源程序如下：
#include
#define T0HIGH 0x3C //*计数器0初值高字节值
#define T0LOW 0xB0 //*计数器0初值低字节值
sbit P3_5=P3^5; //*定义位变量
sbit P3_0=P3^0;
sbit P3_1=P3^1;
sbit P3_3=P3^3;
sbit P3_7=P3^7;
void count(void); //*计算转速函数
void display(void); //*数码管显示函数
void disp_init (void); //*初始化函数
unsigned char i,number;
unsigned int n,len[4], sum=0;
char code table[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff}; //*共阳极数码管真值表
void main(void)
{
disp_init(); //*初始化
while (1) //*计脉冲个数
{ while (!P3_3){}
if(P3_3) { //*高电平计一个数
sum++;
while(P3_3){} //*高电平等待
}
} //*如果溢出转中断函数执行}
void count(void)
{
n=sum*20; //*计算转速
if(n>6000&&n<600) {
len[0]=0;
len[1]=0;
len[2]=0;
len[3]=0;
}
len[0]=n/1000; //*计算千位数
len[1]=n%1000/100; //*计算百位数
len[2]=n%1000%100/10; //计算十位数
len[3]=n%10; //*计算个位数
}
void display(void)
{
for (i=0;i<1000 ;i++)
P1=number;
}
void disp_init (void)
{
for(i=0;i<10000 ;i++)
{ //*检查数码管是否正常工作
P3_0=0;
P3_1=1;
P3_5=1;
P3_7=1;
P1=0x82;
P3_0=1;
P3_1=0;
P3_5=1;
P3_7=1;
P1=0x82;
P3_0=1;
P3_1=1;
P3_5=0;
P3_7=1;
P1=0x82;
P3_0=1;
P3_1=1;
P3_5=1;
P3_7=0;
P1=0x82;
}
TMOD=0x1; //*初始化定时器TCON=0x00;
TH0=T0HIGH;
TL0=T0LOW;
IE=0x82;
TR0=1;
}
void system_tick(void) interrupt 1 /*定时器中断函数*/ {
static unsigned char second_cnt=20;
TR0=0;
TH0=T0HIGH;
TL0=T0LOW;
second_cnt--;
if(!second_cnt)
{ /*一秒钟到送出显示*/
count( );
P3_7=0; /*显示个位数*/ P3_5=1;
P3_1=1;
P3_0=1;
number=table[len[3]];
display();
P3_7=1; //*显示十位数P3_5=0;
P3_1=1;
P3_0=1;
P3_7=1; //*显示百位数
P3_5=1;
P3_1=0;
P3_0=1;
number=table[len[1]];
display( );
P3_7=1; //*显示千位数P3_5=1;
P3_1=1;
P3_0=0;
number=table[len[0]];
display( );
second_cnt=20; //*重新计数
sum=0;
TR0=1;
}
TR0=1;
}
成绩评定： 传感器技术 课程设计 题目基于霍尔传感器的转速测量
摘要 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。针对工业上常见的发动机设计了以单片机STC89C51为控制核心的转速测量系统。系统利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调理电路对霍尔转速传感器输出的信号进行滤波和整形,将得到的标准方波信号送给单片机进行处理。实际测试表明,该系统能满足发动机转速测量要求。 关键词：转速测量，霍尔传感器，信号处理，数据处理
目录 一、设计目的------------------------- 1 二、设计任务与要求--------------------- 1 2.1设计任务------------------------- 1 2.2设计要求------------------------- 1 三、设计步骤及原理分析 ----------------- 1 3.1设计方法------------------------- 2 3.2设计步骤------------------------- 2 3.3设计原理分析--------------------- 16 四、课程设计小结与体会 ---------------- 16 五、参考文献------------------------- 16
一、设计目的 1.学习基本理论在实践中综合运用的初步禁言，掌握模拟电路的设计的基本方法，设计步骤，培养综合设计与实物调试能力。 2.学会霍尔传感器的设计方法和性能指标测试。 3.进一步了解霍尔传感器的组成框图和各个单元的工作原理以及相互之间的联系。 4.培养实践技能，提高分析和解决问题的能力。 5.提高自己对文献资料的搜索和信息处理能力。 二、设计任务与要求 2.1设计任务 1、查阅传感器有关方面的相关资料，了解此方面的发展状况。 2、掌握所用器件的特性。 3、采用合理的设计方案。 4、设计、实现该系统。 5、撰写设计报告。 2.2设计要求 1.掌握霍尔传感器的使用方法 2.熟悉使用单片机测量转速 三、设计步骤及原理分析 3.1设计方法 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
霍尔效应及其应用实验 (FB510A型霍尔效应组合实验仪)（亥姆霍兹线圈、螺线管线圈） 实 验 讲 义 长春禹衡时代光电科技有限公司
实验一 霍尔效应及其应用 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。 3．确定试样的导电类型。 【实验原理】 1．霍尔效应： 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场H E 。如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 ) (P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型?>?< 显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H E e ?
