CN204228733U - 一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，包括结构部件和电路部件，其特征在于电路部件安装在结构部件的相应箱体内；电路部件包括：分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路、电源控制模块；结构部件包括：铝合金箱体、前后控制面板、连接器，电源控制模块安装固定在箱体的后端，分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路全部设计在一块印刷电路板上，安装固定在箱体前端，电路与面板连接器走线贴近机箱侧壁进行捆扎固定，前面板输出级有连接器、显示灯、电源开关，后面板输入级有连接器及三相电源插孔。本实用新型解决了霍尔传感器产生的通断信号不能直接进行采样，且多路采集通道间串扰的问题。

Description

一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置

技术领域

本实用新型属于测速技术领域，具体涉及一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置。 

背景技术

霍尔效应是指固体导体有电流通过，且放置在一个磁场内时，导体内的电荷载子因洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压信号。近年来，基于霍尔效应的霍尔元件及开关传感器越来越多地应用于时间和速度测量。尤其在航空航天领域，高速飞行器进行的速度测量数据对产品研发设计具有重要意义，霍尔传感器具备非接触、简便轻巧、测量精度高等特点，体现出极大的优势。而霍尔传感器产生的是通断信号，不能直接进行采样，需要经过一定的信号调理才能进入采集系统。当多路信号同时输入时，还要保证信号之间的不串扰。另外，当测多段位移的速度时，常需要在一条信号曲线上判读脉冲间隔，这就需要多路输入能够汇总成单输出。 

针对以上情况，设计了基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，实现多通道信号输入输出、多功能集成运用、具备安全可靠性等设计目标。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，解决了霍尔传感器产生的通断信号，不能直接进行采 样的问题。 

一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，包括结构部件和电路部件，其特征在于电路部件安装在结构部件的相应箱体内； 

所述电路部件包括：分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路、电源控制模块； 

电源控制模块将外部交流电转换为电路内部需要的低压直流工作电源，并给分压调理支路、通道间信号隔离支路和信号汇总输出支路提供供电电压； 

分压调理支路将霍尔传感器传输来的开关信号进行分压后输出，并作为通道间信号隔离支路的输入，通道间隔离支路将各通道信号隔离后，各路信号进入信号汇总输出支路，通过“线与”逻辑将各通道信号输出； 

所述结构部件包括：铝合金箱体、前后控制面板、连接器，电源控制模块安装固定在箱体的后端，分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路全部设计在一块印刷电路板上，安装固定在箱体前端，电路与面板连接器走线贴近机箱侧壁进行捆扎固定，前面板输出级有连接器、显示灯、电源开关，后面板输入级有连接器及三相电源插孔。 

所述分压调理支路包括多路分压支路，支路数量为2n，n为自然数，其中每一分压支路包括电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄，电容C₁一端接地，另一端与电阻R₁一端连接，电阻R₁另一端与电阻R₂一端连接，电阻R₂另一端接地；电容C₂一端接 地，另一端与电阻R₃一端连接，电阻R₃另一端与电阻R₄一端连接，电阻R₄另一端接地。其中：R₁的阻值等于R₃的阻值，R₂的阻值等于R₄的阻值，电阻R₁的阻值是R₂阻值的2倍，R₃的阻值是R₄阻值的2倍，对于每一路分压支路，将霍尔传感器传输来的开关信号进行1/3分压后输出，并作为下一级的输入；电容C₁、C₂的取值为0.05μF至0.15μF，电阻R₁、R₂、R₃、R₄的取值为0.5至1.5kΩ。 

所述通道间信号隔离支路包括多路隔离支路，支路数量为2n，n为自然数，其中的一支支路，包括：电容C₃、电容C₄、电阻R_5、电阻R_6、二极管D_1、二极管D₂和二极管D_3，电容C₃一端接地，另一端与电阻R₅一端和二极管D₁的PN结的P端连接，电阻R₅另一端接地；电容C₄一端接地，另一端与电阻R₆一端和二极管D₂的PN结的P端连接，电阻R₆另一端接地；二极管D₁和二极管D₂的PN结的N端与二极管D₃PN结的P端连接，二极管D₃PN结的N端与电阻R₇一端连接，电阻R₇另一端接地。其中：R₅、R₆、R₇的阻值相同，电容C₃、C₄的取值为0.05μF至0.15μF，电阻R₅、R₆、R_7、的取值为3至3.6kΩ。 

