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机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

(2019-12-31 18:01:14)
标签:

ate检测系统

航空设备试验器

机载电子设备

试验器·

虚拟仪表检测

分类: 航空技术知识

机载电子设备检测虚拟化仪表应用           

虚拟化仪表的控制和检测方式-13

                       编写:贺军

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

     LabVIEWArduino控制器互动基础设计方式介绍 

13LabVIEWArduino控制器互动基础“电机测速互动控制设计”说明

    “机载电子设备检测试验器”检测和试验机载电子设备的各种电机的各项功能技术指标时,测量电机的转速是必不可少的一项检测指标。

    使用霍尔线性器件作为测速传感器是首选的一种方式,霍尔线性器件具有精度高、线性度好的特点。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm 级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55150

13.1、概述:

    霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用,霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

    霍尔器件具有结构牢固,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。

    霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm 级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55150

13.2、霍尔器件的分类

 1)、按照霍尔器件的功能分类:

    可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件:前者输出模拟量,后者输出数字量。

2)、按被检测的对象的性质分类

    可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。

13.3、霍尔效应和霍尔器件

    霍尔效应示意图:

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

    在一块通电的半导体薄片上,加上和片子表面垂直的磁场B,在薄片的横向

两侧会出现一个电压,如图中所示的VH,这种现象就是霍尔效应,是由科学家爱德文·霍尔在1879 年发现的。VH 称为霍尔电压。 

13.3.1、霍尔效应和霍尔元件

霍尔效应

    因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下,分别向片子横向两侧偏转和积聚,因而形成一个电场,称作霍尔电场。

    霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻碍载流子继续堆积,直到霍尔电场力和洛仑兹力相等,这时,片子两侧建立起一个稳定的电压,这就是霍尔电压。

    在片子上作四个电极,其中C1C2 间通以工作电流IC1C2 称为电流电极,C3C4 间取出霍尔电压VHC3C4  称为敏感电极。将各个电极焊上引线,并将片子用塑料封装起来,就形成了一个完整的霍尔元件(又称霍尔片)。

    为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B 可用霍尔电压来量度。在一些精密的测量仪表中,还采用恒温箱,将霍尔元件置于其中,令RH 保持恒定

霍尔器件

    霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类,前者是一个简单的霍尔片,使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。

霍尔元件

    霍尔元件可用多种半导体材料制作,如 GeSiInSbGaAsInAsInAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

霍尔元件的结构和输出特性

        InSb GaAs 霍尔元件输出特性见图中所示。

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这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。 

霍尔电路

 

    霍尔线性电路的功能框图如下所示。

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

   它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B 成比例。

    这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度,适用于各种磁场检测。

 

    霍尔线性电路UGN3501 的磁电转换特性曲线:

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13
机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

霍尔开关电路

    霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。

    在外磁场B值的作用下,当磁感应强度超过导通阈值BOP 时,霍尔电路输出管导通,输出低电平,之后B 再增加,仍保持导通态。

    若外加磁场的B 值降低到BRP 时,输出管截止,输出高电平,我们称BOP 为工作点,BRP 为释放点,BOPBRP = BH 称为回差。

    回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。

 

    霍尔开关电路的功能框图如下所示。图中(a)表示集电极开路(OC)输出,(b)表示双输出。单OC 输出 (b)OC 输出图4 霍尔开关电路的功能框图。

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 它们的输出特性见图所示, (a)表示普通霍尔开关,(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。

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(a)开关型输出特性                                     (b)锁定型输出特性图

霍尔开关电路的输出特性

    一般规定,当外加磁场的南极(S)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时,作用到霍尔电路上的磁场方向为正,北极接近标志面时为负。

 

    锁定型霍尔开关电路的特点是:当外加场B 正向增加,达到BOP 时,电路导通,之后无论B 增加或减小,甚至将B 除去,电路都保持导通态,只有达到负向的BRP 时,才改变为截止态,因而称为锁定型。霍尔开关电路的性能参数见下表所示。

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

13.3.2、差动霍尔电路(双霍尔电路)

霍尔电压发生器由一对相距2.5mm 的霍尔元件组成,其差动霍尔电路的工作原理图

 