实验十九开关式霍尔传感器测转速实验 一、实验目的：了解开关式霍尔传感器测转速的应用。 二、基本原理：开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波（开关信号）输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出，再经转速表显示转速n。 图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图 三、需用器件与单元：主机箱中的转速调节0～24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表；霍尔转速传感器、转动源。 四、实验步骤： 1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2～3ｍｍ。 2、将主机箱中的转速调节电源0～24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档)；其它接线按图19—2所示连接（注意霍尔转速传感器的三根引线的序号）；将频频\转速表的开关按到转速档。 3、检查接线无误后合上主机箱电源开关，在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。
图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图 4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据)；画出电机的V-ｎ(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。 n（转/ 406286108132157179203225250分） V（mv）2003004635006017037999019991104 电机的V-ｎ(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线 五、思考题： 利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件？ 被测物能够阻挡或透过或反射霍尔信号，般都是一个发射头一个接收头若发射接收安装在同侧，则被测物必须能反射该信号，发射接收安装在对侧，则被测物必须能阻挡透过该信
霍尔效应测磁场 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879 年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象， 故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属 的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人 们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发 展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电 流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。 在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 【实验目的】 1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用 2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。 3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。 4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 【实验原理】 霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在 磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电 粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种 偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电 场。如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与 之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称 为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材 料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。 由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线 箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B 侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。 与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力f E的作用。随着电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时，f L=－f E，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场E H，相应的电势差称为霍尔电势V H。 设电子按均一速度v，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：
传感器测速实验报告 院系： 班级： 、 小组： 组员： 日期：2013年4月20日
实验二十霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理 利用霍尔效应表达式：U H=K H IB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平 三、需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流电源+5V，转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。 四、实验步骤 1、根据下图所示，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，调节探头对准转盘内的磁钢。 图9-1 霍尔转速传感器安装示意图 2、将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端，红（+）、黑（ ），不能接错。 3、将霍尔传感器的输出端插入数显单元F，用来测它的转速。 4、将转速调解中的转速电源引到转动源的电源插孔。 5、将数显表上的转速/频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示电机的转速。 6、调节电压使转速变化，观察数显表转速显示的变化，并记录此刻的转速值。
