基于霍爾效應(yīng)的新型差動式角位移傳感器

劉昕彤，孫士尉，張鐵壁，李 娜

(河北水利電力學(xué)院，滄州 061001)

0 引 言

角位移測量在工業(yè)、航空、船舶等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。按照測量原理的不同，可以分為光電式、磁電式、電容式、電感式和電阻式等類型[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和角位移傳感器使用要求的不斷提高，國內(nèi)外很多學(xué)者對新型角位移傳感器進(jìn)行了開發(fā)和設(shè)計(jì)，包括一種基于光纖陣列的二維微角位移傳感器[4]、新型差動變壓器式角位移傳感器[5]、無接觸式智能角度傳感器[6]、基于磁旋轉(zhuǎn)編碼器的角度傳感器[7]以及一種新型霍爾式角位移傳感器[8]。

本文針對常用的霍爾式角位移傳感器線性誤差大，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要信號處理電路及分析電路的線性化才能達(dá)到測量目的這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的新型差動式角位移傳感器。詳細(xì)闡述了傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，其中傳感器的弧狀磁鋼用于產(chǎn)生傳感器用磁場；上、下磁軛能夠保證傳感器工作時(shí)，兩個(gè)霍爾元件所在位置的磁場強(qiáng)度的分辨率，以及磁場的利用率，同時(shí)能夠消除外部磁場對傳感器的干擾；此外，弧狀磁鋼表面的磁場強(qiáng)度分布均勻，且兩片霍爾元件采用差動式連接，能夠保證霍爾傳感器輸出的電勢具有較高的線性度。

1 角位移傳感器的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的新型角位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，對應(yīng)俯視圖如圖2所示。主要包括轉(zhuǎn)盤、半圓形弧狀磁鋼、上磁軛、霍爾元件和下磁軛5部分。其中轉(zhuǎn)盤由非鐵磁材料制成，中心設(shè)有安裝孔，用于將轉(zhuǎn)盤和被測旋轉(zhuǎn)部件固定；弧狀磁鋼固定在轉(zhuǎn)盤的表面，弧度為180°，與圓盤同心，且表面磁場均勻分布；上磁軛為左右兩對稱部分，同為半圓形，由鐵磁材料制成，且包括1個(gè)下凸起部分；下磁軛為圓形，與轉(zhuǎn)盤面積基本相同，由鐵磁材料制成，且包括兩個(gè)上凸起部分；兩片霍爾元件分別置于上磁軛下凸起部分與下磁軛上凸起部分之間的空隙中。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器俯視結(jié)構(gòu)圖

2 角位移傳感器的工作原理

2.1 磁路分析

傳感器工作時(shí)，位于轉(zhuǎn)盤的弧狀磁鋼產(chǎn)生磁場，根據(jù)磁力線總是力圖走磁阻最小的路徑這一特性，該磁場分別經(jīng)由上磁軛左右兩部分、空氣隙、霍爾元件和下磁軛后形成閉合回路。當(dāng)轉(zhuǎn)盤位于初始位置時(shí)，弧狀磁鋼對稱分布在上磁軛的左、右兩部分的下方，即磁鋼產(chǎn)生的左、右兩段磁路中的磁通量相等，如圖3所示。

圖3 角位移為零時(shí)傳感器的磁場分布情況

當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時(shí)，假設(shè)順時(shí)針轉(zhuǎn)過45°角位移，如圖4所示，此時(shí)弧狀磁鋼分布在上磁軛的左、右兩部分的下方的長度將不再對稱，則磁鋼產(chǎn)生的左、右兩段磁路中的磁通量不再相等，如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過45°角時(shí)的俯視圖

圖5 角位移為45°時(shí)傳感器的磁場分布情況

2.2 霍爾效應(yīng)

置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向和磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)[9]，在兩端橫面之間建立的電勢稱為霍爾電勢UH，且有：

UH=KHIBcosθ

(1)

