基于LabVIEW的霍尔传感器位移测量系统*

张 研，王淑媛，周文斌，孙科学,2

(1. 南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023; 2. 江苏省射频集成与微组装工程实验室,江苏 南京 210023)

基于LabVIEW的霍尔传感器位移测量系统*

张 研1，王淑媛1，周文斌1，孙科学1,2

(1. 南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023; 2. 江苏省射频集成与微组装工程实验室,江苏 南京 210023)

在现代工业生产设备中，位移测量器的作用日益凸显，传统的设备往往难以满足现代设备对其体积精度等各方面的高要求。设计了一种基于LabVIEW的霍尔传感器位移测量系统。首先通过分析霍尔传感器的输出特性得到其输出电压与外部位移的关系，再利用外围硬件电路对采集到的输出电压进行放大并滤波，进而根据实测传感器的输出电压计算得出实际的位移值，最后在Multisim中利用压控电压源建立霍尔传感器模型，并利用LabVIEW与Multisim的联合仿真处理来自传感器的输出数据。最终结果表明该系统能有效显示位移并依据设定的限值适时报警。

位移测量；霍尔传感器；系统设计；LabVIEW

0 引言

在现代工业生产中，位移测量器被广泛应用于多个领域。例如在气体制冷机的工作过程中，对压缩活塞及排出器的控制以及位移测量是十分重要的环节，其会直接影响到制冷机的性能。相比于传统的电感式位移传感器，新型的霍尔位移传感器有体积小、重量轻、安装方便等诸多优点，是用于微型分置式制冷机上的较理想的传感器[1]。所以，设计一种可以对位移进行快速自动采集的霍尔传感器位移测量系统有着广泛的实际应用价值。

目前，LabVIEW在测试测量以及数据处理等领域受到日益广泛的应用，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷地控制这些硬件设备。本文设计了一种基于LabVIEW的霍尔传感器位移测量系统。首先通过数学拟合研究霍尔传感器的输出特性，然后利用外围硬件电路对传感器的输出电压进行采集放大与滤波，再根据之前得到的数学关系处理实际采集到的电压数据，最后在LabVIEW前面板显示测量结果并根据用户设定适时报警。

1 位移测量系统设计原理

霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器。当一块通电半导体薄片垂直置于磁场中时，由于霍尔效应的作用，薄片两侧会产生感应电势。

如图1所示，当外界施加X轴方向的电流以及Z方向的磁场，则会产生一个Y方向的感应电动势VH。这种现象即被称为霍尔效应[2-3]。用公式表示如下：

VH=ISKB

(1)

其中，VH为霍尔电压；K为灵敏度系数。

图1 霍尔效应原理图

因此，可以通过实验研究霍尔传感器的输出特性，得出霍尔电压与外部位移的关系。然后通过测量霍尔传感器的输出电压进而计算出实际的外部位移。图2为霍尔传感器的输出特性。

图2 霍尔传感器的输出特性

由图2可见，在X处于(-0.6 mm～0.6 mm)之间时，电压与位移的关系基本为线性，故当该传感器工作在这一线性区域时较适合用于距离的测量[4]。通过使用MATLAB对上述图像进行拟合，可得出电压与位移的关系式：

UH≈0.154X

(2)

所以，只要实测出产生的霍尔电压值，再经过相应的数据处理，就能够得出相应的位移值。

2 测量系统整体设计

该位移测量系统的整体构架如图3所示。硬件部分主要由霍尔位移传感器以及外围电路组成。霍尔传感器用于根据外部位移产生相应的霍尔电压，然后由外围电路将输入的霍尔电压放大并去除噪声，以供采集[5]。最后将得到的结果送入计算机，根据传感器的输出特性计算出产生的位移，并在软件界面显示结果。

图3 位移测量系统框图

2.1输出电压与外部位移的关系求解

为了精确求得经外围电路放大以及滤波电路处理后的输出电压与外部实际位移的数学关系，使用电路仿真软件Multisim对该电路进行仿真。

Multisim是美国国家仪器(NI)公司推出的电路仿真工具，可提供4 000～17 000个电路元器件，除虚拟元件外基本采用实际参数模型，所实现的仿真具有很强的真实性[6-7]。同时，该软件还具备强大的电路分析功能和丰富的测试仪器，现已被广泛应用于分析电路参数以及验证电路功能等多个方面。

由于在Multisim仿真软件中并没有霍尔传感器，也无法产生位移，故需要根据霍尔传感器的特性用其他可用元件进行模拟替代。又由于在(-0.6 mm～0.6 mm)之间，电压与位移的关系基本为线性，所以采用压控电压源模拟霍尔位移传感器。压控电压源的系数根据式(2)确定，其输入电压即代表等量的外部位移。

2.2 外围硬件电路设计

由传感器输出特性可见，当外部产生一定位移时，相应的霍尔电势比较小，所以在实际使用中需要对其放大以便采集。为了避免外部噪声对输入小信号的影响，采用差分放大电路，并在输入端放置低通滤波器滤除高频分量。最终，整体硬件电路如图4所示。

