检测。当这些物品下落通过落体式金属检测仪时，一旦检测到金属杂质，系统即刻启动分离机构排除可疑物品。具有安装简单、灵敏度高、维修方便，效率高、稳定可靠等特点。平板式金属检测仪：

通常用于检测厚度比较薄，但是宽度和长度比较大的产品，比如纺织布、挤出的片材。其首要目的是保护下游设备，比如切割刀具、压延系统等；同时，提高产品品质。

金属检测仪和分离器通常不受安装方向的影响，可以水平、垂直和斜置安装，几乎可以安装到生产过程的任何一个位置。

参考文献：华中科技大学文献、豆丁网

班级： 姓名： 学号：

测控08—4班

晋亚超 310804040410

第二篇：传感器作业

浅谈创新型人才的体会

摘要: 建设创新型国家，人才是关键因素。创新型人才的成长是一个综合培养的过程，教育是这个过程的源头和关键环节

关键字: 创新 人才教育思维

创新型人才指富于开拓性，具有创造能力，能开创新局面，对社会发展做出创造性贡献的人才。通常表现出灵活、开放、好奇的个性，具有精力充沛、坚持不懈、注意力集中、想像力丰富以及富于冒险精神等特征。

作为新时代的创新型人才还必须具备一定的条件：一是有可贵的创新品质

当前，我国正处于发展的重要战略机遇期，大力培育创新型人才，为建设创新型国家、国家创新体系和全面建设小康社会，提供坚强的人才保证和智力保障，显得尤为迫切和重要。从一定意义上说，创新型人才正以前所未有的时代需求承载着推进国家自主创新，在激烈的国际竞争中占据主动，实现中华民族伟大复兴的历史使命。二是有坚韧的创新意志

创新是一个探索未知领域和对已知领域进行破旧立新的过程，充满各种阻力和风险，可能遇到重重的困难、挫折甚至失败。人类科学技术发展到今天，要获得每一点进步相当困难。因此，创新型人才每前进一步都是需要非凡的胆识和坚忍不拔的毅力，为了既定的目标必须始终不懈地进行奋斗，锲而不舍，遭到阻挠和诽谤不气馁，遇到挫折和挫败不退却，牺牲个人利益也在所不惜，不达目的誓不罢休，不

自暴自弃，不轻言放弃。

三是有敏锐的创新观察

历史上的科学发现和技术突破，无一不是创新的结果。从这个意义上讲，创新就是发现，而且是突破，要实现突破，就要求创新型人才必须具有敏锐的观察能力、深刻的洞察能力、见微知著的直觉能力和一触即发的灵感和顿悟，不断地将观察到的事物与已掌握的知识联系起来，发现事物之间的必然联系，及时地发现别人没有发现的东西。创新型人才的观察力同时还应当是准确的，能够入木三分，发现事物的真谛，具有善于在于常中求不寻常的创新观察能力。

四是有超前的创新思维

创新思维是创新的基本前提，创新型人才具备思维方式的前瞻性、独创性、灵活性等良好思维品质，才能保证在对事物进行分析、综合和判断时做到独辟蹊径。

五是有丰富的创新知识

创新是对已有知识的发展，在人类知识越来越丰富和深奥的今天，要求创新型人才的知识结构既有广度，又有深度。因此，创新型人才须具有广博而精深的文化内涵，既要有深厚而扎实的基础知识，了解相邻学科及必要的横向学科知识，又要精通自己专业并能掌握所从事学科专业的最新科学成就和发展趋势，这是从事创新研究的必要条件。只有通过知识的不断积累才能用更为宽广的眼界进行创新实践。创新型人才拥有的信息量越大，文化素养越高，思路便越开阔。同时，完备的知识结构使他们具有料学综合化、一体化意识，有助于

增强综合思维能力和创新能力。

六是有科学的创新实践

创新的过程是遵循科学，依据事物的客观规律进行探索的过程，任何一种创新都不能有半点马虎和空想，因此，创新型人才必须具有严谨而求实的工作作风，严格遵循事物的客观规律，从实际出发，以科学的态度进行创新实践。

