传感器测风速

燕山大学课程设计说明书

目录

绪论 (1)

一、产品简介 (1)

二、霍尔式速度传感器结构和测量电路

2.1 霍尔式传感器工作原理 (2)

2.2 霍尔式速度传感器测量电路

2.2.1 完整测量电路 (3)

2.2.2 感应环节 (4)

2.2.3 转换环节 (6)

2.2.4 放大环节 (7)

2.2.5 整形输出环节 (7)

2.2.6 风速推导公式 (10)

三、风杯风速仪的误差及补偿 (11)

四、设计实验

（一）霍尔式传感器的交流激励特性 (12)

（二）霍尔式传感器测振幅 (14)

五、结束语 (15)

参考文献

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绪论

风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。进入20世纪70年代，在世界范围内爆发的能源危机告诫人们，要生存就要寻找开发新能源。同时风作为一种天气状况也影响着人们的一举一动和出行自由。此外，风这种自然现象也影响着农业畜牧业。因此，各国的对于风速的测量提高了重视。

风速测量对于风力发电尤为重要。由于风能具有很高的不确定性，因此，要想很好地控制风能发电，食指跟随风速的变化而获取最大发电功率并降低成本，就必须准确及时的测出风速，并对风机进行相应的控制。

目前，世界上风力发电机可利用的风速范围在3~25m/s左右，所以，测速传感器测量风速至少要大于30m/s而风速变化要求传感器反应时间不能大于1s另外还要求其具有低功耗、可维护性好、寿命长等特点。目前测风测风速的方法很多，本位将详细介绍风杯风速仪的原理、技术特点与适用范围。

一、产品简介

风杯风速仪是一种较常见的测风仪器。风杯风速仪的输入部分一般由3~4个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳固定在互成120度角的三叉星形支架上或互成90度角的十字星之家的登场旋臂上。

杯的凹面顺着同一方向排列，整个横架则固定在能旋转的垂直轴上。由于凹面和凸面所受的风的压力不相等，风杯在受到扭力作用时开始旋转，它的转速与风速呈一定关系。当风杯转动时，通过转盘下面的霍尔式传感器能测出风速。

采用风杯风速仪的显著优点包括：（1）成本较低、使用方便，并且基本不需要维护；（2）转速与风速基本上呈线性关系；（3）抗强风能力强。但是该方法也存在不足：（1）存在转动部件，容易产生摩擦，降低精度；（2）沙尘和烟雾也会对其造成腐蚀；（3）由于摩擦的存在，低于启动值的风速将不能驱动风杯进行旋转，

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因此，低于启动风俗的微风将无法测量。

二、霍尔式速度传感器结构和测量电路

2.1 霍尔式传感器工作原理

霍尔效应：金属半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流与磁场方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。即霍尔效应是由于导体的电荷在磁场作用下发生偏移引起的。

将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方

V h，如图1所示，向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势

V h称为霍尔电压。

这现象称为霍尔效应。

图1 霍尔效应原理图

假设长、宽、高分别为l、b和d的N型半导体薄片，磁感应强度B的方向垂直于薄片，如图1所示，两个控制电极C、D上外加电压U，薄片中便形成一个沿x方向流动的控制电流I，由于N型半导体导电载流子为电子，在z轴方向的磁场作用下，这些电子将受到沿y轴负方向的洛伦兹力F L作用而向左端面即霍尔电极A所在端面运动，若电子都以均一的速度v运动，那么，在磁场作用下，电子所受的力为F L=qvB。（1）

因此左端面由于电子的积累而带负电，右端面及霍尔电极B 所在端面因缺少电子而带正电，左右端面形成电场E H,相应的霍

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尔电极A 、B 之间也会形成霍尔电动势U H ，该电场使运动中的电子受到反方向的电场力作用，F H 为

F H=-qE H=-qU H /b （2）

当F L + F H =0时，电子积累达到动态平衡，此时霍尔电动势U H 为U H =vbB （3）

由式（3）可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征。迁移率用μ 表示，μ =v/E I 。E I 是C 、D 两端面之间的电场强度，它是由外加电压U 产生的，即E I =U/l 。这时式（3）可改写成为

U H =μubB/l （3）

当材料的电子浓度为n

时，有如下关系式：I=nqbdv 即

v=I/（nqbd ）（4）

将式（4）代入（3），得：

U H =IB/nqd=R H IB/d=KIB 。（5）

R H 为霍尔系数，R H =1/（nq ），由材料物理性质决定；K 为灵敏度系数，K=R H /d ，它与材料的物理特性和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势大小。

2.2 霍尔式速度传感器测量电路

2.2.1 完整测量电路

圈2测量电路构成框图3

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图3 测量电路完整电路图

2.2.2 感应环节

自然风正面吹向风杯，从而使风杯转动，由于圆盘与风杯同轴因而随风杯以相同角速度旋转，将磁钢固定在圆盘最外侧，使之周期性转动。

原件尺寸,如图4：

风杯半径r=1.5cm；风杯连架杆长L=20cm；圆盘半径R= 10cm。

磁钢型号尺寸（mm）工作温度(℃)磁感应强度

(GS)

N35uh15*15*100~1803500

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