五、实验结果分析与处理 1、记录频率计输出频率数值如下表所示： 电压（V) 4 5 8 10 15 20 转速（转/分）0 544 930 1245 1810 2264 由以上数据可得：电压的值越大，电机的转速就越快。 六、思考题 1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有所限制？ 答：有，测量速度不能过慢，因为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。 2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否只用一只磁钢？ 答：如果霍尔是单极的，可以只用一只磁钢，但可靠性和精度会差一些；如果霍尔 是双极的，那么必须要有一组分别为n/s极的磁钢去开启关断它，那么至少要两只磁钢。
华南师范大学实验报告 学生姓名 学 号 专 业 化学 年级、班级 课程名称 物理实验 实验项目 用霍尔效应测量螺线管磁场 实验类型 □验证 □设计 □综合 实验时间 2012 年 3 月 07 实验指导老师 实验评分 一、 实验目的： 1．了解霍尔效应现象，掌握其测量磁场的原理。 2．学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。 二、 实验原理： 根据电磁学毕奥－萨伐尔定律，通电长直螺线管线上中心点的磁感应强度为: 2 2 M D L I N B +??μ= 中心 （1） 理论计算可得，长直螺线管轴线上两个端面上的磁感应强度为内腔中部磁 感应强度的1/2： 2 2M D L I N 21B 21B +??μ? ==中心端面 （2） 式中，μ为磁介质的磁导率，真空中的磁导率μ0=4π×10-7 (T ·m/A)，N 为螺线管的总匝数，I M 为螺线管的励磁电流，L 为螺线管的长度，D 为螺线管的平均直径。 三、 实验仪器： 1．FB510型霍尔效应实验仪 2．FB510型霍尔效应组合实验仪（螺线管） 四、 实验内容和步骤： 1. 把FB510型霍尔效应实验仪与FB510型霍尔效应组合实验仪（螺线管）正确连接。把励磁电流接到螺线 管I M 输入端。把测量探头调节到螺线管轴线中心，即刻度尺读数为13.0cm 处，调节恒流源2,使I s =4.00mA ，按下(V H /V s )（即测V H ），依次调节励磁电流为I M =0~±500mA ，每次改变±50mA, 依此测量相应的霍尔电压，并通过作图证明霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比。 2. 放置测量探头于螺线管轴线中心，即1 3.0cm 刻度处，固定励磁电流±500mA ，调节霍尔工作电流为：I s =0~ ±4.00mA ，每次改变±0.50mA ，测量对应的霍尔电压V H ，通过作图证明霍尔电势差与霍尔电流成正比。 3. 调节励磁电流为500mA ，调节霍尔电流为 4.00mA ，测量螺线管轴线上刻度为X =0.0cm~13.0cm ，每次移动 1cm ，测各位置对应的霍尔电势差。(注意,根据仪器设计,这时候对应的二维尺水平移动刻度读数为：13.0cm 处为螺线管轴线中心，0.0cm 处为螺线管轴线的端面，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的数值的刻度位置。与理论值比较，计算相对误差。按给出的霍尔灵敏度作磁场分布B ~X 图。) 五、 注意事项： 图1
测试技术应用案例 （霍尔传感器测量转速） 班级: 学号: 姓名:
霍尔传感器测量转速 一.霍尔传感器的优点 1.测量范围广：霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压， 如：直流、交流、脉冲波形等。 2.精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形 的测量。 3.线性度好：优于%。 4.动态性能好：响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs。 5.性价比高。 各式各样的霍尔传感器 二.霍尔传感器测转速原理 霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差U H的基本关系为: U H=K H IB K H =1/nq（金属） 式中K H――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的磁感应强度； 利用霍尔效应表达式：U H=K H IB,当被测物体上装上Ｎ只磁性体时，物体每转一周磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 三.测量设备 本案例以实验室霍尔元件测量圆盘转速为例。 实验设备：CSY2000系列传感器与检测技术实验台。
1、主控台部分，提供高稳定的±15V、+5V、±2V～±10V可 调、+2V～+24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、频率、转速的3位半数显表。 2、旋转源0-2400转/分(可调) 需用器件与单元：霍尔传感器、5V直流源、转速调节装置、转动源单元、数显单元的转速显示部分。 四.实验方案 1.实验装置如下图 2.将5Ｖ直流源加于霍尔元件电源输入端。 3.将霍尔转速传感器输出端（黄）插入数显单元F i n端。 4.将转速调节中的2V-24V转速电源引入到台面上转动单元中转 动电源2-24VK插孔。 5.将数显单元上的转速／频率表波段开关拨到转速档，此时数显 表指示转速。 6.调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变 化。 五.实验结果计算 磁体经过霍尔元件，霍尔元件就会发出就会发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，两个脉冲的间隔时间即为周期，通过周期就可算出转速。