学习了传感器与技术大家应该都知道什么是创新型人才了，但是如何才能成为创新型人才呢？

成为创新型人才的前提就是更新教育观念：

教育观念的更新对于培养创新型人才有一下几个方面的影响：

第一，教育的目标。传统教育目标是为社会培养合格人才，现在我们谈教育目标主要是促进人的全面发展。前者是以社会为本，后者是以学生个体为本。我们现在要做的就是积极推动学生的自主发展，使其成为积极适应社会的人才。

第二，教育的使命。传统的教育使命是教授前人的知识，现代教育的使命是使人获得持续发展能力。教育不再是简单知识的传递，而是使当代学生获得发展的能力。

第三，教育的特征。传统的学校教育是建立在工业经济基础上的，是按工业经济的要求来培养学生。现代教育则反映的是知识经济对人的需求，教育方式、教育过程强调个体化、个性化。

第四，教育的组织形式。传统的组织形式是以学科、课堂为基础

体系，现代教育强调建立以问题为中心的跨学科结构。现代教育应该突出问题取向的方式，让学生提高面对现代问题的解决能力。

第五，教育思想。传统教育讲人人有受教育的权利，现代教育更加强调机会平等、过程平等，是尊重个人发展性的教育。

第六，教育过程。传统教育过程是传授和读书，现代教育强调实践性的过程和创新。教育的根本结果就是要使人获得广泛的生活经验、完整的生活概念。

以上六条是现代教育的核心理念，如果我们能够把上述思想渗透到创新教育实践中，创新型人才培养必将取得很好的效果。成为创新型人才的核心是自我发展能力

２１世纪最伟大成就，不只是在征服自然和物质生产方面的科学发展，而应是在终身教育理念指导下，人的潜能的开发，人的自我发展。学习型社会要求，我们的教育不仅要给学生第一次专业技能和职业能力，更重要的是为学生奠定终身教育、自我发展的牢固基础，后一种功能在当代社会显得愈来愈重要。

成为创新型人才的关键是评价机制

评价机制是导向。现行的评价机制存在一些问题。比如：录取学生的标准单一，就是看分数，过分看重考试成绩，分分学生的命根。对学生的评价，更重要的是学生的健康、道德、兴趣、爱好，如果学生善良、诚实、忠厚和助人为乐，那就不在乎考试高分。学生是人，“人”是高山大海，“分数”只是小丘小溪；“人”是蓝天苍穹，成绩仅是天上的一颗星星。

在当今这样一个信息化的时代里，企业对人才的需求同地方相比，既有专业性，更显通用性、兼容性，与企业对专业人才的短缺有所不同，社会中既包容有众多企业迫切需要的专业人才，又有大量的人才闲置。我们完全可以利用这些专业人才，稍加培训就可以充实到企业中来，既节约了成本，实现企业与地方的人才互补，又解决了企业对人才的迫切需要。

参考文献:

［1］21世纪高等院校创新型人才培养系列规划教材•企业管理学胥悦红(编者)(2008年5月版)

［2］新型传感器技术及应用宋晓辉(作者)(2009年03月版)

［3］传感器技术陈建元 机械工业出版社(2008-10出版)

［4］传感器与检测技术高等职业技术教育研究会、宋雪臣 人民邮电出版社(2009-05出版)

［4］全国高等院校测控技术与仪器专业创新型应用人才培养规划教材•传感器原理及应用 赵燕 北京大学出版社(2010-02出版)

第三篇：探伤仪有关技术要求

大型养路机械传动轴探伤仪购置技术要求

一、技术要求：

1.数量：1套

2.使用范围：

荧光磁粉探伤仪，适用于大型养路机械传动轴的探伤，可对传动轴，半轴的轴类零件及扒板、销类整体探伤。

3.参数：

1）用于线圈磁化时，纵向磁化磁势：AC 0－12000AT（有效值），连续可调，带断电相位控制，数显，磁化电流可保持；

用于联接销周向磁化时，周向磁化电流：AC 0-2000A（有效值），连续可调，带断电相位控制，数显，磁化电流可保持；

用于联接销纵向磁化时，纵向磁化磁势：AC 0-16000AT（有效值），连续可调，带断电相位控制，数显，磁化电流可保持；

2）磁化时间：0-3秒，可设定；

3）退磁方式及效果：机上退磁，周向AC 2000-0A，纵向线圈AC 12000AT－0，纵向磁轭AC 16000AT－0，退磁时间为5秒／次，剩磁小于0.2mT（159A／M）；