有益效果：一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，通过调理分压支路进行分压，通道间隔离支路中利用二极管其单向导通性能阻止其他支路反向电流，允许本支路正向电流输出，实现通道间隔离不串扰；信号汇总输出支路采用电流输入等，解决了霍尔传感器产生的通断信号，不能直接进行采样的问题，提高测试可靠性，同时也提高了工作效率。该测速调理装置携带方便，操作方便。 

附图说明

图1为霍尔效应测速内部原理图； 

图2为霍尔传感器开关特性等效图； 

图3为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置示意框图； 

图4为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置电源控制模块示意图； 

图5为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置调理分压支路示意图； 

图6为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置通道间隔离支路示意图； 

图7为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置安装示意图； 

图8为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置测速脉冲实测结果； 

图9为一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置被测物运动V-t仿真结果。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。 

如图1所示，进行速度测验时，将一片或多片磁钢粘贴在被试件相应部位，初始状态时，被测物体不在接近开关附近，三极管呈关闭状态，输出信号为0；当被测物体运动至接近开关附近时，由于霍尔效应，接近开关内部产生感应电压，该电压作为PNP三极管的驱动电压使三极管导通，输出信号约等于VCC；当物体离开接近开关，三极 管又呈关闭状态，输出信号又变为零。因此，一个带磁性的运动物体靠近、远离接近开关时，输出一个一定宽度的方波脉冲信号。这种开关特性可以简化成如图2所示的等效模型，传输类型为三线制，其中BN为供电的正端，BU为接地端，BK为输出信号端。 

如图3、图4所示，当需要对某待测物进行测速时，本实用新型的装置可采取两种测速方式：单磁钢多传感器法和多磁钢单传感器法。 

单磁钢多传感器法：是指在被测物某侧面粘贴一个磁钢，然后在其运行轨道附近安装两组相距S1的接近开关传感器，物体运动后，两个传感器先后采集到两个脉冲信号，该信号经两个输入级连接器端子进入调理电路，每路信号先经过电阻分压调理得到满足采集系统需求的低压信号，该信号经过通道间隔离模块处理后再经信号汇总输出模块形成总输出信号，经连接器端子输出为一定间隔时间的脉冲信号，该信号进入上位机采集系统后，脉冲间隔时间ΔT1被检测到，根据速度计算公式，待测物速度为V＝S1/ΔT1。此种测量方式下，可测量单个待测物的多个运动阶段的平均速度。 

多磁钢单传感器法：是指在被测物体某侧面粘贴两个相距S2的磁钢，在其运行轨道附近安装一个接近开关传感器，物体运动时，该传感器先后得到两个运动磁钢接近时的方波脉冲，该信号经输入端子进入调理装置，经上述调理过程后，从对应分输出端子输出到采集设备，得到脉冲间隔时间ΔT2，根据速度计算公式，待测物速度为V＝S2/ΔT2。此种测量方式下，可同时测量多个待测物体的某阶段平均速度， 而不相互影响。 

本实用新型的装置采用20路通道，可进行多输入多输出、多输入总输出，两种测速方法可结合使用，可实现多个待测物多运动阶段综合分析。 

一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，包括结构部件和电路部件，其特征在于电路部件安装在结构部件的相应箱体内； 

电路部件包括：分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路、电源控制模块； 

电源控制模块将外部交流电转换为电路内部需要的低压直流工作电源，并给分压调理支路、通道间信号隔离支路和信号汇总输出支路提供供电电压；对于电源控制模块采用175W(24V/±15V)直流模块电源。对于电源控制装置是采用带氖泡灯的单刀双掷开关，实现双幅值自由切换。 