246810 1214 1618202224 霍尔传感器V-n 曲线图 电压（V ）/V 转速（n ）/r p m 霍尔测速实验报告 一、实验目的： 了解霍尔组件的应用——测量转速。 二、实验仪器： 霍尔传感器、+5V 、+4、±6、±8、±10V 直流电源、转动源、频率/转速表。 三、实验原理； 利用霍尔效应表达式：U H ＝K H IB ，当被测圆盘上装上N 只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N 次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。 四、实验内容与步骤 1．安装根据图28-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。 图28-1 2．将+5V 电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。 3．打开实验台电源，选择不同电源+4V 、+6V 、+8V 、+10V 、12V （±6）、16V （±8）、20V （±10）、24V 驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。也可用示波器观测霍尔元件输出的脉冲波形。 五、数据记录与分析 2、用matlab 绘制V-RPM 曲线图
3、霍尔组件产生脉冲的原因 因为霍尔传感器本身是磁场和霍尔元件之间由于磁性交替变化而产生的脉冲信号变化。两者之间通常会设有遮光原件，能够在变化过程中间断的影响到两者之间的磁通量。有磁场照射霍尔元件导通，没有磁场照射霍尔元件截止，不断的交替变化引起了脉冲的信号变化，所以霍尔测速时，所长生的波形也就是脉冲电，只是随转速的改变频率发生了改变，频率变化越快证明转速越快。 六、实验报告 1．分析霍尔组件产生脉冲的原理。 2．根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。
课程设计报告书
2.概述 2.1系统组成框图 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AT89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。本课题采用的是以8051系列的A T89C51单片机为核心开发的霍尔传感器测转速的系统。系统硬件原理框图如图1所示： 图1 系统框图 2.2系统工作原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机AT89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。
2.2.1霍尔传感器 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。 2.2.2转速测量原理 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：qVB f = 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H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， d —元件厚度，B —磁感应强度， I —控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(mV) H K 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为霍耳元件的原理结构图。
霍尔元件测磁场实验报告 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
用霍尔元件测磁场 前言： 霍耳效应是德国物理学家霍耳（ 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。 利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍耳器件，会有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。 教学目的： 1.了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。 2.掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。 3.学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。 教学重难点： 1. 霍尔效应 2. 霍尔片载流子类型判定。 实验原理 如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中， 其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电N通以直流电流I H 势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。
河南工程学院 课程设计 霍尔转速测量 学生姓名：## 学院：电气信息工程学院专业班级：电气工程及其自动化####专业课程：自动检测技术 指导教师：## 2014年6月26日
一、设计的背景和目的 1．设计的背景 在工程实践中，我们经常会遇到各种需要测量转速的场合。例如在发动机、电动机等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时和连续测量和显示其转速及瞬时速度。 传统式的转速测量通常是采用测速发电机为检测元件，这种方法是模拟式的，因此其得到的信号是电压信号，其抗干扰能力差，灵活性差。霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。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。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，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）。采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.55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为: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．设计的目的 实验介绍了霍尔传感器的工作原理，阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，利用硬件电路设计，编制了电机转速的测量设计了测量模块、显示模块等，并通过PROTEUSE软件进行了仿真。仿真结果表明所设计的电路原理上是可行的。 二、设计的功能 根据霍尔传感器的原理，当转动的物体比如说电机在转动时，如果能在其转子上加上一个磁铁，然后让霍尔传感器去感受就能在LED数码管上得到一定时间内的转动的脉冲数，然后通过芯片的内部计算从而得到转速，并且显示在数码管