4）运行方式：手动、自动；

4.使用条件：1.环境温度：－10°C～40°C；2.相对湿度：不大于85%；

5.交货时间：自中标之日起3个月内交付使用。

6.交货地点：产品交付郑州工务机械段，运杂费、安装调试费、基础费等所有费用由供方承担。

7.质量保证：整机质保期1年。

8.售后服务：1年内免费修理，终身负责维修。

9.其它：免费培训、随机工具齐全，配备中文说明书3套。

二、投标人在开标时须携带资质证明材料原件，以备审查；

第四篇：《传感器原理及应用》作业3

《传感器原理及应用》作业三

一、填空题

1．当应变片主轴线与试件轴线方向一致且受一维应力时，应变片灵敏系数K是应变片的之比

2．闭磁路变隙式单线圈电感传感器的3．电涡流式传感器工作时，要求线圈距被测物无关的金属物体至少有一个线圈的距离，否则会使降低和非线性误差加大。

4．电容式传感器中，变介电常数式多用于

5．电位器的种类繁多，按工作特性可分为性两种。

6．差动螺线管式电感传感器主要由两个

7．电涡流传感器的主体是。因而它的性能对整个测量系统的性能产生重要影响。

8．电容式传感器中，变面积式常用于较大的9．光敏三极管可以看成普通三极管的集电结用替代的结果。通常基极不引出，只有两个电极。

10．光电管由一个光电阴极和一个阳极封装在真空的玻璃壳内组成，其技术性能主要取决于。

11．振弦式传感器是经被拉紧的钢弦作为传感元件，其与弦的张紧力的平方根成正比。

12．振筒式传感器用薄壁圆筒将被测气体或密度的变化转换成频率的变化。

13．所谓光栅，从它的功能上看，就是刻线间距很小的14．振弦式传感器的原理结构中，振弦的一端用夹紧块固定在上，另一端用夹紧块固定在上。

15．对某种物体产生有一个的限制，称为红限。

16．光敏二极管的结构与普通二极管相似，其管芯是一个具有PN结。它是在电压下工作的。

17．振筒式传感器中，激励器与拾振器通过加上放大器和反馈网络组成一个振荡系统，所以振筒是由材料制成的。

二、选择题（5题为多选）

1．当一定波长入射光照射物体时，反映该物体光电灵敏度的物理量是（）。

A．红限B．量子效率

C．逸出功D．普朗克常数

2．光敏三极管工作时（）。

A． 基极开路、集电结反偏、发射结正偏

B． 基极开路、集电结正偏、发射结反偏

C． 基极接电信号、集电结正偏、发射结反偏

3．在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于（）。

A．外光电效应B．内光电效应

D． 光电发射

4．振弦式传感器中，把被测量转换成频率的关键部件是（）。

A．激励器B．拾振器

C．永久磁铁D．振弦

5．计量光栅上出现莫尔条纹的条件有（）。

A． 两块栅距相等的光栅叠在一起

B． 两块光栅的刻线之间有较大的夹角

C． 两块光栅的刻线之间有较小的夹角

D． 两块光栅的刻线之间必须平行

第五篇：传感器大作业霍尔转速器

传感器大作业

题目：霍尔转速器

姓名：

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学院：电子工程学院

班级：

学号：

日期：2013年X月X日

一、被测量分析

转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。要测速，首先要解决的是采样问题。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，智能化微电脑代替了一般机械式或模拟式结构，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

二、霍尔传感器的发展历史及其现状

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

三、传感器设计思路

系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。

处理器采用STC89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。系统原理框图如图所示：

系统软件主要包括测量初始化模块、信号频率测量模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块、显示模块、按键功能模块、定时器中断服务模块。系统软件框图如图所示：

四、传感器的结构及工作原理说明

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SiKO的NJK-8002D的霍尔传感器，其响应频率为100KHz，额定电压为5-30（V）、检测距离为10（mm）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压4～25V，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为

l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度

ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：

式中：f—洛仑磁力，ｑ—载流子电荷，Ｖ—载流子运动速度，Ｂ—磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压。

霍尔电压大小为：

(mV)

式中：—霍尔常数，ｄ—元件厚度，Ｂ—磁感应强度，Ｉ—控制电流

设,则=(mV)