功能框图见图所示。

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

差动霍尔电路的工作原理图

    使用时在电路背面放置一块永久磁体,当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时,一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反,经差分放大后,使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。 

13.4、霍尔器件的应用

13.4.1、测量磁场

    使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单,将霍尔器件作成各种形式的探头,放在被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直,则应求出其垂直分量计算被测磁场的磁感应强度值。而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由计算机进行数据处理,可以得到场的分布状态, 并可对狭缝,小孔中的磁场进行检测。

    用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时,一般采用永久磁钢来产生工作磁场,在空气隙中,磁感应强度会随距离增加而迅速下降,为保证霍尔器件,尤其是霍尔开关器件的可靠工作,在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时,应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中,霍尔片的深度在产品手册中会给出。

    因为霍尔器件需要工作电源,在作运动或位置传感时,一般令磁体随被检测物体运动,将霍尔器件固定在工作系统的适当位置,用它去检测工作磁场,再从检测结果中提取被检信息。

 

    霍尔器件和工作磁体间的运动方式如图所示。

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

    在遮断方式中,工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定,用一软磁(例如软铁)翼片作为运动工作部件,当翼片进入间隙时,作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断,以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高,在125的温度范围内,翼片的位置重复精度可达50μm 

    也可将工作磁体固定在霍尔器件背面(外壳上没打标志的一面),让被检的铁磁物体(例如钢齿轮)从它们近旁通过,检测出物体上的的特殊标志(如齿、凸缘、缺口等),得出物体的运动参数。

 

    在霍尔器件背面放置磁体方式如图中所示。

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13.4.2、与外接电路的接口

    霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的 NPN 晶体管,其使用规则和任何一种相似的NPN 开关管相同。

    输出管截止时,输漏电流很小,一般只有几nA,可以忽略,输出电压和其电源电压相近,但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压(即规范表中规定的极限电压)。

    输出管导通时,它的输出端和线路的公共端短路,因此,必须外接一个电阻器(即负载电阻器)来限制流过管子的电流,使它不超过最大允许值(一般为20mA),以免损坏输出管。输出电流较大时,管子的饱和压降也会随之增大,使用者应当特别注意,仅这个电压和你要控制的电路的截止电压(或逻辑)是兼容的。

 

    以与发光二极管的接口为例说明如图所示。

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

   以与发光二极管的接口为例,若在Io20mA(霍尔电路输出管允许吸入的最大电流),发光二极管的正向压降VLED=1.4V,当电源电压VCC=12V 时,所需的负载电阻器的阻值和这个阻值最接近的标准电阻为560Ω,因此,可取560Ω 的电阻器作为负载电阻器。

13.5霍尔器件检测电机转速

13.5.1、检测铁磁物体

 

    在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体,如图所示。图中(a)表示检测铁磁物体的缺口,图中(b)表示检测齿轮的齿。

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 它们的电路接法见图所示,用这种方法可以检测齿轮的转速。

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13.5.2、霍尔接近传感器和接近开关

    在霍尔器件背后偏置一块永久磁体,并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内,做成一个探头,将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来。

    霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数,黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。

    霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置,完成所需的位置控制,加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。  

霍尔翼片开关

    霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品,它的外形如图所示,其内部结构及工作原理于图所示。 

 

    霍尔翼片开关的外形图:

机载电子设备检测虚拟化仪表应用:虚拟化仪表的控制和检测方式-13

 霍尔翼片开关的内部结构和工作原理示意图:

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    翼片未进入工作气隙时,霍尔开关电路处于导通态。翼片进入后,遮断磁力线,使开关变成截止态,它的状态转变的位置非常精确, 125的温度范围内位置重复精度可达50nm。将它们用在工业自动控制系统中,可作为转速传感器、位置开关、限位开关、轴编码器、码盘扫描器等。 

13.5.2、霍尔旋转传感器

    按图中所示的各种方法设置磁体,将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。

 

    霍尔电路通电后,磁体每经过霍尔电路一次,便输出一个电压脉冲。

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   输出的电压脉冲可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。