霍尔传感器测量转速 测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。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。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。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。 利用霍尔传感器来测量转速。由磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，由单片机计数，经过数据计算转化成所测转速，再由数码管显示出来。 一、主要内容 利用强磁铁与霍尔元件组成测试转体转速的测量电路，包括计数与显示电路。 二、基本要求 1. 实现基本功能 3. 画出电路图 三、主要技术指标（或研究方法） 测量范围0—6000r/min 精度±5r/min 工作电压5V～12V 工作电流低于500mA 工作环境温度-60℃～65℃ 四、 应收集的资料及参考文献 霍尔元件原理与应用 显示元件原理 数据采样整理单 2.1 系统组成框图 在测量电机转速时采用电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。 我采用的是以STC89C52单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。系统硬件原理框图如图2-1：
系统框图原理如图2-1所示，系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。传感器采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。信号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STC89C52单片机，显示器采用8位LED 数码管动态显示。 2.2霍尔传感器测转速原理及特性 1、霍尔传感器测速原理： 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： qVB f = 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H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(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。 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 单 片 机 四位数码管显示电路 霍尔传感器 信号处理 图2-1系统框图
v1.0可编辑可修改 (3) 实验报告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、 实验室名称：霍尔效应实验室 二、 实验项目名称：霍尔效应法测磁场 三、 实验学时： 四、 实验原理： （一）霍耳效应现象 将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为 B 的磁场中，并让薄片平面与磁场 方向（如Y 方向）垂直。如在薄片的横向（ X 方向）加一电流强度为|H 的电流，那么在与 磁场方向和电流方向垂直的 Z 方向将产生一电动势 U H 。 如图1所示，这种现象称为霍耳效应， U H 称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压 U H 与 电流强度I H 和磁感应强度 B 成正比，与磁场方向薄片的厚度 d 反比，即 U H R-^^B （ 1 ） d 式中，比例系数R 称为霍耳系数，对同一材料 R 为一常数。因成品霍耳元件 （根据霍耳效应 制成的器件）的d 也是一常数，故 R/d 常用另一常数 K 来表示，有 U H KI H B 式中，K 称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位 电流I H 和霍耳电压U H ，就可根据式 U H KI H 电流作用下霍耳电压的大小。如果霍耳元件的灵敏度 K 知道（一般由实验室给出），再测出
算出磁感应强度Bo (5) v
(5) v （二）霍耳效应的解释 现研究一个长度为I 、宽度为b 、厚度为d 的N 型半导体制成的霍耳元件。当沿 X 方向 通以电流I H 后，载流子（对 N 型半导体是电子）e 将以平均速度v 沿与电流方向相反的方 向运动，在磁感应强度为 B 的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为 f B evB 方向沿Z 方向。在f B 的作用下，电荷将在元件沿Z 方向的两端面堆积形成电场 E H （见图2）， 它会对载流子产生一静电力 f E ，其大小为 f E eE H 方向与洛仑兹力 f B 相反，即它是阻止电荷继续堆积的。当 f B 和f E 达到静态平衡后，有 f B f E ，即evB eE H eU H /b ，于是电荷堆积的两端面（Z 方向）的电势差为 U H vbB 通过的电流I H 可表示为 I H nevbd 式中n 是电子浓度，得 n ebd 将式（5）代人式（4）可得 (4) 图1霍耳效应示意图 图2霍耳效应解释
实验五用霍耳元件测量磁场 一、实验目的 1．了解霍耳效应的产生机理。 2．掌握用霍耳元件测量磁场的基本方法。 二、实验仪器 霍尔效应实验仪。 三、实验原理 1、什么叫做霍耳效应？ 若将通有电流的导体置于磁场B之中，磁场B（沿z轴）垂直于电流I H（沿x轴）的方 向，如图1 U H，这个现象称 为霍耳效应。 图1 霍耳效应原理 这一效应对金属来说并不显著，但对半导体非常显著。霍耳效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导电类型，是研究半导体材料的重要手段。还可以用霍耳效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制、放大。用霍耳效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。（1）用什么原理来解释霍耳效应产生的机理？ 霍耳电势差是这样产生的：当电流I H通过霍耳元件（假设为P型）时，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁场对运动电荷产生一个洛沦兹力 ) (B v F? =q B（1）式中q为电子电荷。洛沦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作用力F E=q E与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止，即 E B v q q= ?) (（2）这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。