为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。图2.3为霍耳元件的原理结构图。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

五、检测电路

系统硬件电路设计

5.1

单片机控制电路设计

系统选用

STC89C51

作为转速信号的处理核心。STC89C51

包含

个16位定时/计数器、4K×8

位片内

FLASH

程序存储器、4个8位并行I/O口。16

位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量。8位并行口P0、P2用于把测量结果送到显示电路。4K×8

位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。STC89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容,如:89C52(8K×8

位)或

89C55(32K×8

位),为系统软件升级打下坚实的物质基础。STC89C51最大的优点是：可直接通过计算机串口线下载程序,而无需专用下载线和编程器。

STC89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。其基本结构框图如图3.1，包括：

·一个8位CPU；

·4KB

ROM；

·128字节RAM数据存储器；

·21个特殊功能寄存器SFR；

·

4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB

ROM或64KB

RAM；

·一个可编程全双工串行口；

·具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；

·两个16位定时器/计数器；

·一个片内震荡器及时钟电路；

T0

T1

特殊功能寄存器SFR

128字节RAM

定时/计数器

T0、T1

时钟源

CPU

串行接口

并行I/O接口

中断系统

4K

ROM（EPROM）

（8031无）

P0

P1

P2

P3

TXD

RXD

中断输入

STC89C51单片机结构框图

STC89C51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有40个引脚。STC89C51单片机40条引脚说明如下:

(1)电源引脚。V正常运行和编程校验(8051/8751)时为5V电源,V为接地端。

（2）I/O总线。P-

P（P0口），P-

P（P1口），P-

P（P2口），P-

P（P3口）为输入/输出引线。

（3）时钟。

XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端。

XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。

（4）控制总线。

由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表3.1所示。

P3口引脚及线号

引脚

第二功能

P3.0

(10)

RXD

串行输入口

P3.1

(11)

TXD

串行输出口

P3.2

(12)

INT0

外部中断0

P3.3

(13)

INT1

外部中断1

P3.4

(14)

T0

定时器0外部输入

P3.5

(15)

T1

定时器1外部输入

P3.6

(16)

WR

外部数据存储器写脉冲

P3.7

(17)

RD

外部数据存储器读脉冲

表3.1

P3口线的第二功能定义：

STC89C51单片机的片外总线结构：

①地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。

②数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。

③控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。

5.2

脉冲产生电路设计

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

特性:

·

内部频率补偿

·

直流电压增益高(约100dB)

·

单位增益频带宽(约1MHz)

·

电源电压范围宽：单电源(3—30V)

·

双电源(±1.5一±15V)

·

低功耗电流，适合于电池供电

·

低输入偏流

·

低输入失调电压和失调电流

·

共模输入电压范围宽，包括接地

·

差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

·

输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)

如图3.2所示，信号预处理电路为系统的前级电路，其中霍尔传感元件b,d为两电源端，d接正极，b接负极；a,c两端为输出端，安装时霍尔传感器对准转盘上的磁钢,当转盘旋转时，从霍尔传感器的输出端获得与转速率成正比的脉冲信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，图中LM358部分为过零整形电路使输入的交变信号更精确的变换成规则稳定的矩形脉冲，便于单片机对其进行计数。

5.3

按键电路设计

通过软件设置按键开关功能：

按

K0清零、复位

按K1显示计时时间

按K2显示计数脉冲数

此按键电路为低电平有效，当无按键按下时，单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均为高电平。当其中任一按键按下时，其对应的P1端口变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。软件中还设置了按键防抖动误触发功能，软件中设置定时器1

50ms中断一次，每次中断都对按键进行扫描，如果扫描到有按键按下，则延迟10ms，再次进行键扫描，若仍有按键按下，则按键为真，并从P1口读取数据，低电平对应的即为有效按键，如图3.3所示。

按键电路图

5.4

数据显示电路设计

5.4.1

数码管结构和显示原理

图为数码管的引脚接线图，实验板上以P0口作输出口，经74LS244驱动，接8只共阳数码管S0-S7。表3.2为驱动LED数码管的段代码表为低电平有效，1-代表对应的笔段不亮，0-代表对应的笔段亮。若需要在最右边（S0）显示“5”，只要将从表中查得的段代码64H写入P0口，再将P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。设计中采用动态显示，所以其亮度只有一个LED数码管静态显示亮度的八分之一。

