基于LabVIEW的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)*

張 研，王淑媛，周文斌，孫科學(xué),2

(1. 南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023)

基于LabVIEW的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)*

張 研1，王淑媛1，周文斌1，孫科學(xué)1,2

(1. 南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，位移測量器的作用日益凸顯，傳統(tǒng)的設(shè)備往往難以滿足現(xiàn)代設(shè)備對其體積精度等各方面的高要求。設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)。首先通過分析霍爾傳感器的輸出特性得到其輸出電壓與外部位移的關(guān)系，再利用外圍硬件電路對采集到的輸出電壓進(jìn)行放大并濾波，進(jìn)而根據(jù)實(shí)測傳感器的輸出電壓計(jì)算得出實(shí)際的位移值，最后在Multisim中利用壓控電壓源建立霍爾傳感器模型，并利用LabVIEW與Multisim的聯(lián)合仿真處理來自傳感器的輸出數(shù)據(jù)。最終結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效顯示位移并依據(jù)設(shè)定的限值適時(shí)報(bào)警。

位移測量；霍爾傳感器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；LabVIEW

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，位移測量器被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。例如在氣體制冷機(jī)的工作過程中，對壓縮活塞及排出器的控制以及位移測量是十分重要的環(huán)節(jié)，其會直接影響到制冷機(jī)的性能。相比于傳統(tǒng)的電感式位移傳感器，新型的霍爾位移傳感器有體積小、重量輕、安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是用于微型分置式制冷機(jī)上的較理想的傳感器[1]。所以，設(shè)計(jì)一種可以對位移進(jìn)行快速自動(dòng)采集的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，LabVIEW在測試測量以及數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域受到日益廣泛的應(yīng)用，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，使用LabVIEW可以非常便捷地控制這些硬件設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)。首先通過數(shù)學(xué)擬合研究霍爾傳感器的輸出特性，然后利用外圍硬件電路對傳感器的輸出電壓進(jìn)行采集放大與濾波，再根據(jù)之前得到的數(shù)學(xué)關(guān)系處理實(shí)際采集到的電壓數(shù)據(jù)，最后在LabVIEW前面板顯示測量結(jié)果并根據(jù)用戶設(shè)定適時(shí)報(bào)警。

1 位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器。當(dāng)一塊通電半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場中時(shí)，由于霍爾效應(yīng)的作用，薄片兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。

如圖1所示，當(dāng)外界施加X軸方向的電流以及Z方向的磁場，則會產(chǎn)生一個(gè)Y方向的感應(yīng)電動(dòng)勢VH。這種現(xiàn)象即被稱為霍爾效應(yīng)[2-3]。用公式表示如下：

VH=ISKB

(1)

其中，VH為霍爾電壓；K為靈敏度系數(shù)。

圖1 霍爾效應(yīng)原理圖

因此，可以通過實(shí)驗(yàn)研究霍爾傳感器的輸出特性，得出霍爾電壓與外部位移的關(guān)系。然后通過測量霍爾傳感器的輸出電壓進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際的外部位移。圖2為霍爾傳感器的輸出特性。

圖2 霍爾傳感器的輸出特性

由圖2可見，在X處于(-0.6 mm～0.6 mm)之間時(shí)，電壓與位移的關(guān)系基本為線性，故當(dāng)該傳感器工作在這一線性區(qū)域時(shí)較適合用于距離的測量[4]。通過使用MATLAB對上述圖像進(jìn)行擬合，可得出電壓與位移的關(guān)系式：

UH≈0.154X

(2)

所以，只要實(shí)測出產(chǎn)生的霍爾電壓值，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，就能夠得出相應(yīng)的位移值。

2 測量系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該位移測量系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖3所示。硬件部分主要由霍爾位移傳感器以及外圍電路組成。霍爾傳感器用于根據(jù)外部位移產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電壓，然后由外圍電路將輸入的霍爾電壓放大并去除噪聲，以供采集[5]。最后將得到的結(jié)果送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)傳感器的輸出特性計(jì)算出產(chǎn)生的位移，并在軟件界面顯示結(jié)果。

圖3 位移測量系統(tǒng)框圖

2.1輸出電壓與外部位移的關(guān)系求解

為了精確求得經(jīng)外圍電路放大以及濾波電路處理后的輸出電壓與外部實(shí)際位移的數(shù)學(xué)關(guān)系，使用電路仿真軟件Multisim對該電路進(jìn)行仿真。

Multisim是美國國家儀器(NI)公司推出的電路仿真工具，可提供4 000～17 000個(gè)電路元器件，除虛擬元件外基本采用實(shí)際參數(shù)模型，所實(shí)現(xiàn)的仿真具有很強(qiáng)的真實(shí)性[6-7]。同時(shí)，該軟件還具備強(qiáng)大的電路分析功能和豐富的測試儀器，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于分析電路參數(shù)以及驗(yàn)證電路功能等多個(gè)方面。