式中：KH為霍爾元件的靈敏度系數(shù)；I為通過霍爾元件的電流；B為穿過霍爾元件的磁場強(qiáng)度；θ為磁場與霍爾元件法線方向的夾角[9]。當(dāng)磁場方向與霍爾元件垂直時(shí)，式(1)簡化：

UH=KHIB

(2)

2.3 輸出特性

根據(jù)磁路的歐姆定律，假設(shè)弧狀磁鋼總的磁勢為F，則當(dāng)轉(zhuǎn)盤位于初始位置時(shí)，分別穿過上磁軛左右兩部分、空氣隙、霍爾元件和下磁軛的磁通量：

(3)

式中：Rm為上、下磁軛段總的磁阻，磁路不飽和時(shí)該磁阻為常數(shù)；Rδ為磁通穿過空氣隙段的磁阻；RH為磁通穿過霍爾元件的磁阻。

由式(2)可知，即此時(shí)磁通量Φ1=Φ2，由于上磁軛下凸起部分與下磁軛上凸起部分面積相等，則穿過兩片霍爾元件的磁場強(qiáng)度B1=B2。根據(jù)式(1)可知，兩片霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢UH1=UH2，由于兩片霍爾元件為差動式連接，則此時(shí)總的霍爾電勢為零。

當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過角位移α?xí)r，穿過上磁軛左右兩部分、空氣隙、霍爾元件和下磁軛的磁通量分別：

(4)

根據(jù)霍爾效應(yīng)，此時(shí)兩片霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢分別：

(5)

由于霍爾元件采用差動式連接，則總輸出的霍爾電勢：

(6)

聯(lián)立式(3)和式(6)可得：

(7)

由式(7)可知，霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢與角位移α成正比例關(guān)系。

3 角位移傳感器的特性測定

采用測量精度為1′的分度頭，在-90°～90°范圍內(nèi)，對傳感器的輸出電壓進(jìn)行了測試，其中霍爾元件型號為3144，采用+5 V直流電源進(jìn)行加載，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對應(yīng)的傳感器特性曲線如圖6所示。

表1 傳感器特性測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 角位移傳感器特性測定曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的差動式角位移傳感器，其角位移測量靈敏度約為52.5 mV/(°)，線性誤差約為0.53%。

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有霍爾式角位移傳感器的不足，提出了一種基于霍爾效應(yīng)的新型機(jī)械結(jié)構(gòu)的差動式角位移傳感器，對其工作時(shí)的磁路及輸出特性進(jìn)行了分析和推導(dǎo)。本文設(shè)計(jì)的角位移傳感器，無需外加信號處理及線性化電路，可直接實(shí)現(xiàn)角位移的測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高、線性誤差小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可望得到推廣和應(yīng)用。

[1] 奚小網(wǎng)，陸榮，高波.用于多電機(jī)同步控制的角位移傳感器設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2011，33(8)：45-48.

[2] 劉發(fā)英，蘇秀蘋，王禹博.角位移傳感器在智能斷路器機(jī)械特性測試中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2013，41(12)：23-27.

[3] 高峰，谷雨，周濱,等.一種電容式角度傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(8)：17-18,90.

[4] 趙婷婷，趙勇，張毅.基于光纖陣列的二維微角位移傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4)：874-878.

[5] 孟武勝，苗溢文，董蓉.一種新型差動變壓器式角位移傳感器[J].微特電機(jī)，2010，38(8)：32-34.

[6] 楊星，張家祺，王晶,等.全角度無接觸式智能角度傳感器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016，37(1)：71-75,194.

[7] 吳小鋒.基于磁旋轉(zhuǎn)編碼器的角度傳感器動態(tài)誤差補(bǔ)償方法[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015(11)：15-17.

[8] 季漢川，楊文煥.一種新型霍爾角度傳感器的設(shè)計(jì)與分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(8)：7-8,11.

[9] 聞福三，趙京明，王玲玲.霍爾效應(yīng)和霍爾傳 感器的教學(xué)方法研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34 (2)：118-120.