彭輝

摘 要： 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中作為信號(hào)獲取的基礎(chǔ)器件，其作用顯得極為重要。磁傳感器在各種工程應(yīng)用和實(shí)際生活中使用廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中如何使用好磁傳感器，是一個(gè)重要的研究方向，本文利用NEWLab實(shí)驗(yàn)箱，通過(guò)霍爾實(shí)驗(yàn)，來(lái)完成該項(xiàng)任務(wù)。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù); 磁傳感器; 霍爾效應(yīng); NEWLab實(shí)驗(yàn)箱

【Abstract】 Sensors play an important role as basic devices for signal acquisition in the Internet of Things technology. Magnetic sensors are widely used in various engineering applications and practical life. How to use magnetic sensors in the Internet of Things technology is an important research direction. This paper uses NEWLab experiment box to complete this task through Hall experiment.

【Key words】 ?Internet of Things technology; magnetic sensors; Hall effect; NEWLab experiment box

0 引 言

隨著智能時(shí)代的來(lái)臨，傳感器技術(shù)得到快速發(fā)展。作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心基礎(chǔ)支撐部分，利用好傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的使用顯得尤為重要，本文以磁傳感器的使用為例，介紹磁傳感器的原理和使用。

1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)一詞在比爾·蓋茨所著的《未來(lái)之路》中最早出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)比爾蓋茨已提出物物相聯(lián)的概念，但是受當(dāng)時(shí)電子元器件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)等條件的限制而未能進(jìn)一步的拓展。后來(lái)，麻省理工學(xué)院的 Kevin Ashton 教授在 1999 年提出 The Internet Of Things 的概念。國(guó)際電信聯(lián)盟ITU發(fā)布了《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告 2005：物聯(lián)網(wǎng)》，此報(bào)告中將物聯(lián)網(wǎng)界定為任何時(shí)間、地點(diǎn)、任務(wù)及網(wǎng)絡(luò)通

過(guò)在物品里嵌入射頻識(shí)別技術(shù)或者智能計(jì)算等技術(shù)的一個(gè) 4A 網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)全世界萬(wàn)物相聯(lián)的智能網(wǎng)絡(luò)。2008 年IBM推出 “智慧地球”的物聯(lián)網(wǎng)概念。

中國(guó)在1999 年就已出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，很多專家探討了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)和社會(huì)背景，并將物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的定義，將其描述為：“物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為信息承載體，連接世界上所有的可獨(dú)立尋址的物理對(duì)象，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物間信息交換及互通的網(wǎng)絡(luò)” [1] 。

2009 年溫家寶總理在無(wú)錫考察物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)時(shí)，提出“感知中國(guó)”，揭開了中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的序幕。2012 年，工信部對(duì)外發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)十二五發(fā)展規(guī)劃》，此規(guī)劃明確了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃路徑與相關(guān)發(fā)展領(lǐng)域，政府在各個(gè)方面的大力推廣促使中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2013 年至 2030 年》明確指出，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是規(guī)劃中的重要組成部分。2019年6月6日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電四家企業(yè)發(fā)放5G商用牌照，工信部部長(zhǎng)苗圩表示，5G支撐應(yīng)用市場(chǎng)由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)拓展，將構(gòu)建起高速、移動(dòng)、安全、泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施。高速數(shù)據(jù)傳輸意味著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)倡導(dǎo)的“萬(wàn)物互聯(lián)”進(jìn)入真實(shí)可行的時(shí)代，這些都離不開傳感器的支撐作用。

2 磁傳感器及霍爾傳感器

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)對(duì)信息的采集主要通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，各種傳感器就是物聯(lián)網(wǎng)的各種觸角，幫助物聯(lián)網(wǎng)完成信息采集等前期工作，是感知層的核心技術(shù)，傳感器的各環(huán)節(jié)配合才促使物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行[2]。“物聯(lián)天下、傳感先行”充分體現(xiàn)了傳感器的作用。

2.1 磁傳感器

是把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光照等外界因素引起敏感元器件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以這種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量變化的器件。磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)、國(guó)防建設(shè)、衛(wèi)生醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。

2.2 霍爾效應(yīng)及霍爾元件

（1）霍爾效應(yīng)。當(dāng)電流通過(guò)放置于磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體薄片或靜止金屬時(shí)，若該電流方向與磁場(chǎng)方向不同，則在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)物理現(xiàn)象被稱之為霍爾效應(yīng)[3]?；魻栃?yīng)的原理如圖1所示。

霍爾效應(yīng)計(jì)算過(guò)程如下：FL=eBv， FE=eEH， EH=vB。

若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流為：I=nevbd，公式變形處理代入上式處理后，得EH=IBbdne，則霍爾電勢(shì)為UH=KHIB， KH表示霍爾效應(yīng)的靈敏度。

（2）霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)

①霍爾靈敏度系數(shù);②額定控制電流;③輸入電阻;④輸出電阻;⑤不等位電勢(shì)和不等位電阻;⑥寄生直流電動(dòng)勢(shì);⑦霍爾電勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)。

