转速霍尔效应

2024-12-31

转速霍尔效应（精选4篇）

转速霍尔效应篇1

摘要：本文重点阐述的是美国ELECTRO-SENSORS公司生产的基于霍尔效应的转速传感器在核电厂汽动泵超速控制系统中的应用, 其中包括霍尔传感器的测量原理、转速探头安装注意事项、使用说明等具体内容。通过本文的介绍, 让更多的核电仪控工作者了解到霍尔传感器在核电厂仪控系统的应用。

关键词：仪控系统,转速霍尔效应,仪控汽动泵,核电厂

秦山第二核电厂总共有4 台650MW的压水堆机组, 每台机组的蒸发器辅助给水系统由两台电动和汽动辅助给水泵及其相应的管道和阀门组成, 其中每台汽动泵的超速控制系统主要由转速探头和机柜组成。汽动泵转速探头采用的美国ELECTRO-SENSORS公司生产的基于霍尔效应的转速传感器, 本文将分别阐述该转速传感器的测量原理、安装方式以及使用方法, 为霍尔传感器在电厂的推广使用做借鉴。

1 霍尔传感器的测量原理及其应用

1.1 霍尔效应的基本原理

置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称为霍尔效应。该电动势称为霍尔电势。

1.2 霍尔元件的材料和结构

霍尔元件的输出与灵敏度有关, 灵敏度系数越大, 输出就越大。灵敏度系数的大小, 取决于元件的材料性质和几何尺寸。

霍尔元件常用的半导体材料有N型硅、N型锗、锑化铟等。其中N型锗容易加工, 其霍尔系数, 温度性能, 输出线性都较好, 应用非常普遍。

霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片, 四根引线和壳体组成。霍尔片是矩形半导体单晶片。元件的长度方向的两个端面上焊有a、b两根控制电流端引线。

2 霍尔转速传感器在核电厂的应用

2.1 1101型转速探头的应用原理

秦山二厂汽动泵超速控制系统的转速探头是霍尔传感器在转速测量中的典型应用。

Electro-Sensor公司设计的1101 型霍尔效应转速探头与能提供交替极性靶磁体的脉冲发生器一起使用, 其中脉冲发生器固定安装在汽动泵的一个转动轴上面, 当脉冲发生盘跟随汽动泵在转速探头前转动时, 脉冲发生盘会产生一个交替变化的磁场, 在霍尔效应的作用下, 转速探头内部的霍尔元件会有相应的感应电压产生, 电压的变化与磁场的变化相关, 继而推动探头的一个NPN集电极输出一个占空比为50% 的方波频率信号, 该频率信号与泵的转速成正比, 输出频率信号的峰值电压为7.45VAC左右。

2.2 1101型转速探头安装和使用方法

标准的转速探头上面配备一个安装架和两只防松螺母. 安装传感器时, 应在脉冲发生盘转动时使磁体中心线在转速探头中心的前面通过。当使用脉冲发生盘时, 脉冲发生盘的磁化区中心距离脉冲发生盘的中心孔应为7 / 4英寸 ( 约44mm) , 如图1 中的尺寸B所示。转速探头和脉冲发生盘之间的间隙应为1 / 4±1/ 8 英寸 ( 约3.18-9.52mm) , 如图1 中的尺寸A所示. 通过调整转速探头固定在安装架上面的一颗防松螺母可获得正确的间距。

探头的工作电压为5-25Vdc, 现场的提供给探头的工作电压是15Vdc, 由控制柜内部的转速处理装置 (DSP) 提供, 探头NPN集电极输出端的接线总共有四根线, 分别是红色电源线、透明色的信号线、黑色的地线以及一根屏蔽线。在电源线和信号线之间设计了一个2.2KΩ的上拉电阻, 如下图2所示。拆装接线时特别要注意的是, 一定要防止电源线和信号线出现短路的现象, 一旦短路的话, 探头很容易烧毁。因此, 在拆接线时最好能够把电源断电, 在接线完成后上电之前要再次确认接线方式正确。

2.3 1101型转速探头的校验

1101 型转速探头是汽动泵超速保护系统的测量元件, 探头的信号送到后端的转速处理装置进行转换并在就地和主控进行显示, 因此转速探头的好坏直接影响到超速保护系统能否正常发挥作用的基础, 转速探头的校验工作就是用来检查探头的性能是否正常以保证在下面运行周期内能正常工作。

3 结语

1101 型霍尔转速探头自现场投运以来, 性能稳定, 运行状态良好, 仪控人员通过日常的维护和系统的学习很好的掌握了霍尔传感器的使用, 为日后的同行交流奠定基础。

参考文献

[1]祝诗平, 李鸿征, 朱杰斌.传感器与检测技术[M].北京:中国林业出版社-北京大学出版社, 2006:137.

