霍爾傳感器實(shí)踐教學(xué)探索

濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院 劉迅 吳慧君

霍爾傳感器實(shí)踐教學(xué)探索

濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院 劉迅 吳慧君

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》是高職院校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)課。本文以霍爾傳感器為例進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)探索，對(duì)改善教學(xué)效果有一定的借鑒意義。

霍爾傳感器；實(shí)踐教學(xué)；探索

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》是高職院校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)課。該課程綜合了大學(xué)物理、電工電子、自動(dòng)控制等多學(xué)科知識(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用。多年的教學(xué)實(shí)踐效果反映出學(xué)生對(duì)傳感器的應(yīng)用有著濃厚的興趣，但學(xué)生在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)方面普遍感到吃力，眾多的物理原理難以區(qū)分，實(shí)踐操作做到“知其然”容易，卻不知“其所以然”，導(dǎo)致學(xué)過(guò)后很快忘記。基于學(xué)生的這些特點(diǎn)，筆者在課程的實(shí)踐教學(xué)方面進(jìn)行了探索，本文以霍爾傳感器的實(shí)踐教學(xué)為例進(jìn)行分析。

1 明確實(shí)踐任務(wù)——交流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器的位移特性測(cè)試

解決“what”即“任務(wù)是什么”的問(wèn)題。

2 按照實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)步上的驟進(jìn)行操作

接線如圖1所示。解決“how”即“怎樣執(zhí)行并完成任務(wù)”的問(wèn)題。

圖1 交流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器的位移特性測(cè)試接線圖

3 思考總結(jié)

解決“why”即“為什么要這樣操作并得到這樣的結(jié)論”的問(wèn)題。這是實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵所在。

引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)踐所用的霍爾傳感器。該霍爾傳感器主要由一霍爾薄片構(gòu)成，四個(gè)接線端子，兩個(gè)為控制電流端，接入交變電流。另外兩個(gè)為霍爾電壓輸出端，輸出相應(yīng)的交變電壓。霍爾片直線運(yùn)動(dòng)的路徑上提供了梯度磁場(chǎng) B=kx，霍爾電勢(shì) UH=KHIB，因此 UH=KHI kx，可以測(cè)量位移。霍爾傳感器的原理可以被學(xué)生清晰明白地掌握。

霍爾電勢(shì)經(jīng)差動(dòng)放大電路放大。但此時(shí)輸出的交變電壓只能通過(guò)幅值反映位移的大小，并不能反映位移的方向。可以雙通道同時(shí)采集激勵(lì)信號(hào)和放大的霍爾信號(hào)，當(dāng)磁場(chǎng)方向變化時(shí)，兩者同相或反相，如圖2 所示。

圖2 磁場(chǎng)方向變化時(shí)，放大的霍爾電勢(shì)與激勵(lì)信號(hào)

但在生產(chǎn)實(shí)踐中不方便使用，因此需要接后續(xù)的移相、相敏檢波和低通濾波模塊。經(jīng)后續(xù)模塊處理后，虛擬示波器顯示的是一條水平線，該水平線隨著位移的不同顯示出不同的正負(fù)值或零，說(shuō)明處理后的信號(hào)為一直流信號(hào)，其大小反映位移的大小，其正負(fù)反映位移的方向，可以直接用一直流電壓表顯示。

該實(shí)踐項(xiàng)目的難點(diǎn)是移相、相敏檢波和低通濾波模塊各自有什么功能。

用虛擬示波器雙通道同時(shí)采集移相模塊輸入和輸出信號(hào)，連續(xù)調(diào)整旋鈕，發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)可以變化相位角 φ，幅值也有不同程度的變化。留下疑問(wèn)：幅值和相位的變化對(duì)后續(xù)電路都有什么影響？

相敏檢波模塊的功能及內(nèi)部構(gòu)成探究。對(duì)于該知識(shí)點(diǎn)，教材及實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)上并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，需要同學(xué)發(fā)揮主動(dòng)性提出問(wèn)題并搜集資料解決問(wèn)題。其主要由三部分組成：一是整形電路部分，將 AC 控制端的正弦波整形成方波，如圖3所示；二是場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的電子開(kāi)關(guān)電路部分；三是運(yùn)算放大器構(gòu)成的相敏檢波器部分。當(dāng)方波信號(hào)為高電平時(shí)，二極管截止，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，控制相敏檢波器為反相運(yùn)算放大器，輸入輸出反相；當(dāng)方波信號(hào)為低電平時(shí)，二極管導(dǎo)通，電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，控制相敏檢波器為同相運(yùn)算放大器，輸入輸出同相。當(dāng)AC控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率同相位時(shí)，相敏檢波模塊輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形如圖4 所示。