（3）霍爾元器件的測(cè)量誤差及相應(yīng)補(bǔ)償方法

由于制造工藝以及實(shí)際使用時(shí)存在的各種難以避免的因素，這些情況都會(huì)影響霍爾元件的性能，從而產(chǎn)生誤差，其中最主要的誤差有：不等位電勢(shì)帶來(lái)的零位誤差以及由溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差。溫度誤差可以通過(guò)采用恒流源提供恒定的控制電流來(lái)降低，但元器件的靈敏度系數(shù)也是相應(yīng)溫度的系數(shù)，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在元件控制極并聯(lián)分流電阻提高溫度穩(wěn)定性[4]。

3 NEWLab霍爾磁傳感器模塊認(rèn)識(shí)

霍爾磁傳感器模塊電路板如圖2所示。

霍爾傳感模塊主要功能部件如圖2中標(biāo)注：

①線性霍爾傳感器SS49E及相對(duì)應(yīng)的四個(gè)由霍爾線性元件構(gòu)成的電路;

②③霍爾開關(guān)傳感器及相對(duì)應(yīng)的二個(gè)由霍爾線性元件構(gòu)成的電路;

④⑤⑥⑦線性AD輸出1、2、3、4接口J4、J6、J7、J5，測(cè)量霍爾線性元件電路的輸出電壓;

⑧⑨霍爾開關(guān)輸出1、2接口J2、J3，測(cè)量霍爾開關(guān)元件電路的輸出電壓;

⑩接地GND接口J1。

4 霍爾傳感實(shí)驗(yàn)

霍爾傳感的實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用新大陸科技有限公司的NEWLab實(shí)驗(yàn)箱?；魻杺鞲袑?shí)驗(yàn)主要操作如下：

4.1 啟動(dòng)霍爾磁傳感器模塊

（1）將NEWLab試驗(yàn)箱中需要的實(shí)驗(yàn)硬件接通220 V電源并與電腦連接。

（2）將霍爾傳感模塊插入NEWLab試驗(yàn)箱中對(duì)應(yīng)的模塊插槽中。

（3）調(diào)整模式選擇到自動(dòng)模式，通電、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)，霍爾傳感模塊工作。

（4）NEWLab實(shí)驗(yàn)箱的上位機(jī)對(duì)應(yīng)軟件平臺(tái)啟動(dòng)，選擇霍爾傳感。

（5）硬件連接，軟件平臺(tái)上位機(jī)硬件檢測(cè)通過(guò)。

4.2 霍爾線性傳感模塊測(cè)試

（1）測(cè)量霍爾線性元件電路輸出電壓，磁場(chǎng)不變時(shí)的測(cè)量狀態(tài)如圖3所示。

（2）測(cè)量磁場(chǎng)變化后的線性AD輸出電壓。從測(cè)量圖中，可以發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)于沒有磁場(chǎng)改變時(shí)，測(cè)量值發(fā)生了相應(yīng)的改變。測(cè)量值如圖4所示。

5 霍爾開關(guān)傳感模塊測(cè)試

（1）測(cè)量霍爾開關(guān)元件1的比較器輸出電壓，此時(shí)磁場(chǎng)不發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

（2）將磁鐵S極移到霍爾開關(guān)元件位置，測(cè)量此時(shí)霍爾開關(guān)元件1的比較器輸出電壓。此時(shí)磁場(chǎng)隨著磁鐵的移近而發(fā)生變化，從測(cè)量圖中，可以發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)于沒有磁鐵影響磁場(chǎng)的時(shí)候，測(cè)量值發(fā)生了較大的改變。測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)中磁傳感器及霍爾傳感器原理的介紹，以及在實(shí)驗(yàn)中對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量及記錄，能夠在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)磁傳感器及霍爾傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)中的作用以及如何進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)，有利于使用者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)采集信息的依賴主體—傳感器的認(rèn)識(shí)，理解智能傳感器就是感知層的最重要的核心技術(shù)，正常運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)需要各個(gè)傳感器在各個(gè)環(huán)節(jié)相應(yīng)的配合。沒有傳感器，智能時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“物聯(lián)天下、傳感先行”就完全是沒有基礎(chǔ)的。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)充分講解傳感器對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的重要性，按照相應(yīng)的操作流程進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作，提高了使用者對(duì)傳感器的認(rèn)知，有力地提高了操作者的知識(shí)和技能。

參考文獻(xiàn)

[1] ? ?譚華，林克. 物聯(lián)網(wǎng)熱點(diǎn)技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展分析[J]. 移動(dòng)通信，2016，40（17）：64-69.

[2] 石志國(guó)，王志良，丁大偉. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3] 王化祥，張淑英. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 7版. 天津：天津大學(xué)出版社，2011.

[4] 宋光明，葛運(yùn)建. 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，16（2）：107-112.