[2]施湧潮, 梁福平, 朱春晖.传感器检测技术[M].北京:国防工业出版社, 2003:110.

转速霍尔效应篇2

摩擦系数是评价机场道面质量,决定飞机能否起降并影响飞机起降安全的重要性能参数,特别是在雨雪天气条件下,足够的道面摩擦系数是机场安全运行的重要保障,而测量道面摩擦系数的专用设备——摩擦系数测试车是测量过程中不可或缺的关键设备。机场跑道摩擦系数测量值与测量轮和跑道之间的相对滑动速度有关,并且随道面条件而变化。随测量速度(滑动速度)的变化,所测量的摩擦系数将发生变化,并造成测量误差,如图1所示[1]。因此在机场跑道摩擦系数测量过程中,应尽量保持车辆行驶速度与国际标准规定的测量速度一致,为确保摩擦系数测量的可比对性,国际民航组织(ICAO)根据瑞典航空公司利用飞机着陆试验测得的曲线在《国际民用航空公约》附件上建议对于跑道摩擦系数的测量速度定为96 km/h(出于安全方面的考虑,冰雪道面的测量速度一般取为60 km/h),在规定的滑溜比下(12%),保证测量轮具有固定的滑移速度。但由于实际测量中受测量人员及道面条件的影响,很难保证测量速度的一致性和稳定性,并进而影响摩擦系数的测试精度,因此需要对测量速度进行精确计量以补偿由于速度波动所产生的摩擦系数测量误差。

目前,国内外机场跑道摩擦系数测试车的速度测试主要是利用固定在后桥上的霍尔转速传感器测量后轮的转动速度来得到车辆的行驶速度(测量速度),并进而获得测量轮的滑移速度(定滑溜比)。由于路面平整度,轮胎的滑移和轮胎的胎压变化等,势必造成速度测量的误差,并进而影响机场跑道摩擦系数的测试精度[2]。

针对上述缺陷,我们提出了基于GPS和霍尔转速传感器融合的摩擦系数测试车速度测量方案,它充分利用了GPS相对定位精度高和霍尔转速传感器响应速度快的优点,结合卡尔曼滤波方法,实现摩擦系数测试车行驶速度的精确测量和瞬时波动的精确估计,并实时对摩擦系数进行修正。

1 系统总体方案

基于GPS信号和霍尔传感器的速度采集,GPS接收机捕获、跟踪卫星,接收、放大、解调GPS信号,获得位置、速度、时间等数据,并根据RS-232串行通信协议传给计算机。计算机定时对霍尔传感器采样,二者测量所得的数据在计算机中经过相关算法转换得到速度信息[3~6]。

由于GPS的测量周期与霍尔传感器的测量周期不一样,因此需要解决二者信息的同步问题。以GPS信号产生的时刻为起点,精确定时对传感器采样。GPS接收机产生速度信息时会发出一个脉冲,将此脉冲接入计算机的外部中断,解决初始速度与霍尔传感器速度同步的问题。

传送至计算机的GPS和霍尔传感器信号需经过数据融合才能转换为速度信息。本设计采取卡尔曼滤波算法进行处理,首先是将霍尔传感器得到角速度信息(通过轮胎半径能够得到速度信息)进行卡尔曼滤波,然后把滤波的结果与前一时刻的优化值组合,利用GPS的测量信息再一次滤波,得到此时刻的准确速度值。

2 GPS/霍尔转速传感器数学模型

2.1 状态方程

由于GPS的信息一般在地理坐标系上,设摩擦车在地理坐标系下东向位置xe,北向位置xn,东向速度ve,北向速度vn,东向加速度ae,北向加速an度为状态向量。GPS/霍尔转速传感器组合系统k时刻状态方程为:

其中,是状态向量,X(k|k-1)是利用上k-1状态时刻预测的结果,A是系统参数矩阵,

2.2 霍尔传感器观测方程

霍尔传感器测得的是后轴的角速度wk,观测方程为:

式中,U(k)为测量误差,R为轮胎半径。由于(2)是非线性方程,利用文献[4]的广义卡曼滤波方法把(2)线性化,即将Z1(k)在X(k-1)处用泰勒级数展开,只保留一阶项,得到:

其中,

2.3 GPS的观测方程

GPS接收机输出两个方向的速度信息为vGPSe(k),vGPSn(k),GPS的观测方程为:

3 GPS/霍尔转速传感器滤波方法

首先利用EKF(扩展卡曼滤波器)对霍尔传感器得来的速度信息进行滤波,得到摩擦车的状态估计结果,然后利用霍尔传感器提供的时刻的角速度值和GPS/霍尔转速传感器组合系统在k-1时刻的速度值来预测时刻摩擦车的速度,再和GPS的观测数据进行滤波,得到最终的状态估计结果。

3.1 霍尔传感器信息滤波估计

时间更新方程(预测)

测量更新方程(校正)

式中,I是6X6单位矩阵,Q(k-1)是k-1时刻系统噪声协方差矩阵,R1是霍尔传感器测量噪声协方差矩阵。

3.2 GPS系统滤波估计

当对霍尔传感器滤波结束后,把其滤波结果XHR(k)与GPS/霍尔传感器组合系统在k-1时刻的值X(k-1)对GPS的状态参数进行预测。

时间更新方程(预测)

其中:

是新的滤波系统参数矩阵,

PHR(k)|2,2表示PHR(k)矩阵的第(2,2)位置的元素,其它一样。

测量更新方程(校正):

R2为GPS测量噪声系统误差协方差矩阵。

这里注意当k时刻GPS的采样值与传感器不同步时,即k时刻GPS无信号值时,公式(7)的结果就成为整个系统融合的值,不需要GPS的测量更新步骤。流程如图3所示。

4 仿真和分析

为确保摩擦系数测量的可比对性,国际民航组织(ICAO)根据瑞典航空公司利用飞机着陆试验测得的曲线在《国际民用航空公约》附件上建议对于跑道摩擦系数的测量速度定为96 Km/h(出于安全方面的考虑,冰雪道面的测量速度一般取为60 Km/h),在规定的滑溜比下(12%),保证测量轮具有固定的滑移速度。这里取测量的初始速度为96 Km/h。假设摩擦车以初始速度96 Km/h沿45度航向角直线运动,测试距离1900km,初始速度为0,仿真结果如图4所示。

图4显示了霍尔传感器和GPS的测量速度以及通过融合滤波后的速度相对于测量距离的曲线,从图中看出,融合后的速度曲线比单纯用GPS和传感器的测量曲线更加平稳。通过计算,传感器直接测得的速度的标准方差为4.2660,滤波后的标准方差为1.0177,说明了该滤波方法能够有效地减小摩擦车速度的误差,从而精确确定摩擦车的速度,再根据图1所示摩擦系数与速度的关系曲线,将所测的摩擦系数换算成96km/h下的摩擦系数,从而获得精确的摩擦系数,并且使得多次测量具有很好的重复性和一致性。

5 结论

本文针对影响摩擦系数测试精度和稳定性的关键因素之一的摩擦系数测试车速度测量和补偿方法进行研究,采用霍尔转速传感器和GPS传感器融合及卡尔曼滤波方法,充分利用了霍尔传感器的快速响应特性和GPS的相对定位精度优势,克服了传统摩擦系数测试车速度测量的稳定性和累积误差缺陷,实现高精度的速度测量和摩擦系数补偿。仿真结果显示了方法的可靠性和有效性。

摘要：机场跑道摩擦系数测试车作为跑道摩擦系数测试的关键设备,其测试精度的高低直接影响着飞机起降的安全性。本论文针对影响摩擦系数测试精度和稳定性关键因素之一的摩擦系数测试车速度测量和补偿方法进行研究,采用霍尔转速传感器和GPS传感器融合及卡尔曼滤波方法,充分利用了霍尔传感器的快速响应特性和GPS的相对定位精度优势,克服了传统摩擦系数测试车速度测量的稳定性和累积误差缺陷,实现高精度的速度测量和摩擦系数补偿。仿真结果显示了方法的可靠性和有效性。

关键词：跑道摩擦系数测试车,霍尔传感器,GPS,卡尔曼滤波,数据融合

参考文献

[1]Transportation Development Centre,Transport Canada.Friction Fundamentals,Concepts and Methodology[R].Transpor-tation Development Centre,Transport Canada,TP 13837E,1999

[2]王立文,田静,黄金明.跑道摩擦系数测试方法研究[J].中国民航学院学报,2006,24.

