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,2

(1. 南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,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1,2

(1. 南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室,江蘇 南京 210023)

在現(xiàn)代工業(yè)生產設備中，位移測量器的作用日益凸顯，傳統(tǒng)的設備往往難以滿足現(xiàn)代設備對其體積精度等各方面的高要求。設計了一種基于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系，再利用外圍硬件電路對采集到的輸出電壓進行放大并濾波，進而根據(jù)實測傳感器的輸出電壓計算得出實際的位移值，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)。最終結果表明該系統(tǒng)能有效顯示位移并依據(jù)設定的限值適時報警。

位移測量；霍爾傳感器；系統(tǒng)設計；LabVIEW

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產中，位移測量器被廣泛應用于多個領域。例如在氣體制冷機的工作過程中，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，是用于微型分置式制冷機上的較理想的傳感器[1]。所以，設計一種可以對位移進行快速自動采集的霍爾傳感器位移測量系統(tǒng)有著廣泛的實際應用價值。

目前，LabVIEW在測試測量以及數(shù)據(jù)處理等領域受到日益廣泛的應用，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設備都擁有專門的LabVIEW驅動程序，使用LabVIEW可以非常便捷地控制這些硬件設備。本文設計了一種基于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行采集放大與濾波，再根據(jù)之前得到的數(shù)學關系處理實際采集到的電壓數(shù)據(jù)，最后在LabVIEW前面板顯示測量結果并根據(jù)用戶設定適時報警。

1 位移測量系統(tǒng)設計原理

霍爾傳感器是一種基于霍爾效應的傳感器。當一塊通電半導體薄片垂直置于磁場中時，由于霍爾效應的作用，薄片兩側會產生感應電勢。

如圖1所示，當外界施加X軸方向的電流以及Z方向的磁場，則會產生一個Y方向的感應電動勢VH。這種現(xiàn)象即被稱為霍爾效應[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 霍爾效應原理圖

因此，可以通過實驗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系。然后通過測量霍爾傳感器的輸出電壓進而計算出實際的外部位移。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，電壓與位移的關系基本為線性，故當該傳感器工作在這一線性區(qū)域時較適合用于距離的測量[4]。通過使用MATLAB對上述圖像進行擬合，可得出電壓與位移的關系式：

UH≈0.154X

(2)

所以，只要實測出產生的霍爾電壓值，再經過相應的數(shù)據(jù)處理，就能夠得出相應的位移值。

2 測量系統(tǒng)整體設計

該位移測量系統(tǒng)的整體構架如圖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?；魻杺鞲衅饔糜诟鶕?jù)外部位移產生相應的霍爾電壓，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]。最后將得到的結果送入計算機，根據(jù)傳感器的輸出特性計算出產生的位移，并在軟件界面顯示結果。

圖3 位移測量系統(tǒng)框圖

2.1輸出電壓與外部位移的關系求解

為了精確求得經外圍電路放大以及濾波電路處理后的輸出電壓與外部實際位移的數(shù)學關系，使用電路仿真軟件Multisim對該電路進行仿真。

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個電路元器件，除虛擬元件外基本采用實際參數(shù)模型，所實現(xiàn)的仿真具有很強的真實性[6-7]。同時，該軟件還具備強大的電路分析功能和豐富的測試儀器，現(xiàn)已被廣泛應用于分析電路參數(shù)以及驗證電路功能等多個方面。

由于在Multisim仿真軟件中并沒有霍爾傳感器，也無法產生位移，故需要根據(jù)霍爾傳感器的特性用其他可用元件進行模擬替代。又由于在(-0.6 mm～0.6 mm)之間，電壓與位移的關系基本為線性，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 外圍硬件電路設計

由傳感器輸出特性可見，當外部產生一定位移時，相應的霍爾電勢比較小，所以在實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

通過對整體電路進行軟件仿真，得出不同外部位移所對應的輸出電壓，如表1所示。

表1 外部位移與輸出電壓

經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)采集程序設計

LabVIEW 是目前世界上發(fā)展速度最快、功能最強大、應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]，為用戶設計各種專業(yè)軟件提供了極大的便利，其在數(shù)據(jù)采集與分析等多個領域都有著廣闊的應用前景。

根據(jù)關系式(1)，在LabVIEW中針對外圍硬件電路的輸出電壓設計數(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)進行數(shù)學處理并輸出結果外，還可以設定臨界位移值，并在超出該臨界值時在前面板界面發(fā)出警報。

3 測量系統(tǒng)聯(lián)合驗證

設計完成后，利用Multisim和LabVIEW進行聯(lián)合仿真，驗證該系統(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束，并將Multisim電路導入到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果如圖6所示。

圖6 LabVIEW前面板

當外部位移為0.43時，測量系統(tǒng)輸出為0.44，誤差非常小?？梢?，仿真所得的測量位移與外部輸入的實際位移

基本吻合。同時，通過開關按鈕可以靈活地控制仿真的開始與結束。在實際輸入位移超出設定的臨界值時，警報燈及時點亮。

4 結束語

本文設計了一種基于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系，并據(jù)此計算出相應的外部位移。最后通過軟件仿真的方式加以驗證。實驗結果表明該系統(tǒng)基本能夠實現(xiàn)預期的功能，具有較強的實用性。

[1] 鄭正泉.用于微型制冷機的霍爾位移傳感器的輸出特性及其非線性擬合[J]. 低溫工程, 1993(4): 35-37.

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[3] 匡付華.霍爾傳感器A3144在精確位移測量中的應用[J]. 自動化儀表, 2005,26(10): 40-41.

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[8] 薛勤.基于LabVIEW的電子變壓器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]. 微型機與應用, 2013,32(3): 64-67.

[9] 高宇飛，牟海維，張勇，等.基于Multisim和LabVIEW的虛擬電子稱[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2013, 36(10):119-121.

[10] 周潤景.Multisim和LabVIEW電路與虛擬儀器設計技術(第2版)[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2014.

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].微型機與應用，2017,36(19)：84-86.

國家自然科學基金資助項目(61271334)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJD510001)；南京郵電大學實驗室工作研究重點課題(2016XSG02)

2017-03-15)

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