由于在Multisim仿真軟件中并沒有霍爾傳感器，也無法產(chǎn)生位移，故需要根據(jù)霍爾傳感器的特性用其他可用元件進(jìn)行模擬替代。又由于在(-0.6 mm～0.6 mm)之間，電壓與位移的關(guān)系基本為線性，所以采用壓控電壓源模擬霍爾位移傳感器。壓控電壓源的系數(shù)根據(jù)式(2)確定，其輸入電壓即代表等量的外部位移。

2.2 外圍硬件電路設(shè)計(jì)

由傳感器輸出特性可見，當(dāng)外部產(chǎn)生一定位移時(shí)，相應(yīng)的霍爾電勢比較小，所以在實(shí)際使用中需要對其放大以便采集。為了避免外部噪聲對輸入小信號的影響，采用差分放大電路，并在輸入端放置低通濾波器濾除高頻分量。最終，整體硬件電路如圖4所示。

圖4 整體硬件電路

通過對整體電路進(jìn)行軟件仿真，得出不同外部位移所對應(yīng)的輸出電壓，如表1所示。

表1 外部位移與輸出電壓

經(jīng)MATLAB擬合后得出：

U0=-0.765X+0.172 4

根據(jù)上式可得：

(3)

2.3LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

LabVIEW 是目前世界上發(fā)展速度最快、功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件開發(fā)集成系統(tǒng)[8]。它提供了全面的庫函數(shù)和圖形界面組件，包含許多可見的儀器控制面板所需的控制對象，例如示波器、儀表、按扭等[9]，為用戶設(shè)計(jì)各種專業(yè)軟件提供了極大的便利，其在數(shù)據(jù)采集與分析等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)關(guān)系式(1)，在LabVIEW中針對外圍硬件電路的輸出電壓設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集及處理程序。程序框圖界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW程序框圖

除了利用LabVIEW對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理并輸出結(jié)果外，還可以設(shè)定臨界位移值，并在超出該臨界值時(shí)在前面板界面發(fā)出警報(bào)。

3 測量系統(tǒng)聯(lián)合驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成后，利用Multisim和LabVIEW進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。首先，在Multisim中添加交互接口，用來與LabVIEW仿真引擎之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[10]。然后在LabVIEW中添加Halt Simulation按鈕控制仿真的開始與結(jié)束，并將Multisim電路導(dǎo)入到LabVIEW中，使用LabVIEW采集并處理來自Multisim的仿真數(shù)據(jù)。LabVIEW前面板所顯示的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 LabVIEW前面板

當(dāng)外部位移為0.43時(shí)，測量系統(tǒng)輸出為0.44，誤差非常小。可見，仿真所得的測量位移與外部輸入的實(shí)際位移

基本吻合。同時(shí)，通過開關(guān)按鈕可以靈活地控制仿真的開始與結(jié)束。在實(shí)際輸入位移超出設(shè)定的臨界值時(shí)，警報(bào)燈及時(shí)點(diǎn)亮。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)。通過研究傳感器的輸出特性得出其輸出電壓與位移的關(guān)系，并據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的外部位移。最后通過軟件仿真的方式加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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A design of hall sensor displacement measurement system based on LabVIEW

Zhang Yan1, Wang Shuyuan1, Zhou Wenbin1, Sun Kexue1,2

(1. School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023,China;2. Jiangsu Province Engineering Lab of RF integration & Micropackage, Nanjing 210023, China)

In modern industrial production equipment, the role of displacement measurement device is becoming more and more prominent, the traditional equipment is often difficult to meet the requirements of modern equipment on its volume accuracy and other aspects. In this paper, a displacement measurement system based on LabVIEW for Holzer sensor is introduced. Firstly, through the analysis of output characteristics of Holzer sensor, the ralationship between the output voltage and the external displacement is obtained. Secondly, using the peripheral hardware circuit to amplify and filter the output voltage collected, it have been drawn the displacement calculation according to the measured value of the sensor’s output voltage. Finally, using voltage controlled voltage source in Multisim, Holzer sensor model is established. And using the combined simulation of LabVIEW and Multisim to process the output data from sensors. The results show that the system can display displacement effectively and timely alarm according to the set limit.

displacement measurement; Holzer sensor; system design; LabVIEW

TP337

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.024

張研，王淑媛，周文斌，等.基于LabVIEW的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：84-86.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271334)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJD510001)；南京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作研究重點(diǎn)課題(2016XSG02)

2017-03-15)

張研(1996-)，男，本科生，主要研究方向:電子電路設(shè)計(jì)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。