驱动LED数码管的段代码

数字

d

p

e

c

g

b

f

a

十六进制

P0.7

P0.6

P0.5

P0.4

P0.3

P0.2

P0.1

P0.0

共阴

共阳

0

0

0

B7

0

0

0

0

0

0

EB

0

0

0

AD

0

0

0

9D

0

0

0

0

1E

E1

0

0

0

9B

0

0

BB

0

0

0

0

0

EA

0

BF

0

0

9F

数码管的引脚接线图

这里设计的系统先用

位LED数码管动态显示小型直流电机的转速。当转速高于六位所能显示的值（999999）时就会自动向上进位显示。

5.4.2

缓冲器74LS244

系统总线中的地址总线和控制总线是单向的,因此驱动器可以选用单向的,如74LS244。74LS244还带有三态控制，能实现总线缓冲和隔离,74LS244是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器，该芯片的逻辑电路图和引脚图如图3.5所示。

从图可见，该缓冲器有8个输入端，分为两路——1A1～1A4，2A1～2A4。同时8个输出端也分为两路——1Y1～1Y4，2Y1～2Y4，分别由2个门控信号1G和2G控制，/1G,/2G三态允许端(低电平有效)。当1G为低电平时，1Y1～1Y4的电平与1A1～1A4的电平相同，即输出反映输入电平的高低；同样，当2G为低电平时，2Y1～2Y4的电平与2A1～2A4的电平相同。而当1G（或2G）为高电平时，输出1Y1～1Y4（或2Y1～2Y4）为高阻态。经74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。74LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。常用的缓冲器还有74LS240，241等。

图3.5

74LS244逻辑电路图

74LS244的极限参数如下:

电源电压：7V

输入电压：5.5V

输出高阻态时高电平电压：5.5V

利用上述器件设计的显示电路如图3.6所示。8个共阳的LED数码管（S0-S7）同名的引脚连接在一起，由单片机P0口通过74LS244驱动（段控制），R12-R19

为限流电阻。单片机P2口的8个引脚分别通过三极管Q0-Q7控制8个LED数码管的公共端（位控制）。单片机的主时钟为12MHz。

P0口

和

P2口都是准双向口，输出时需要接上拉电阻。P0内部没有上拉电阻，P2口内部有弱上拉。所以P0口外围电路设计为低电平有效，高电平无效。要使数码管S0-S7的其中一个亮，其对应的P2端口要置高，P2的其余端口置低。如要让S0数码管亮，则要将P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。

系统将定时把显示缓冲区的数据送出，在数码管LED上显示。

5.5

总电路图

六、补偿的考虑

霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化钢等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。

七、重要参数

1、霍尔元件

霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

2、霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。

3、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ρ与电子迁移率μ的乘积。

4、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。

5、霍尔额定激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

6、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。

7、霍尔输入电阻

霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。

8、霍尔输出电阻

霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。

9、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%/℃。

10、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。

11、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。

12、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

13、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。

14、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。

15、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。

八、传感器名称：霍尔转速器

九、应用描述

霍尔传感器在实际应用中越来越广泛，将永磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔传感器置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔传感器输出的电压则包含有转速的信息。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。将霍尔传感器输出电压经后续电路处理，便可得到转速的数据。随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。本文介绍了一种由单片机c8051f060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。

霍尔传感器具有不怕灰尘、油污，安装简易，不易损坏等优点，在工业现场得到了广泛应用。利用霍尔传感器设计的转速测量系统以单片机STC89C51为数据处理核心，采用定时器定时中断的方法实现计数，对测量数据进行计算得到转速数据，并将结果送数码管显示。整个测量系统硬件电路简单，容易调试，软件部分编程采用C51，有较高的编程效率。测试结果表明对电动机转速的测量精度较高，基本能够满足实际的测试需要，有一定的实际应用价值。

十、需要说明的问题

用霍尔元件测量转速时，每当磁感应强度发生变化时霍尔元件就输出一个脉冲，如果转速过慢，磁感应强度发生变化的周期过长，大于读取脉冲信号的电路的工作周期，就会导致计数错误。

北京邮电大学