物聯(lián)網(wǎng)技術中磁傳感器的應用

彭輝

摘 要： 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術中作為信號獲取的基礎器件，其作用顯得極為重要。磁傳感器在各種工程應用和實際生活中使用廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)技術中如何使用好磁傳感器，是一個重要的研究方向，本文利用NEWLab實驗箱，通過霍爾實驗，來完成該項任務。

關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術; 磁傳感器; 霍爾效應; NEWLab實驗箱

【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

隨著智能時代的來臨，傳感器技術得到快速發(fā)展。作為物聯(lián)網(wǎng)技術的核心基礎支撐部分，利用好傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術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)應用技術

物聯(lián)網(wǎng)一詞在比爾·蓋茨所著的《未來之路》中最早出現(xiàn)，當時比爾蓋茨已提出物物相聯(lián)的概念，但是受當時電子元器件和網(wǎng)絡基礎等條件的限制而未能進一步的拓展。后來，麻省理工學院的 Kevin Ashton 教授在 1999 年提出 The Internet Of Things 的概念。國際電信聯(lián)盟ITU發(fā)布了《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報告 2005：物聯(lián)網(wǎng)》，此報告中將物聯(lián)網(wǎng)界定為任何時間、地點、任務及網(wǎng)絡通

過在物品里嵌入射頻識別技術或者智能計算等技術的一個 4A 網(wǎng)絡，最終實現(xiàn)全世界萬物相聯(lián)的智能網(wǎng)絡。2008 年IBM推出 “智慧地球”的物聯(lián)網(wǎng)概念。

中國在1999 年就已出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術，很多專家探討了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術基礎和社會背景，并將物聯(lián)網(wǎng)進行了較為準確的定義，將其描述為：“物聯(lián)網(wǎng)是一個以公共基礎網(wǎng)絡為信息承載體，連接世界上所有的可獨立尋址的物理對象，實現(xiàn)萬物間信息交換及互通的網(wǎng)絡” [1] 。

2009 年溫家寶總理在無錫考察物聯(lián)網(wǎng)相關產(chǎn)業(yè)時，提出“感知中國”，揭開了中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的序幕。2012 年，工信部對外發(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)劃路徑與相關發(fā)展領域，政府在各個方面的大力推廣促使中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展?！秶抑卮罂萍蓟A設施建設中長期規(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，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電四家企業(yè)發(fā)放5G商用牌照，工信部部長苗圩表示，5G支撐應用市場由移動互聯(lián)網(wǎng)向移動物聯(lián)網(wǎng)拓展，將構建起高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施。高速數(shù)據(jù)傳輸意味著物聯(lián)網(wǎng)技術倡導的“萬物互聯(lián)”進入真實可行的時代，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)應用技術對信息的采集主要通過傳感器來實現(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，傳感器的各環(huán)節(jié)配合才促使物聯(lián)網(wǎng)的運行[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、電流、應力應變、溫度、光照等外界因素引起敏感元器件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量變化的器件。磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟、科學技術、國防建設、衛(wèi)生醫(yī)療等相關領域發(fā)揮著非常重要的作用。

2.2 霍爾效應及霍爾元件

（1）霍爾效應。當電流通過放置于磁場中的半導體薄片或靜止金屬時，若該電流方向與磁場方向不同，則在垂直于磁場和電流的方向上將產(chǎn)生電動勢，這個物理現(xiàn)象被稱之為霍爾效應[3]。霍爾效應的原理如圖1所示。

霍爾效應計算過程如下：FL=eBv， FE=eEH， EH=vB。

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

（2）霍爾元件的主要技術參數(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不等位電勢和不等位電阻;⑥寄生直流電動勢;⑦霍爾電勢對應的溫度系數(shù)。

（3）霍爾元器件的測量誤差及相應補償方法

由于制造工藝以及實際使用時存在的各種難以避免的因素，這些情況都會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：不等位電勢帶來的零位誤差以及由溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差。溫度誤差可以通過采用恒流源提供恒定的控制電流來降低，但元器件的靈敏度系數(shù)也是相應溫度的系數(shù)，對于具有正溫度系數(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識

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中標注：

①線性霍爾傳感器SS49E及相對應的四個由霍爾線性元件構成的電路;

②③霍爾開關傳感器及相對應的二個由霍爾線性元件構成的電路;

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

⑧⑨霍爾開關輸出1、2接口J2、J3，測量霍爾開關元件電路的輸出電壓;

⑩接地GND接口J1。

4 霍爾傳感實驗

霍爾傳感的實驗設備采用新大陸科技有限公司的NEWLab實驗箱?；魻杺鞲袑嶒炛饕僮魅缦拢?/p>

4.1 啟動霍爾磁傳感器模塊

（1）將NEWLab試驗箱中需要的實驗硬件接通220 V電源并與電腦連接。

（2）將霍爾傳感模塊插入NEWLab試驗箱中對應的模塊插槽中。

（3）調整模式選擇到自動模式，通電、啟動實驗箱平臺，霍爾傳感模塊工作。

（4）NEWLab實驗箱的上位機對應軟件平臺啟動，選擇霍爾傳感。

（5）硬件連接，軟件平臺上位機硬件檢測通過。

4.2 霍爾線性傳感模塊測試

（1）測量霍爾線性元件電路輸出電壓，磁場不變時的測量狀態(tài)如圖3所示。

（2）測量磁場變化后的線性AD輸出電壓。從測量圖中，可以發(fā)現(xiàn)，相當于沒有磁場改變時，測量值發(fā)生了相應的改變。測量值如圖4所示。

5 霍爾開關傳感模塊測試

（1）測量霍爾開關元件1的比較器輸出電壓，此時磁場不發(fā)生變化，測量結果如圖5所示。

（2）將磁鐵S極移到霍爾開關元件位置，測量此時霍爾開關元件1的比較器輸出電壓。此時磁場隨著磁鐵的移近而發(fā)生變化，從測量圖中，可以發(fā)現(xiàn)，相當于沒有磁鐵影響磁場的時候，測量值發(fā)生了較大的改變。測量結果如圖6所示。

6 結束語

通過對物聯(lián)網(wǎng)應用技術中磁傳感器及霍爾傳感器原理的介紹，以及在實驗中對每個實驗數(shù)據(jù)的測量及記錄，能夠在實驗中體現(xiàn)磁傳感器及霍爾傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應用技術中的作用以及如何進行相關的檢測，有利于使用者對物聯(lián)網(wǎng)采集信息的依賴主體—傳感器的認識，理解智能傳感器就是感知層的最重要的核心技術，正常運行的物聯(lián)網(wǎng)需要各個傳感器在各個環(huán)節(jié)相應的配合。沒有傳感器，智能時代物聯(lián)網(wǎng)技術的“物聯(lián)天下、傳感先行”就完全是沒有基礎的。本次實驗通過充分講解傳感器對物聯(lián)網(wǎng)應用技術的重要性，按照相應的操作流程進行理論學習和實踐操作，提高了使用者對傳感器的認知，有力地提高了操作者的知識和技能。

參考文獻

[1] ? ?譚華，林克. 物聯(lián)網(wǎng)熱點技術及應用發(fā)展分析[J]. 移動通信，2016，40（17）：64-69.

[2] 石志國，王志良，丁大偉. 物聯(lián)網(wǎng)技術與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2012.

[3] 王化祥，張淑英. 傳感器原理及應用[M]. 7版. 天津：天津大學出版社，2011.

[4] 宋光明，葛運建. 智能傳感器網(wǎng)絡研究與發(fā)展[J]. 傳感技術學報，2003，16（2）：107-112.