利用霍爾元件測(cè)定轉(zhuǎn)速
浙江省杭州第九中學(xué)
摘 要： 文中從霍爾元件及其模塊電路的功能出發(fā), 分析測(cè)定轉(zhuǎn)速的原理, 并用于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定。
關(guān)鍵詞： 霍爾元件; 實(shí)驗(yàn)原理; 測(cè)定轉(zhuǎn)速;
在一個(gè)矩形截面的導(dǎo)體中通有直流電流, 當(dāng)外加磁場(chǎng)的方向與電流垂直時(shí), 在導(dǎo)體上與電流和磁場(chǎng)都垂直的方向上將出現(xiàn)電勢(shì)差。這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng), 所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差或霍爾電壓。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件?；魻栐侵匾拇艂鞲衅? 可用于磁場(chǎng)探測(cè), 也可用于與磁場(chǎng)有關(guān)的多種自動(dòng)控制系統(tǒng)中?；魻栐蚱浣Y(jié)構(gòu)牢固, 體積小, 重量輕, 壽命長(zhǎng), 安裝方便, 開關(guān)無(wú)觸點(diǎn), 輸出波形清晰等, 有著廣泛的應(yīng)用。下面介紹一個(gè)利用霍爾元件測(cè)定轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)。
一、實(shí)驗(yàn)材料
霍爾元件及其模塊電路 (云輝YS-27霍爾傳感器模塊) 1套;學(xué)生電源1只;電壓傳感器及手提電腦1套;直流電動(dòng)機(jī)1只;滑動(dòng)變阻器1只;鐵架臺(tái)及支架;開關(guān)及導(dǎo)線等。
二、測(cè)定轉(zhuǎn)速的原理分析
把霍爾元件及其模塊電路連入5V左右的直流電路, 同時(shí), 在它的輸出端接電壓傳感器并連接電腦。
當(dāng)磁鐵靠近霍爾元件時(shí), 輸出端有電壓輸出, 同時(shí)輸出指示燈亮起, 如圖1a所示。當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離霍爾元件時(shí), 輸出端無(wú)電壓輸出, 輸出指示燈也不亮, 如圖1b所示。
圖1
把霍爾元件及其模塊電路的輸出端連入電壓傳感器, 并與電腦連接, 用手控制磁鐵, 靠近霍爾元件再遠(yuǎn)離霍爾元件, 再靠近再遠(yuǎn)離, 反復(fù)進(jìn)行多次, 并把電壓信號(hào)存儲(chǔ)在電腦中, 可得到如圖2所示的電壓輸出。
圖2
如果在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝一個(gè)磁鐵, 讓電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng), 周期性經(jīng)過(guò)霍爾元件附近, 測(cè)得在電腦中存儲(chǔ)的霍爾電壓信號(hào)的周期, 就應(yīng)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期, 從而可以計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
三、測(cè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝一個(gè)偏心輪, 在偏心輪上用透明膠帶固定一個(gè)圓柱形強(qiáng)磁鐵, 如圖3所示。
圖3
把電動(dòng)機(jī)和滑動(dòng)變阻器串聯(lián)接入學(xué)生電源 (直流5V左右) , 再把霍爾元件及其模塊電路接入電源, 并把霍爾電壓的輸出端通過(guò)電壓傳感器接入電腦, 實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示 (因轉(zhuǎn)動(dòng)的原因, 偏心輪及其帶動(dòng)的磁鐵從圖中看不清楚) 。
圖4
調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭, 使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得以調(diào)節(jié)。當(dāng)偏心輪上的磁鐵靠近霍爾元件時(shí), 霍爾傳感器模塊有電壓輸出, 如圖5甲所示, 電源指示燈 (右側(cè)發(fā)光燈) 和霍爾電壓輸出指示燈 (左側(cè)發(fā)光燈) 同時(shí)發(fā)光。當(dāng)偏心輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng), 磁鐵逐漸離開或者沒有接近霍爾元件, 如圖5乙、丙所示, 霍爾傳感器模塊這時(shí)無(wú)霍爾電壓輸出, 電源指示燈 (右側(cè)發(fā)光燈) 正常發(fā)光, 但是霍爾電壓輸出指示燈 (左側(cè)指示燈) 卻不發(fā)光。
當(dāng)偏心輪如此不停地轉(zhuǎn)動(dòng)下去, 霍爾電壓輸出指示燈便會(huì)時(shí)亮?xí)r滅, 同時(shí)用電壓傳感器檢測(cè)到的電壓輸出情況, 如圖6所示。
圖5
圖6
把圖6放大至圖7所示。由圖7可知, 在14s內(nèi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了21圈, 則轉(zhuǎn)速N1=21/14=1.5轉(zhuǎn)/s=90轉(zhuǎn)/min。
圖7
改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 可得到如圖8所示的霍爾電壓的輸出情況。由圖8可知, 在9.9s內(nèi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了約53圈, 則轉(zhuǎn)速N2=53/9.9=5.35轉(zhuǎn)/s=321.2轉(zhuǎn)/min。
圖8
四、實(shí)際應(yīng)用
轉(zhuǎn)速的測(cè)定本是一件相對(duì)不易做的事情, 通過(guò)霍爾元件卻變得相對(duì)容易了。學(xué)生會(huì)感到很神奇。當(dāng)然, 其中最為神奇的是霍爾元件與被測(cè)的電動(dòng)機(jī)根本就沒有任何接觸, 它卻能夠測(cè)定其轉(zhuǎn)速了。這就是科學(xué)的力量!
現(xiàn)代汽車、電動(dòng)自行車、山地自行車的速度表的工作過(guò)程與上述實(shí)驗(yàn)原理其實(shí)是相同的, 它們都是通過(guò)霍爾元件在無(wú)任何電路接觸的情況下, 把轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為速度和里程的數(shù)字信號(hào)或刻度信號(hào), 給使用者帶來(lái)方便。圖9即為某自行車速度計(jì)和里程計(jì), 其傳感探頭也是一個(gè)霍爾元件。通過(guò)安裝在自行車輻條上的小磁塊工作, 每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈小磁塊便會(huì)觸發(fā)霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖, 里程計(jì)的數(shù)字就會(huì)增加一個(gè)車輪的周長(zhǎng), 根據(jù)計(jì)時(shí)器的數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)生成自行車的速度數(shù)據(jù)。
圖9
文章來(lái)源于《教育與裝備研究》2017年2期
聯(lián)系客服