    在转轴上固定一个叶轮和磁体,用流体(气体、液体)去推动叶轮转动,便可构成流速、流量传感器。

 

    在电机转轴上装上磁体,在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路,可制成转速表等等。

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13.6ES3144霍尔效应传感器简介

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   ES3144 是基于双极半导体(Bipolar)工艺设计和生产的霍尔器件,器件内部集成了霍尔效应片、电压调节器、反向电压保护器、信号放大处理电路、施密特触发器和一个开集电极输出驱动三极管。ES3144 具有较宽的工作电压范围和较宽的工作温度范围,非常适合在汽车、工业电器和家电等产品中用作固态电子开关。

    ES3144 有贴片的 SOT-23 3L 封装和单排直插的 TO-92S 3L(扁平型)封装,两种封装都符合RoSH 环保标准。

    对于 TO-92S 封装,当 S 极接近芯片标记面,且当施加到霍尔效应片的磁感应强度 B 超过工作点(BOP)时(即B>BOP>0),输出导通,输出变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)(即 0)或撤除(B=0)时,输出关断,输出变高。N 极磁场接近芯片标记面不能触发芯片工作,N 极磁场可以从标记面的反面接近芯片以触发芯片导通。对于 SOT-23 封装的芯片,感应面与 TO-92S 封装的相反,需以 N 极磁场作用芯片的标记面。

1)、特点

1)、内带反向电压保护

2)、宽工作电压 3.8V~24V

3)、高灵敏度,快速响应

4)、工作温度范围:-40150

5)、高可靠性的超小、超薄封装

2)、应用

1)、限制开关

2)、电流限制

3)、转速测量

4)、电流传感器

5)、磁位置接近开关

 

3)、功能框图

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4)、管脚定义

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5)、极限参数

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    注意:超过以上极限参数,可能会造成永久性伤害。长时间处于极限条件下可能影响器件的可靠性。为保障器件正常工作,应满足以下电学特性一节中规定的工作条件。

6)、电学特性

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7)、磁场特性

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8)、磁电转换特性

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9)、性能特性

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10)、封装

 

1)、UA封装(TO-92S

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2)、SO封装(SO T23-3L

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13.7ES3144霍尔效应传感器模块板

 

1)、ES3144霍尔效应传感器开关电路图

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2)、模块板结构说明

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1)、外形尺寸:2.7 cm*1.4mm

2)、主要芯片:LM3933144 霍尔传感器

3)、工作电压:直流 5 

3)、模块板接线说明

1)、VCC  外接5V电源

2)、GND  外接GND线

3)、DO   小板数字开关量输出接口(01

4)、AO   模拟量输出

4)、模块板特点

1)、具有电源

2)、具有电源指示灯和信号输出指示。

3)、双路信号输出。

4)、模块无触发,输出低电平;模块有触发,输出高电平。

5)、模拟信号输出。

6)、灵敏度可调(精调)。

7)、有磁场切割就有信号输出

8)、电路板输出开关量,可以直接连接继电器模块,蜂鸣器模块等。

9)、可用于电机测速/位置检测等场合。

 

5)、模块开关信号输出示意图

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13.8ES3144霍尔效应传感器连接LabVIEWArduino控制器

 

     组建电机(转速/震幅)监测系统虚拟仪表前面板如下图所示

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电机检测时一般常需要检测的技术指标有:

1)、额定频率(Hz;

2)、额定功率(KW;

3)、额定电压(V;

4)、额定电流(A;

5)、额定转速(r/min:

6)、震动幅度(mm/s:

    采用“ES3144霍尔效应传感器”采集磁场变化信号,经过LM393运算放大器放大和整形后,输出了数据信号“D0”和模拟信号“A0”。

    数据信号“D0”用于传输给频率检测虚拟仪表显示部分,显示出电机转速监测(r/min)。

    模拟信号“A0”用于传输给电机震动检测虚拟化仪表显示部分,显示电机震动幅度监测(mm/s)仪表指示和虚拟化仪表波形图显示。

 

    “电机转速监测系统”具有设定上限和限制下限窗口,用于保护电机的设定。




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