如果是N 型样品，则横向电场与前者相反，所以N 型样品和P 型样品的霍耳电势差有不同的符号，据此可以判断霍耳元件的导电类型。 （2）如何用霍耳效应侧磁场？ 设P 型样品的载流子浓度为p ，宽度为b ，厚度为d 。通过样品电流I H ＝pqvbd ，则空穴的速度v ＝I H ／pqvbd ，代入（2）式有 pqbd B I E H = ?=B v （3） 上式两边各乘以b ，便得到 d B I R pqd B I Eb U H H H H == = （4） pq R H 1= 称为霍耳系数。在应用中一般写成 U H ＝K H I H B . （5） 比例系数K H ＝R H ／d ＝1／pqd 称为霍耳元件灵敏度，单位为mV/(mA ·T)。一般要求K H 愈大愈好。K H 与载流子浓度p 成反比。半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍耳元件。K H 与片厚d 成反比，所以霍耳元件都做的很薄，一般只有0.2mm 厚。 由（5）式可以看出，知道了霍耳片的灵敏度K H ，只要分别测出霍耳电流I H 及霍耳电势差U H 就可算出磁场B 的大小。这就是霍耳效应测磁场的原理。 2、如何消除霍耳元件副效应的影响？ 在实际测量过程中，还会伴随一些热磁副效应，它使所测得的电压不只是U H ，还会附加另外一些电压，给测量带来误差。 这些热磁效应有埃廷斯豪森效应，是由于在霍耳片两端有温度差，从而产生温差电动势U E ，它与霍耳电流I H 、磁场B 方向有关；能斯特效应，是由于当热流通过霍耳片（如1，2端）在其两侧（3，4端）会有电动势U N 产生，只与磁场B 和热流有关；里吉-勒迪克效应，是当热流通过霍耳片时两侧会有温度差产生，从而又产生温差电动势U R ，它同样与磁场B 及热流有关。 除了这些热磁副效应外还有不等位电势差U 0，它是由于两侧（3，4端）的电极不在同一等势面上引起的，当霍耳电流通过1，2端时，即使不加磁场，3和4端也会有电势差U 0产生，其方向随电流I H 方向而改变。 因此，为了消除副效应的影响，在操作时我们要分别改变I H 的方向和B 的方向，记下四组电势差数据，作运算并取平均值： 由于U E 方向始终与U H 相同，所以换向法不能消除它，但一般U E <速度测量实验
霍尔测速实验 一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理：利用霍尔效应表达式U H = K H IB ，当被测圆盘上装上N 只磁性 体时，圆盘每转一周，磁场就变化N 次，霍尔电势相应变化N 次，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速（转速=60*频率/12） 三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、转速调节2-24V 、转动源单元、数显单元的转速显示部分。 四、实验步骤： 1、根据图5-4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面的磁 钢。 2、将直流源加于霍尔元件电源输入端。红（+）接+5V ，黑（┴）接地。 3、将霍尔转速传感器输出端（蓝）插入数显单元F in 端。 4、将转速调节中的2-24V 转速电源引到转动源的2-24V 插孔。 5、将数显单元上的转速/频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示转速。 6、调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。 五、思考题： 1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？ 2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢，二者有什么区别呢？ 图1霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图
实验三十一光纤传感器测速实验 一、实验目的：了解光纤位移传感器用于测量转速的方法。 二、基本原理：利用光纤位移传感器探头对旋转体被测物反射光的明显变化产生的电脉冲，经电路处理即可测量转速。 三、需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模块、转速/频率数显表、直流源±15V、转速调节2~24V，转动源模块。 四、实验步骤： 1、光纤传感器按图1装于传感器支架上，使光纤探头与电机转盘平台中磁钢反射点对准。 2、按“光纤位移特性实验”的连线图，如图2所示，将光纤传感器实验模 块输出V o1与数显电压表V i 端相接，接上实验模块上±15V电源，数显表的切换 开关选择开关拨到20V档。①用手转动圆盘，使探头避开反射面（暗电流），合 上主控箱电源开关，调节Rw 2使数显表显示接近零（≥0），此时Rw 1 处于中间位 置。②再用手转动圆盘，使光纤探头对准反射点，调节升降支架高低，使数显表 指示最大，重复①、②步骤，直至两者的电压差值最大，再将V o1 与转速/频率数显表fi输入端相接，数显表的波段开关拨到转速档。 图2光纤传感器位移实验模块 3、将转速调节2-24V，接入转动电源24V插孔上，使电机转动，逐渐加大转速源电压。使电机转速盘加快转动，固定某一转速，观察并记下数显表上的读 数n 1 。 4、固定转速电压不变，将选择开关拨到频率测量档，测量频率，记下频率 读数，根据转盘上的测速点数折算成转速值n 2 （转速和频率的折算关系为：转速=频率*60/12）。 5、将实验步骤4与实验步骤3比较，以转速n 1 作为真值计算两种方法的测