[3]J.-O.Hahn,Rajesh Rajamani,and Lee Alexander,“GPS-Based Real-Time Identification of Tire-Road Friction Coefficient,”IEEE Transactions on Control Systems Technology,2002,10(3).

[4]马平,吕锋,等.多传感器信息融合基本原理及应用[J].控制工程,2006,13(1):48-53.

[5]陆晶晶,张为公,周耀群.基于GPS和加速度计的车速测量系统的开发与研制[J].测控技术,2007,26(8).

有关霍尔效应的几个问题篇3

一、什么是霍尔效应

对什么是霍尔效应, 教材中有两处叙述:

1.1879年, 美国物理学家E.H.霍尔观察到, 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体, 当磁场方向与电流方向垂直时, 导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差, 后来, 大家就把这个现象称为霍尔效应。 (人教版高中物理, 第三版, 下同。选修3-1, 第103页)

2. 在一个很小的矩形半导体 (例如砷化铟) 薄片上, 制作四个电极E、F、M、N, 它就构成了一个霍尔元件。在E、F间通入恒定的电流I, 同时外加与薄片垂直的磁场B, 则薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下, 向着与电流和磁场都垂直的方向漂移, 使M、N间出现了电压, 称为霍尔电压。 (选修3-2, 第55页)

在教学中就有学生提到:霍尔元件的材料到底是导体还是半导体呢?下面, 我们推导霍尔电压公式后再来解释这问题。

二、霍尔电压公式的推导

在霍尔效应中产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。

如右图所示, 设宽度MN间距离为b, 厚度为d。形成电流的载流子在洛伦兹力的作用下发生侧移, 在两个侧面M和N上聚积电性相反的载流子, 产生电场 (类似于平行板电容器两极板间的电场) , 载流子又受到电场力的作用。当达到稳定状态时, 洛仑兹力与电场力平衡。

其中v是载流子的运动速率, 是微观量, 不易测量, 可以用电流的微观定义式代换。

(2) 式中的S是与电流方向垂直的横截面积。则

将 (2) 、 (3) 两式代入 (1) 得到

三、霍尔元件是金属导体材料还是半导体材料

霍尔电压公式中的霍尔系数, 其中q为载流子 (自由移动的电荷) 的电量, n为霍尔元件材料的单位体积中载流子数目, 也称为载流子密度。k值越大, 灵敏度就越高;一般金属中载流子密度很大, 所以金属材料的霍尔系数很小, 霍尔效应不明显;而半导体中的载流子的密度比金属要小得多, 所以半导体的霍尔系数比金属大得多, 能产生较大的霍尔电压, 故霍尔元件大多数不用金属材料而是用半导体材料!

四、霍尔元件的体积也可以很小吗

在选修3-1第二章第六节《导体的电阻》一节中有一思考与讨论:材料相同、厚度相同、表面为正方形的两个导体的电阻相同, 暗示我们, 这对电路的微型化有很重要的意义。

讲到霍尔元件时, 学生受到上面这个知识的影响会提出, 根据 (5) 式可知:厚度d相同的霍尔元件, 在材料、电流和磁场相同时得到霍尔电压UH相同, 这不是同上面的问题一样吗?事实上确实如此, 霍尔元件制作也可以制作得很小, 这样不仅可以节省材料, 还利于微型化。

五、霍尔元件两极的电势高低怎么确定

在确定图中NM两极电势高低时, 学生往往设霍尔材料中的载流子为正电荷, 得出的结论是;设霍尔材料中的载流子为负电荷, 则。这样得出了相反的结论。这是为什么?难道我们学的知识出了问题了吗?

学生从初中就开始接受:电流的方向跟正电荷的运动方向相同, 跟负电荷的方向相反。因此, 在电流方向确定的情况下, 可以随意地设载流子为正电荷或负电荷。在高中物理选修教材中也有类似的处理, 比如选修3-1第三章第五节《磁场对运动电荷的作用力》的“思考讨论” (第96页) 中推导洛伦兹力时有这样一句话:“……推导时仍然可以认为做定向运动的电荷是正电荷, 所得结果具有普遍性。”

在这个问题中, 不论载流子是正电荷还是负电荷, 它们的运动方向相同。若载流子的电性相反, 则电流方向相反。教材中所说的“结果具有普遍性”应当理解为:推导出的洛伦兹力的公式具有普遍性。

