学子专区—实验磁性接近传感器

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目标

这个实验的目标是利用磁场产生和检测的原理，构造一个简单的接近探测器，观察探测器的输出电压是如何随着电磁铁越来越靠近传感器而增加的。

背景知识

简单的接近传感器可以检测物体之间的距离，可以用于许多应用，从简单的门窗开关检测到复杂的高精度绝对位置检测器。近程传感器可以通过多种方式设计，其中一种方式是检测磁体(通常是永磁体，但也有电磁体)产生的磁场强度。在这个实验中，我们使用铁氧体磁芯螺线管来产生磁场。螺线管是以圆柱的方式缠绕在磁芯(通常用于制作具有特定电感值的电感器)或电磁铁上的线圈。

ADALP2000模拟器件套件中的100 μH电感用于产生足够强的磁场，该磁场可由套件中集成的磁场传感器AD22151检测到。AD22151是一款线性磁场传感器，其输出电压与垂直施加于封装上表面的磁场成正比。磁场传感器AD22151的工作原理基于霍尔效应。在磁场环境中，当电流流过导体时，导体两端会产生电压(霍尔电压)，这就是霍尔效应。运动的电荷在磁场中会受到洛伦兹力的偏转，从而形成电场，产生霍尔电压。

材料

■ ADALM2000主动学习模块

■无焊测试板和跳线套件

■四个100 ω电阻

■100μH电感

■一个AD22151磁场传感器

■两个470ω电阻

■100kω电阻

■一个0.1 μF电容

■一个10 μF电容

■200kω电阻

■一个LED

硬件设置

首先，图1所示的电磁铁电路构建在无焊测试板上。

图1电磁电路霍尔效应传感器电路(图2)包括添加到无焊测试板上的磁场传感器AD22151。

图2霍尔效应传感器电路测试板连接如图3所示。

图3磁性接近传感器测试板连接的程序步骤

信号发生器W1用于产生一个恒定的5 V信号，作为AD22151的VCC输入。打开正电源至5 V，给电磁铁供电。当电磁铁远离芯片，传感器附近没有磁场时，示波器的通道1会显示AD22151的输出。

该电压相当于零高斯点，理想情况下为中点电源电压，使用5.0 V电源时为2.5 V，但它不同于中点电源电压，因为传感器和运算放大器中的DC偏置乘以运算放大器的闭环增益。

图4输出失调电压如果电磁铁离芯片越近，输出电压将与磁场强度成正比增加。在图5中，你可以看到随着电磁铁越来越靠近芯片，电压是如何增加的。当电磁铁远离芯片时，电压会再次降低，直到达到零高斯失调电压。

图5输出电压变化我们可以在5.0 V电源和运算放大器引脚6处的求和节点之间添加一个电阻R4，以改变输出失调电压。这样，在没有外加磁场的情况下，传感器的输出电压可以尽可能接近其线性范围的下限。接下来，让我们计算R4值。

我们指定VCC为AD22151的电源电压，VMID为中点电源电压。

使用电压表工具测量通道2中的VCC。为了计算R4，有必要知道运算放大器求和节点的输入和输出电流。通过R2的电流定义为IR2。理想情况下，该电流为零，因为每侧的电压为VMID，但零场内部霍尔效应传感器的输出电压与内部缓冲电压VREF之间会有一个小的失调电压。对于低增益电路，这个电压很多情况下可以忽略，但在高增益电路中(比如这个例子)，就必须考虑。

用电压表测量并记录引脚7的电压，定义为VREF。用电压表测量并记录第6脚的电压，定义为VCM；这是运算放大器输入端的共模电压，由负反馈驱动，非常接近内部霍尔效应传感器的输出。计算R2的电压:

VR2 = VREF–VCM(1)

流经R2的电流是:

IR2 = VR2/235ω(2)

在计算流过反馈电阻R3的电流时，可以考虑电磁铁远离芯片时的传感器输出电压，相当于传感器的零高斯点。将此电压定义为VOUT，Z，然后计算电流:

IR3 =(VCM–VOUT，Z)/100kω(3)

计算将VOUT，Z从其当前电平降至较低电平(本例中为0.5 V)所需的电压失调。请注意，这是负值，计算公式如下:

V shift = 0.5V–VOUT，Z (4)

通过反馈电阻R3将VOUT，Z偏移至0.5 V所需的额外电流ISHIFT的计算公式如下:

I shift = v shift/100kω(5)

注意，这是一个负值，因为VSHIFT是负的。通过R4(用于产生所需的失调电压)流入求和节点的电流(IR4)与ISHIFT的方向相反，因此可以写成IR4=-ISHIFT，为正值。

计算R4的价值。注意，R4两端的电压是VCC和VCM之间的电压差。计算公式如下:

R4 =(VCC-VCM)/IR4(6)

图6包括电阻器R4(可以改变偏移电压)的电路从套件中选择最接近R4计算值的电阻器。舍入引起的误差将导致更高的输出电压。将R4置于电路中，如图6中的原理图所示。此外，图8还显示了如何将该电阻放入测试板。这种情况下，套件中最接近的电阻为200kω。在示波器的通道1中，我们可以看到输出失调电压已降至其线性范围的下限，接近所需的0.5 V水平。

图7具有LED指示器的磁性接近传感器，输出偏移电压降低

靠近传感器输出的LED可以用作视觉指示器。可以如图8所示进行连接。在LED阳极和传感器输出之间放置一个100ω电阻。这可以限制通过LED的电流。将阴极连接到GND。你会发现电磁铁离芯片越近，LED灯就越亮，因为磁场会提高传感器的输出电压。

图8带LED指示器的磁性接近传感器的问题:

1.如果改变电感值，电路响应会有怎样的变化？

2.为什么要降低输出失调电压？你可以在学生区的论坛上找到问题的答案。

关于作者

Andreea Pop自2019年以来一直是ADI公司的系统设计/架构工程师。她毕业于克卢日-纳波卡理工大学，获得电子和通信学士学位以及集成电路和系统硕士学位。

Antoniu Miclaus目前是ADI公司的系统应用工程师，从事ADI公司的教学项目，并为Circuits from the Lab、QA自动化和过程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日纳波卡加入ADI公司。他目前是Babes的Bao Ye大学软件工程硕士项目的理科硕士学生。他拥有克卢日纳波卡科技大学的电子和电信工程学士学位。