图4 整体硬件电路

通过对整体电路进行软件仿真，得出不同外部位移所对应的输出电压，如表1所示。

表1 外部位移与输出电压

经MATLAB拟合后得出：

U0=-0.765X+0.172 4

根据上式可得：

(3)

2.3LabVIEW数据采集程序设计

LabVIEW 是目前世界上发展速度最快、功能最强大、应用最广泛的图形化软件开发集成系统[8]。它提供了全面的库函数和图形界面组件，包含许多可见的仪器控制面板所需的控制对象，例如示波器、仪表、按扭等[9]，为用户设计各种专业软件提供了极大的便利，其在数据采集与分析等多个领域都有着广阔的应用前景。

根据关系式(1)，在LabVIEW中针对外围硬件电路的输出电压设计数据采集及处理程序。程序框图界面如图5所示。

图5 LabVIEW程序框图

除了利用LabVIEW对输入数据进行数学处理并输出结果外，还可以设定临界位移值，并在超出该临界值时在前面板界面发出警报。

3 测量系统联合验证

设计完成后，利用Multisim和LabVIEW进行联合仿真，验证该系统的可行性。首先，在Multisim中添加交互接口，用来与LabVIEW仿真引擎之间进行数据收发[10]。然后在LabVIEW中添加Halt Simulation按钮控制仿真的开始与结束，并将Multisim电路导入到LabVIEW中，使用LabVIEW采集并处理来自Multisim的仿真数据。LabVIEW前面板所显示的仿真结果如图6所示。

图6 LabVIEW前面板

当外部位移为0.43时，测量系统输出为0.44，误差非常小。可见，仿真所得的测量位移与外部输入的实际位移

基本吻合。同时，通过开关按钮可以灵活地控制仿真的开始与结束。在实际输入位移超出设定的临界值时，警报灯及时点亮。

4 结束语

本文设计了一种基于LabVIEW的霍尔传感器位移测量系统。通过研究传感器的输出特性得出其输出电压与位移的关系，并据此计算出相应的外部位移。最后通过软件仿真的方式加以验证。实验结果表明该系统基本能够实现预期的功能，具有较强的实用性。

[1] 郑正泉.用于微型制冷机的霍尔位移传感器的输出特性及其非线性拟合[J]. 低温工程, 1993(4): 35-37.

[2] 王娟，庄楷贤，李潮杰，等.利用霍尔效应测量微小位移[C]. 第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集, 2012: 1-4.

[3] 匡付华.霍尔传感器A3144在精确位移测量中的应用[J]. 自动化仪表, 2005,26(10): 40-41.

[4] 武新军，康宜华.非接触式霍尔位移传感器的研制及应用[J]. 华中理工大学学报, 1998, 26(2): 53-54.

[5] 刘俊.基于LabVIEW结合Multisim的仿真[J]. 重庆工学院学报, 2008, 22(7): 73-75.

[6] 李能禾，成谢锋.基于LabVIEW与MATLAB的心音检测与小波去燥[J]. 微型机与应用, 2010,29(1): 6-9.

[7] 易驰，文小玲，李凤旭.基于LabVIEW的温度压力采集系统的设计[J]. 微型机与应用, 2013, 32(17):5-8.

[8] 薛勤.基于LabVIEW的电子变压器数据采集系统设计[J]. 微型机与应用, 2013,32(3): 64-67.

[9] 高宇飞，牟海维，张勇，等.基于Multisim和LabVIEW的虚拟电子称[J]. 现代电子技术, 2013, 36(10):119-121.

[10] 周润景.Multisim和LabVIEW电路与虚拟仪器设计技术(第2版)[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2014.

A design of hall sensor displacement measurement system based on LabVIEW

Zhang Yan1, Wang Shuyuan1, Zhou Wenbin1, Sun Kexue1,2

(1. School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023,China;2. Jiangsu Province Engineering Lab of RF integration & Micropackage, Nanjing 210023, China)

In modern industrial production equipment, the role of displacement measurement device is becoming more and more prominent, the traditional equipment is often difficult to meet the requirements of modern equipment on its volume accuracy and other aspects. In this paper, a displacement measurement system based on LabVIEW for Holzer sensor is introduced. Firstly, through the analysis of output characteristics of Holzer sensor, the ralationship between the output voltage and the external displacement is obtained. Secondly, using the peripheral hardware circuit to amplify and filter the output voltage collected, it have been drawn the displacement calculation according to the measured value of the sensor’s output voltage. Finally, using voltage controlled voltage source in Multisim, Holzer sensor model is established. And using the combined simulation of LabVIEW and Multisim to process the output data from sensors. The results show that the system can display displacement effectively and timely alarm according to the set limit.

displacement measurement; Holzer sensor; system design; LabVIEW

TP337

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.024

张研，王淑媛，周文斌，等.基于LabVIEW的霍尔传感器位移测量系统[J].微型机与应用，2017,36(19)：84-86.

国家自然科学基金资助项目(61271334)；江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJD510001)；南京邮电大学实验室工作研究重点课题(2016XSG02)

2017-03-15)

张研(1996-)，男，本科生，主要研究方向:电子电路设计及嵌入式系统开发。