而在图中, 电流方向相同, 如果载流子不同, 则载流子的运动方向就相反, 但用左手定则得到的洛伦兹力的方向就会相同, 载流子偏转方向就相同。因此两个极上的电势高低就不一样。

一般情况下, 要确定两个电极的电势的高低, 先确定霍尔元件材料中载流子是正电荷还是负电荷 (在历年高考题中都明确说明载流子是正电荷还是负电荷) , 然后再用左手定则确定洛伦兹力方向和载流子的偏转情况, 最后确定电势的高低。

六、霍尔效应问题在高中物理教材中的几个具体应用

1. 霍尔元件:

一般在这类问题考查中要知道推导霍尔电压公式的过程。另外, 从霍尔电压公式出发, 可以设计出知道其中四个量求另一个量的题目, 如磁场计就属于这类问题。

2. 磁流体发电机:

磁流体发电是一项新兴技术, 它可以把物体的内能直接转化为电能。平行金属板之间加一个很强的磁场, 将一束等离子体 (即高温下电离的气体, 含有大量正、负带电粒子) 喷入磁场, 在两板间便产生电压。如果把两板用电器相连接, 两板就是一个直流电源的两个电极。 (物理选修3-1第98页)

3. 电磁流量计:

转速霍尔效应篇4

一、量子霍尔效应

按照经典霍尔效应理论, 霍尔电阻RH应随B连续变化, 并且随着n (载流子浓度) 的增大而减小, 但是, 1980年, 克利青在1. 5 K极低温度和18. 9 T强磁场下, 测量金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管时, 发现其霍尔电阻RH随磁场的变化出现了h一系列量子化平台, 即RH= Ne2 (h为普朗克常数, e为电子电量, N = 1, 2. 整数) , 这种现象称为整数量子霍尔效应 (IQHE) .什么是QHE, 简单地说, 就是在一定条件下, 处在强磁场中的二维电子系统, 其电导率张量为其中i是整数. 也就是说, 电流密度j严格地与电场E垂直, 且电流值是量子化的.

从 (1) 式可知, 当Ex= 0时

将 (2) 式记为

二、量子霍尔效应与中学物理的结合

由于高中生的知识所限, 课本及辅导书的习题主要是围绕经典霍尔效应来设计和解答的, 但老师在必要的时候应该适当给学生渗透一些量子霍尔效应的理念, 这样对拓宽学生的知识面和学习兴趣大有好处. 下面列举一些典型例题和解法以供参考.

例1摇如图1为一电磁流量计的示意图, 其截面为正方形的非磁性管, 每边边长为d, 导电液体流动, 在垂直液体流动方向上加一指向纸内的匀强磁场, 磁感应强度为B. 现测得液体a、b两点间的电势差为U, 求管内导电液体的流量Q.

分析:导电液体经磁场时, 在洛仑兹力的作用下, 正离子向下偏转, 负离子向上偏转, 在管内液体的上表面积累负电荷, 下表面积累正电荷, 产生一个方向竖直向上的电场, 形成一个相互垂直的电场和磁场的复合场. 进入这个复合场的正、负离子不仅受洛仑兹力, 同时还受与洛仑兹力相反方向的电场力作用, 当两者平衡时, 进入的离子匀速通过管子, 不再发生偏转, 此时a、b两点间的电势差U保持恒定.

例2摇在原子反应堆中抽动液态金属等导电液时, 由于不允许传动机械部分与这些流体相接触, 常使用一种电磁泵. 图1表示这种电磁泵的结构. 将导管置于磁场中, 当电流I穿过导电液体时, 这种导电液体即被驱动. 若导管的内截面积为a×h, 磁场区域的宽度为L, 磁感强度为B, 液态金属穿过磁场区域的电流为I, 求驱动所产生的压强差是多大?

分析:本题的物理情景是:当电流I通过金属液体沿图3所示竖直向上流动时, 电流将受到磁场的作用力, 磁场力的方向可以由左手定则判断, 这个磁场力即为驱动液态金属流动的动力.

解: 由这个驱动力而使金属液体沿流动方向两侧产生压强差Δp. 故有F = BIh, ( 1) ( 2) 联立解得

课后布置一个作业, 让学生调查一个应用霍尔元件的实例, 让学生对霍尔效应有个感性的认识, 从而真正对霍尔效应产生浓厚的兴趣.

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