分压调理支路将霍尔传感器传输来的开关信号进行分压后输出，并作为通道间信号隔离支路的输入，通道间隔离支路将各通道信号隔离后，各路信号进入信号汇总输出支路，通过“线与”逻辑将各通道信号输出；如图5所示，分压调理支路中的一支支路，包括电容C₁、电容C₂、R₁、R₂、R₃和R₄，电容C₁一端接地，另一端与电阻R₁一端连接，电阻R₁另一端与电阻R₂一端连接，电阻R₂另一端接地；电容C₂一端接地，另一端与电阻R₃一端连接，电阻R₃另一端与电阻R₄一端连接，电阻R₄另一端接地。其中：R₁的阻值等于R₃的阻值，R₂的阻值等于R₄的阻值，电阻R₁的阻值是R₂阻值的2倍，R₃的阻值是R₄阻 值的2倍。对于每一路分压支路，将霍尔传感器传输来的开关信号进行1/3分压后输出，并作为下一级的输入，即传感器产生的开关信号经接口端子进入调理电路，经过分压后，得到VCC/3的电压信号输出到通道1、2输出端口，满足多种采集仪器的输入幅值要求，可直接进行采样，即实现了测试通用性和单输入单输出方式。电容C₁、C₂的取值为0.05μF至0.15μF，电阻R₁、R₂、R₃、R₄的取值为0.5至1.5kΩ。 

如图6所示，通道间信号隔离支路中的一支支路，包括：电容C₃、电容C₄、电阻R_5、电阻R_6、电阻R_7、二极管D_1、二极管D₂和二极管D_3，电容C₃一端接地，另一端与电阻R₅一端和二极管D₁的PN结的P端连接，电阻R₅另一端接地；电容C₄一端接地，另一端与电阻R₆一端和二极管D₂的PN结的P端连接，电阻R₆另一端接地；二极管D₁和二极管D₂的PN结的N端与二极管D₃PN结的P端连接，二极管D₃PN结的N端与电阻R₇一端连接，电阻R₇另一端接地。其中：R₅、R₆、R₇的阻值相同。对于每一路中采用高频响的肖极特二极管，利用单向导通行，阻止其它支路正向电流输出，实现各个通道间隔离不串扰。即当两个通道同时进行输入时，1通道信号导通二极管D₁后输出，2通道信号导通二极管D₂后输出，两个信号经叠加后进入输出端子形成总输出，即实现了多输入单输出方式。另外，D₁、D₂的单向导通性能保证了通道1信号无法经D₂进入通道2，反之亦然，即解决了多通道间相互串扰的问题。电容C₃、C₄的取值为0.05μF至0.15μF，电阻R₅、R₆、R₇、的取值为3至3.6kΩ。 

结构部件包括：铝合金箱体、前后控制面板、连接器，电源控制模块安装固定在箱体的后端，分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路全部设计在一块印刷电路板上，安装固定在箱体前端，电路与面板连接器走线贴近机箱侧壁进行捆扎固定，前面板输出级有21路标准BNC连接器、21路LED显示灯、电源开关，后面板输入级有20路Y11P系列航空连接器及三相电源插孔。 

如图7所示，针对于结构部分，该测速调理装置主要由箱体、电路模块、连接器模块、LED显示模块、电源模块所组成，共集成了20路测量通道，满足绝大多数试验场合的测量要求。 

箱体采用组装式铝合金机箱，箱体尺寸为105mm×307mm×260mm，并配备便携把手，便于进行外场试验。箱体侧面设计散热栅，在前面板对端子名称、制作单位、设备名称进行了标识，符合安全化、规范化要求。 

根据实际信号需求，对芯片及元器件进行了最优选型，连接线选取带屏蔽0.1mm信号线。采用3mm加厚印刷电路板以提高抗震特性，电源地与机箱外壳连接防静电触电，信号地与电源地分开提高信号抗干扰能力。 

前面板信号端口采用BNC连接器，共20个输出接口和1个总输出接口；后面板传感器接口采用Y11系列航空连接器，方盘式螺栓固定，两者都属于快速插拔式卡口连接器，方便操作，并兼具传输稳定性。 

