利用霍尔元件测定转速||实验研究
利用霍尔元件测定转速
浙江省杭州第九中学
摘 要: 文中从霍尔元件及其模块电路的功能出发, 分析测定转速的原理, 并用于实验进行电动机转速的测定。
关键词: 霍尔元件; 实验原理; 测定转速;
在一个矩形截面的导体中通有直流电流, 当外加磁场的方向与电流垂直时, 在导体上与电流和磁场都垂直的方向上将出现电势差。这个现象称为霍尔效应, 所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。霍尔元件是重要的磁传感器, 可用于磁场探测, 也可用于与磁场有关的多种自动控制系统中。霍尔元件因其结构牢固, 体积小, 重量轻, 寿命长, 安装方便, 开关无触点, 输出波形清晰等, 有着广泛的应用。下面介绍一个利用霍尔元件测定转速的实验。
一、实验材料
霍尔元件及其模块电路 (云辉YS-27霍尔传感器模块) 1套;学生电源1只;电压传感器及手提电脑1套;直流电动机1只;滑动变阻器1只;铁架台及支架;开关及导线等。
二、测定转速的原理分析
把霍尔元件及其模块电路连入5V左右的直流电路, 同时, 在它的输出端接电压传感器并连接电脑。
当磁铁靠近霍尔元件时, 输出端有电压输出, 同时输出指示灯亮起, 如图1a所示。当磁铁远离霍尔元件时, 输出端无电压输出, 输出指示灯也不亮, 如图1b所示。
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图1
把霍尔元件及其模块电路的输出端连入电压传感器, 并与电脑连接, 用手控制磁铁, 靠近霍尔元件再远离霍尔元件, 再靠近再远离, 反复进行多次, 并把电压信号存储在电脑中, 可得到如图2所示的电压输出。
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图2
如果在电动机的转动轴上安装一个磁铁, 让电动机带动磁铁转动, 周期性经过霍尔元件附近, 测得在电脑中存储的霍尔电压信号的周期, 就应是电动机转动的周期, 从而可以计算电动机的转速。
三、测定电动机的转速
在电动机的转动轴上安装一个偏心轮, 在偏心轮上用透明胶带固定一个圆柱形强磁铁, 如图3所示。
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图3
把电动机和滑动变阻器串联接入学生电源 (直流5V左右) , 再把霍尔元件及其模块电路接入电源, 并把霍尔电压的输出端通过电压传感器接入电脑, 实验装置如图4所示 (因转动的原因, 偏心轮及其带动的磁铁从图中看不清楚) 。
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图4
调节滑动变阻器的滑动触头, 使电动机的转速得以调节。当偏心轮上的磁铁靠近霍尔元件时, 霍尔传感器模块有电压输出, 如图5甲所示, 电源指示灯 (右侧发光灯) 和霍尔电压输出指示灯 (左侧发光灯) 同时发光。当偏心轮顺时针转动, 磁铁逐渐离开或者没有接近霍尔元件, 如图5乙、丙所示, 霍尔传感器模块这时无霍尔电压输出, 电源指示灯 (右侧发光灯) 正常发光, 但是霍尔电压输出指示灯 (左侧指示灯) 却不发光。
当偏心轮如此不停地转动下去, 霍尔电压输出指示灯便会时亮时灭, 同时用电压传感器检测到的电压输出情况, 如图6所示。
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图5
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图6
把图6放大至图7所示。由图7可知, 在14s内电动机转动了21圈, 则转速N1=21/14=1.5转/s=90转/min。
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图7
改变电动机的转速, 可得到如图8所示的霍尔电压的输出情况。由图8可知, 在9.9s内电动机转动了约53圈, 则转速N2=53/9.9=5.35转/s=321.2转/min。
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图8
四、实际应用
转速的测定本是一件相对不易做的事情, 通过霍尔元件却变得相对容易了。学生会感到很神奇。当然, 其中最为神奇的是霍尔元件与被测的电动机根本就没有任何接触, 它却能够测定其转速了。这就是科学的力量!
现代汽车、电动自行车、山地自行车的速度表的工作过程与上述实验原理其实是相同的, 它们都是通过霍尔元件在无任何电路接触的情况下, 把转动信号转化为电信号, 再进一步转化为速度和里程的数字信号或刻度信号, 给使用者带来方便。图9即为某自行车速度计和里程计, 其传感探头也是一个霍尔元件。通过安装在自行车辐条上的小磁块工作, 每转动一圈小磁块便会触发霍尔元件产生一个电压脉冲, 里程计的数字就会增加一个车轮的周长, 根据计时器的数据就会自动生成自行车的速度数据。
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图9
文章来源于《教育与装备研究》2017年2期