基于線性霍爾傳感器的角度測量的非線性校正方法研究

楊 鵬，史旺旺，沈楚焱

（揚(yáng)州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引言

線性集成霍爾傳感器的用途相當(dāng)廣泛，它具有小尺寸、高精度和低價的特點(diǎn)，它是將單晶片磁敏單元、線性差動放大器、差動射極跟隨器和穩(wěn)壓器等集成在一起的一體化器件。由于它輸出有很好的線性度，所以特別適合對位置、重量、速度等非電量參數(shù)的測量?；魻杺鞲衅魈匦郧€的非線性誤差的大小直接影響到上述參數(shù)的測量，通常希望其輸出特性曲線是線性的，但是實際上絕大多數(shù)輸入和輸出都存在一定程度的非線性，為了獲得高精度的測量結(jié)果，傳感器特性曲線的線性化和非線性誤差補(bǔ)償與校正顯得十分必要。目前已提出了硬件補(bǔ)償法、多項式擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法[1-2]。以上各種方法都是為了讓理論值和實際值盡可能一致，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

本文提出了一種基于線性霍爾傳感器的角度測量的非線性校正方法，在角度測量中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車角度的測量等精密測量中，給出了測量原理和非線性校正方法及傳感器硬件設(shè)計，通過單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸。

1 線性霍爾傳感器測量角度原理

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理知：霍爾片處于磁場中，并在垂直于磁場的方向上通以電流時，霍爾片上與電流和磁場垂直的方向會產(chǎn)生霍爾電勢差VH=KBI，當(dāng)通過霍爾片的電流恒定不變時，改變磁場的大小，可以改變VH。

當(dāng)霍爾片上與電流和磁場的方向不垂直夾角為q時，產(chǎn)生霍爾電勢差VH=KBIsinq。采用如圖1所示結(jié)構(gòu)，不加線圈的傳統(tǒng)測量方法，磁場由永久磁鐵提供，保持它的控制電流和磁場強(qiáng)度不變，固定霍爾傳感器的位置，讓磁鐵繞霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角度的變換，霍爾傳感器輸出電壓將產(chǎn)生變化。采用如圖1所示包括線圈校正后的結(jié)構(gòu)，在固定磁鐵上繞制一定匝數(shù)的線圈，線圈產(chǎn)生的磁場與磁鐵產(chǎn)生的磁場B0垂直，空間磁場為上述兩個磁場的疊加，同時保持控制電流不變，同樣固定霍爾傳感器的位置，讓磁鐵繞霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角度的變換，霍爾傳感器輸出電壓也將產(chǎn)生變化。

圖1 校正結(jié)構(gòu)圖

2 校正方法

按照如圖1所示，繞制一定匝數(shù)的線圈，線圈產(chǎn)生的磁場與磁鐵產(chǎn)生的磁場B0垂直，空間磁場為上述兩個磁場的疊加。假設(shè)霍爾片輸出的電壓為u，將該電壓放大后串聯(lián)一電阻后，與線圈串聯(lián)，則線圈中的電流與u成正比，其產(chǎn)生的磁場B1也與u成正比，即B1=-K1u（注意電流方向），而霍爾片的輸出電壓與總磁場成正比，當(dāng)霍爾線性時，利用疊加原理，輸出為：

將公式變形得：

取 KuK1＝0.54即可。

利用MATLAB6.5對圖1所示的不加線圈的傳統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)，其霍爾電壓UH與夾角q的關(guān)系進(jìn)行仿真，得到如圖2所示中虛線所表示的結(jié)果；采用如圖1所示包括線圈校正后的結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行仿真得到如圖2所示中實線所表示的結(jié)果。從圖中可見電壓與角度的線性度將大大提高，圖中實線為校正后曲線，虛線為沒有校正的曲線。從兩種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果看，霍爾電壓UH與夾角q的關(guān)系曲線明顯線性增加，測量范圍擴(kuò)大。

圖2 仿真結(jié)果

3 電路設(shè)計[3-8]

以集成線性霍爾傳感器UGN3501型為例，它的工作溫度范圍0 ℃～70 ℃，電源電壓范圍8～12 V，在供電電壓+12 V，環(huán)境溫度25℃的情況下，工作通頻帶為25 kHz，輸出的最大電流達(dá)到了20 mA。傳感器處理電路如圖3所示,主要包括差分放大器和低通濾波器等幾部分。運(yùn)算放大器mA741與R3、R4、R5、R6組成差分放大電路，差分放大電路的同相輸入信號為UGN3501的輸出，反相輸入信號由R1、RW1、R2組成的分壓電路產(chǎn)生。R7、C3組成無源低通濾波電路可濾除差分電路輸出信號中的高頻成份，提高電路的抗干擾能力。電路輸出端電壓U0接電表，用于指示電壓的大小。

圖3 測量電路

4 測量結(jié)果

采用圖3的測量電路，進(jìn)行實驗測試測量結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果

誤差分析表明：測量角度的誤差在5%以內(nèi)，傳感器性能穩(wěn)定，能滿足測量角度的實際需要。

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