实验16用霍尔效应法测量磁场 在工业生产和科学研究中，经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量，被测磁场的范 围可从~10 15-3 10T （特斯拉），测量所用的原理涉及到电磁感应、磁光效应、热磁效应等。常用的磁场测量方法有核磁共振法、电磁感应法、霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉器件法等近十种。 一般地，霍尔效应法用于测量10~104 -T 的磁场。此法结构较简单，灵敏度高，探头体积小、测量方便、在霍尔器件的温度范围内有较好的稳定性。但霍尔电压和内阻存在一定的温度系数，并受输入电流的影响，所以测量精度较低。 用半导体材料制成的霍尔器件，在磁场作用下会出现显着的霍尔效应，可用来测量磁场、霍尔系数、判断半导体材料的导电类型（N 型或P 型）、确定载流子（作定向运动的带电粒子）浓度和迁移率等参数。如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面，如测量强电流、压力、转速等，在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更为广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对于日后的工作将有益处。 【实验目的】 1. 了解霍尔效应产生的机理。 2. 掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。 3. 学习消除伴随霍尔效应的几种副效应对测量结果影响的方法。 4. 研究通电长直螺线管内轴向磁场的分布。 【仪器用具】 TH-H/S 型霍尔效应/螺线管磁场测试仪、TH-S 型螺线管磁场实验仪。 【实验原理】 1. 霍尔效应产生的机理 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，载流体的两侧会产生一电位差，这个现象是美国霍普斯金大学二年级研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应，所产生的电位差称为霍尔电压。特别是在半导体样品中，霍尔效应更加明显。 霍尔电压从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子和空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的积累，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图1-1（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受到洛仑兹力大小为： evB F g =（1-1） 则在Y 方向，在试样A 、A '电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场——霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型，对N 型半导体试样，霍尔电场逆Y 方向，P 型半导体试样，霍尔电场则沿Y 方向，即有： 当S I 沿X 轴正向、B 沿Z 轴正向、H E 逆Y 正方向的试样是N 型半导体。
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当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。 霍尔传感器如何测转速_霍尔传感器测转速原理 霍尔传感器测转速方案 霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为： 霍尔传感器如何测转速_霍尔传感器测转速原理
用霍尔元件测磁场 前言： 霍耳效应是德国物理学家霍耳（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。 利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍耳器件，会有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。 教学目的： 1.了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。 2.掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。 3.学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。 教学重难点： 1. 霍尔效应 2. 霍尔片载流子类型判定。 实验原理 如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中， 其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、N通以直流电流I H，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。
假设霍尔片是由n 型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极M 、N 上通过的电流由M 极进入，N 极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流I S 的方向相反为v,运动的载流子在磁场B 中要受到洛仑兹力f B 的作用，f B =e v ×B ，电子在f B 的作用下，在由N →M 运动的过程中，同时要向S 极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P 极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差V H ，即霍尔电势差。薄片中电子在受到f B 作用的同时，要受到霍尔电压产生的霍尔电场E H 的作用。f H 的方向与f B 的方向正好相反，E H =V H /b , b 是上下侧面之间的距离即薄片的宽度，当f H +f B =0时，电子受力为零达到稳定状态，则有 –e E H +(–e v ×B)=0 E H = - v ×B 因 v 垂直B ，故 E H =v B （v 是载流子的平均速度） 霍尔电压为 V H = b E H = b v B 。 设薄片中电子浓度为n ，则 I S =nedb v , v =I S /nedb 。 V H = I S B/ned =K H I S B 式中比例系数K H = 1/ned ，称为霍尔元件的灵敏度。 将V H =K H I S B 改写得 B = V H / K H I S 如果我们知道了霍尔电流I H ，霍尔电压V H 的大小和霍尔元件的灵敏度K H ，我们就可以算出磁感应强度B 。 实际测量时所测得的电压不只是V H ，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测量时可用改变I S 和B 的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的I S 和B 为正，当改变它们的方向时为负，保持I S 、B 的数值不变，取（I S+，B +）、（I S-、B +）、（I S+、B -）、（I S-，B -）四种条件进行测量，测量结果分别为： V 1= V H +V 0+V E +V N +V RL V 2=-V H -V 0-V E +V N +V RL V 3=-V H +V 0-V E -V N -V RL V 4=V H -V 0+V E -V N -V RL 从上述结果中消去V 0，V N 和V RL ，得到 V H = 4 1 （V 1-V 2-V 3+V 4）-V E