霍尔传感器实践教学探索

潍坊工程职业学院山工机电工程学院 刘迅 吴慧君

霍尔传感器实践教学探索

潍坊工程职业学院山工机电工程学院 刘迅 吴慧君

《传感器与检测技术》是高职院校机电一体化技术专业的一门重要专业课。本文以霍尔传感器为例进行了实践教学探索，对改善教学效果有一定的借鉴意义。

霍尔传感器；实践教学；探索

《传感器与检测技术》是高职院校机电一体化技术专业的一门重要专业课。该课程综合了大学物理、电工电子、自动控制等多学科知识，在生产实践中有着广泛的应用。多年的教学实践效果反映出学生对传感器的应用有着浓厚的兴趣，但学生在理论知识的学习方面普遍感到吃力，众多的物理原理难以区分，实践操作做到“知其然”容易，却不知“其所以然”，导致学过后很快忘记。基于学生的这些特点，笔者在课程的实践教学方面进行了探索，本文以霍尔传感器的实践教学为例进行分析。

1 明确实践任务——交流激励时霍尔式传感器的位移特性测试

解决“what”即“任务是什么”的问题。

2 按照实践指导书步上的骤进行操作

接线如图1所示。解决“how”即“怎样执行并完成任务”的问题。

图1 交流激励时霍尔式传感器的位移特性测试接线图

3 思考总结

解决“why”即“为什么要这样操作并得到这样的结论”的问题。这是实践教学的关键所在。

引导学生观察实践所用的霍尔传感器。该霍尔传感器主要由一霍尔薄片构成，四个接线端子，两个为控制电流端，接入交变电流。另外两个为霍尔电压输出端，输出相应的交变电压。霍尔片直线运动的路径上提供了梯度磁场 B=kx，霍尔电势 UH=KHIB，因此 UH=KHI kx，可以测量位移。霍尔传感器的原理可以被学生清晰明白地掌握。

霍尔电势经差动放大电路放大。但此时输出的交变电压只能通过幅值反映位移的大小，并不能反映位移的方向。可以双通道同时采集激励信号和放大的霍尔信号，当磁场方向变化时，两者同相或反相，如图2 所示。

图2 磁场方向变化时，放大的霍尔电势与激励信号

但在生产实践中不方便使用，因此需要接后续的移相、相敏检波和低通滤波模块。经后续模块处理后，虚拟示波器显示的是一条水平线，该水平线随着位移的不同显示出不同的正负值或零，说明处理后的信号为一直流信号，其大小反映位移的大小，其正负反映位移的方向，可以直接用一直流电压表显示。

该实践项目的难点是移相、相敏检波和低通滤波模块各自有什么功能。

用虚拟示波器双通道同时采集移相模块输入和输出信号，连续调整旋钮，发现输出信号相对于输入信号可以变化相位角 φ，幅值也有不同程度的变化。留下疑问：幅值和相位的变化对后续电路都有什么影响？

相敏检波模块的功能及内部构成探究。对于该知识点，教材及实践指导书上并没有详细说明，需要同学发挥主动性提出问题并搜集资料解决问题。其主要由三部分组成：一是整形电路部分，将 AC 控制端的正弦波整形成方波，如图3所示；二是场效应管构成的电子开关电路部分；三是运算放大器构成的相敏检波器部分。当方波信号为高电平时，二极管截止，电子开关断开，控制相敏检波器为反相运算放大器，输入输出反相；当方波信号为低电平时，二极管导通，电子开关导通，控制相敏检波器为同相运算放大器，输入输出同相。当AC控制信号与输入信号同频率同相位时，相敏检波模块输入信号和输出信号波形如图4 所示。

图3 AC控制端正弦信号及整形后的方波波形

图4 相敏检波模块（AC 控制信号与输入信号同频率同相位）输入信号和输出信号波形

当控制信号为正半波时，整形后为低电平，输入输出同相，仍为正半波；当控制信号为负半波时，整形后为高电平，输入输出反相，输入信号的负半波变成正半波。因此得到的全是正半波的波形。

低通滤波器仅让全波信号的直流分量通过，傅里叶变换中的其他高频分量全部滤掉，因此得到一条正的水平线，如图5 所示。

图6 、7、8 分别为 AC控制信号与输入信号同频率相移 90o时相敏检波模块输入信号和输出信号波形，相敏检波模块输入信号和控制信号整形后波形，相敏检波模块输入信号和低通滤波输出信号波形。

图5 相敏检波模块（AC 控制信号与输入信号同频率同相位）输入信号和低通滤波输出信号波形

图6 相敏检波模块（AC 控制信号与输入信号同频率相移 90o时）输入信号和输出信号波形

图7 相敏检波模块（AC 控制信号与输入信号同频率相移 90o时）输入信号和控制端整形波形

图8 相敏检波模块（AC 控制信号与输入信号同频率相移 90o时）输入信号和低通滤波输出信号波形

普 遍 的 ， 设 相 敏 检 波 模 块 输 入 信 号 为 u=Umsin（ωt+φ），AC 控制信号为 u'=Usinωt，则相

控制信号与输入信号同频率，输出信号只与两者的相位差有关，与控制信号的幅值无关，解决了移相器功能检测中留下的疑问。

通过该实践项目的一步步推进，学生不仅做到了“知其然”，正确并熟练接线操作得到正确的实践结果，而且做到了“知其所以然”，知道了各个模块的功能以及安排在电路不同位置的用意，使理论学习有了可靠的依托和丰富的素材。

4 考核评价

根据学生的认知特点，实践占了总评价的 50%以上。每节课的点名既是对学生认真上课的一种肯定，也是师生之间互相交流打招呼的一种方式。同时，实践过程中观察学生的表现，检验实践结果，鼓励学生向老师提问，离开座位向做得又好又快的同学学习，给出每节课的分值，既是一种鞭策，也是一种激励，学生参与实践的积极性大大提高。

通过类似实践教学探索，《传感器与检测技术》课程不再是“耳听为虚”，不再是让学生觉得枯燥的理论和望而却步的电路分析，而是“眼见为实”，各种传感器的物理原理和常用电路模块的功能在学生的亲手操作下变得实在和熟悉。学生的动手能力得到了提高，理论知识得到了具体和深化，并能够做出选择，决定自己掌握知识的程度，甚至能够拓展出传感器的新应用，信心也得到了极大的增强，教学效果有了明显改善。

[1] 张玉莲.传感器与自动检测技术(第 2 版)[M].北京：机械工业出版社,2012.

[2]秦曾煌.电工学(第六版)[M].北京：高等教育出版社,2004.

[3]王建军.《传感器技术》课程教学方法探讨[J].装备制造技术,2007 年第 4 期.

[4]靳艳华.关于热电偶温度传感器教学的探讨[J].机电信息,2016 年第 33 期.

刘迅，1979 年出生，山东青岛人，工学硕士，讲师，研究方向：机电一体化。