传感器系列之4.3流量传感器

4.3 流量数据采集实验

一、实验目的

1. 掌握水流量计的结构与工作原理
2. 掌握霍尔传感器的使用

二、实验材料

1. 具有USB 串口通讯的PC 机1 台
2. ADS1.2 集成开发软件1 套
3. J-Link-ARM 仿真器及软件1 套
4. NXP LPC2378 实验节点板1 个
5. LCD 显示实验板1 个
6. BMP085数字气压传感器模块1个

三、实验原理

流量传感器实验环境由PC机（安装有Windows XP操作系统、ADS1.2集成开发环境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378实验节点板、水流量计（霍尔传感器）、实验模块和LCD显示实验模块组成，如图4.3.1所示。

图4.3.1 传感器实验环境

1.水流量计

(1) 基本原理
水流量传感器主要由塑料阀体 、水流转子组件和霍尔传感器组成。水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。 在霍尔元件的正极串入负载电阻， 同时5V通上 的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。 当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时， 产生不同磁极的旋场转，磁切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转又速 与水流量成正比，根据水流量的大小启动燃气热水器。其脉冲信号频率的经验公式见式(1)。

由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。根据燃气热水器机型的不同，选择最佳的启动流量，可实现超低压(0.02MPa 以下)启动。
(2) 应用
它可装在热水器进水端，用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，脉冲信号的频率、转速和水流成线性关系，从而获得水的流量。然后，霍尔元件就会相应地输出脉冲信号以至于可以反馈给控制器，接着就可以由控制器来有效地判断水流量的变化大小。可以通过调节控制比例阀的电流的大小，然后根据比例阀来控制燃气的气量，这样就可以有效地预防在使用的过程当中燃气热水器会出现夏暖冬凉的状况。
(3)水流量传感器和水气联动阀的对比
　　压差式水气联动阀的毛病是带动水压高，而要想消沉带动水压就必要断送一定的稳流赋性(水压刚烈时的流量固执能力)。
　　为了能使两者分身，唯有加洪流阀膜片，但如许随着阀体的增大成本会举高，且水流带动压力指标也不克不及做得过于低。对水流量传感器，在出水端增加稳流组件，利用稳流。形圈的几多尺寸及物理遵命，经由执行成功开发了合用于不合容量热水器的稳流组件，存在很好的稳流赋性(进水压力在0．1～0．5MPa变动时，出水量变动在3L/min以内)，包管进水压力变动时，保持流量在一定局限内，达到恒温成果。
　　对比压差式水气联动阀和水流量传感器，也许看出，前者是机械式，布局较复杂，体积大，但控制电路简单；后者是电气式，布局相对简单，体积小，但控制电路复杂。加倍必要的是前者带动水压较高，旱路系统阻力较大，不宜用在10L/min以上的大容量热水器AZ；尔后者带动水压低，旱路系统阻力小，在10L/min以上的大容量热水器上已普及采用。

图4.3.2水流量计的结构简图
如图4.3.2所示，水流量计的输出波形图:方波；引出线方式：红黄绿三根线，其中黑线接地，黄色为输出线，红色色接VCC，作为工作电压。

2.霍尔传感器

(1) 霍尔效应
霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的平行于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断。
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，此电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为 ，磁场垂直 平面。电流经过 ，电流 ， 为电荷密度。设霍尔电压为 ，导体沿霍尔电压方向的电场为 。设磁场强度为 。洛伦兹力为：

图4.3.3 洛伦兹力示意图
电荷在横向受力为零时不在发生横向偏转，结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场：

图4.3.4 霍尔效应示意图
其本质为：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
(2) 霍尔元件
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
(3) 霍尔传感器
由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

3.霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
(1) 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极