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。
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。
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。
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) 。
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。
图5
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。
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。
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。
图9
文章来源于《教育与装备研究》2017年2期
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