开关具有导通点亮功能，每个通道对应一个LED灯，当有信号通 过时，显示灯亮，方便调试与试验时判读信号。 

箱体内集成了模块化稳压电源，提供24V和15V直流电压，可自由切换幅值，直接对传感器进行供电，不需要额外供电电源，方便外场试验。220V电源线为可插拔式便携电源线，具备过流保护功能，提高安全可靠性。 

利用外部标准脉冲和高采样频率采集设备对该调理装置的调理能力和调理误差进行测试，考察调理装置对小间隔脉冲的分辨能力，得到表一实测结果。 

表一 

从表中可以看出，该装置对0.005ms间隔以上的脉冲具备测试分辨能力，测试误差较低，可实现绝大多数情况下的速度测量要求。 

进一步验证该装置的测试性能，用该装置对飞行器进行了测速试验验证，测试方法为双磁钢单传感器法，两磁钢距离为100mm，如图8所示为实际测量的测速脉冲曲线，时间间隔ΔT≈0.005s，则计算得飞行器1.405s左右时速度约为20m/s。 

根据飞行器运动规律进行建模分析，并在计算机上进行MATLAB 仿真，得到如图9所示的V-t关系曲线。 

对比实测与仿真结果后发现实测与仿真差距较小，结果误差0.6％以内，验证了该测速调理装置测试性能较好，可满足大多数速度测量精度要求。 

Claims (4)

1.一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，包括结构部件和电路部件，其特征在于电路部件安装在结构部件的相应箱体内； 

所述电路部件包括：分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路、电源控制模块； 

电源控制模块将外部交流电转换为电路内部需要的低压直流工作电源，并给分压调理支路、通道间信号隔离支路和信号汇总输出支路提供供电电压； 

分压调理支路将霍尔传感器传输来的开关信号进行分压后输出，并作为通道间信号隔离支路的输入，通道间隔离支路将各通道信号隔离后，各路信号进入信号汇总输出支路，通过线与逻辑将各通道信号输出； 

所述结构部件包括：铝合金箱体、前后控制面板、连接器，电源控制模块安装固定在箱体的后端，分压调理支路、通道间信号隔离支路、信号汇总输出支路全部设计在一块印刷电路板上，安装固定在箱体前端，电路与面板连接器走线贴近机箱侧壁进行捆扎固定，前面板输出级有连接器、显示灯、电源开关，后面板输入级有连接器及三相电源插孔。 

2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，其特征在于分压调理支路包括多路分压支路，支路数量为2n，n为自然数，其中每一分压支路包括电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄，电容C₁一端接地，另一端与电阻R₁一端连接，电阻R₁另一端与电阻R₂一端连接，电阻R₂另一端接地；电容C₂一端接地，另一端与电阻R₃一端连接，电阻R₃另一端与电阻R₄一端连接，电阻R₄另一端接地，其 中：R₁的阻值等于R₃的阻值，R₂的阻值等于R₄的阻值，电阻R₁的阻值是R₂阻值的2倍，R₃的阻值是R₄阻值的2倍，对于每一路分压支路，将霍尔传感器传输来的开关信号进行1/3分压后输出，并作为下一级的输入。 

3.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，其特征在于通道间信号隔离支路包括多路隔离支路，支路数量为2n，n为自然数，其中的一支支路，包括：电容C₃、电容C₄、电阻R₅、电阻R₆、二极管D₁、二极管D₂和二极管D₃，电容C₃一端接地，另一端与电阻R₅一端和二极管D₁的PN结的P端连接，电阻R₅另一端接地；电容C₄一端接地，另一端与电阻R₆一端和二极管D₂的PN结的P端连接，电阻R₆另一端接地；二极管D₁和二极管D₂的PN结的N端与二极管D₃PN结的P端连接，二极管D₃PN结的N端与电阻R₇一端连接，电阻R₇另一端接地，其中：R₅、R₆、R₇的阻值相同。 

4.根据权利要求2或3所述的一种基于霍尔效应的多通道集成化测速调理装置，其特征在于电容C₁、C₂、C₃、C₄的取值为0.05μF至0.15μF，电阻R₁、R₂、R₃、R₄的取值为0.5至1.5kΩ，电阻R₅、R₆、R₇、的取值为3至3.6kΩ。