圖3 AC控制端正弦信號(hào)及整形后的方波波形

圖4 相敏檢波模塊（AC 控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率同相位）輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形

當(dāng)控制信號(hào)為正半波時(shí)，整形后為低電平，輸入輸出同相，仍為正半波；當(dāng)控制信號(hào)為負(fù)半波時(shí)，整形后為高電平，輸入輸出反相，輸入信號(hào)的負(fù)半波變成正半波。因此得到的全是正半波的波形。

低通濾波器僅讓全波信號(hào)的直流分量通過(guò)，傅里葉變換中的其他高頻分量全部濾掉，因此得到一條正的水平線，如圖5 所示。

圖6 、7、8 分別為 AC控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率相移 90o時(shí)相敏檢波模塊輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形，相敏檢波模塊輸入信號(hào)和控制信號(hào)整形后波形，相敏檢波模塊輸入信號(hào)和低通濾波輸出信號(hào)波形。

圖5 相敏檢波模塊（AC 控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率同相位）輸入信號(hào)和低通濾波輸出信號(hào)波形

圖6 相敏檢波模塊（AC 控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率相移 90o時(shí)）輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形

圖7 相敏檢波模塊（AC 控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率相移 90o時(shí)）輸入信號(hào)和控制端整形波形

圖8 相敏檢波模塊（AC 控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率相移 90o時(shí)）輸入信號(hào)和低通濾波輸出信號(hào)波形

普 遍 的 ， 設(shè) 相 敏 檢 波 模 塊 輸 入 信 號(hào) 為 u=Umsin（ωt+φ），AC 控制信號(hào)為 u'=Usinωt，則相

控制信號(hào)與輸入信號(hào)同頻率，輸出信號(hào)只與兩者的相位差有關(guān)，與控制信號(hào)的幅值無(wú)關(guān)，解決了移相器功能檢測(cè)中留下的疑問(wèn)。

通過(guò)該實(shí)踐項(xiàng)目的一步步推進(jìn)，學(xué)生不僅做到了“知其然”，正確并熟練接線操作得到正確的實(shí)踐結(jié)果，而且做到了“知其所以然”，知道了各個(gè)模塊的功能以及安排在電路不同位置的用意，使理論學(xué)習(xí)有了可靠的依托和豐富的素材。

4 考核評(píng)價(jià)

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，實(shí)踐占了總評(píng)價(jià)的 50%以上。每節(jié)課的點(diǎn)名既是對(duì)學(xué)生認(rèn)真上課的一種肯定，也是師生之間互相交流打招呼的一種方式。同時(shí)，實(shí)踐過(guò)程中觀察學(xué)生的表現(xiàn)，檢驗(yàn)實(shí)踐結(jié)果，鼓勵(lì)學(xué)生向老師提問(wèn)，離開(kāi)座位向做得又好又快的同學(xué)學(xué)習(xí)，給出每節(jié)課的分值，既是一種鞭策，也是一種激勵(lì)，學(xué)生參與實(shí)踐的積極性大大提高。

通過(guò)類似實(shí)踐教學(xué)探索，《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程不再是“耳聽(tīng)為虛”，不再是讓學(xué)生覺(jué)得枯燥的理論和望而卻步的電路分析，而是“眼見(jiàn)為實(shí)”，各種傳感器的物理原理和常用電路模塊的功能在學(xué)生的親手操作下變得實(shí)在和熟悉。學(xué)生的動(dòng)手能力得到了提高，理論知識(shí)得到了具體和深化，并能夠做出選擇，決定自己掌握知識(shí)的程度，甚至能夠拓展出傳感器的新應(yīng)用，信心也得到了極大的增強(qiáng)，教學(xué)效果有了明顯改善。

[1] 張玉蓮.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)(第 2 版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2]秦曾煌.電工學(xué)(第六版)[M].北京：高等教育出版社,2004.

[3]王建軍.《傳感器技術(shù)》課程教學(xué)方法探討[J].裝備制造技術(shù),2007 年第 4 期.

[4]靳艷華.關(guān)于熱電偶溫度傳感器教學(xué)的探討[J].機(jī)電信息,2016 年第 33 期.

劉迅，1979 年出生，山東青島人，工學(xué)碩士，講師，研究方向：機(jī)電一體化。