新型拐档差传感器的设计与应用

王 勇， 林金表

(集美大学 轮机工程学院,福建 厦门361021)

新型拐档差传感器的设计与应用

王 勇， 林金表

(集美大学 轮机工程学院,福建 厦门361021)

设计了一种利用霍尔效应实现拐档差测量的新型传感器，通过有限元分析方法计算了圆柱永磁体周围磁场的空间分布，研究了两永磁体同极对称布置的位置和霍尔元件与永磁体的相对安装位置对传感器微位移测量精度的影响，得到了合理的选型方案。实验研究表明：在0～2 mm测量范围内检测系统的输出与位移呈线性关系，测量精度达到0.001 mm，适于拐档差微位移的测量。

传感器； 拐档差测量； 有限元分析； 磁场分析

0 引 言

曲轴是柴油机中的关键部件，它的功能是把柴油机气缸的往复式运动转换为机械式的回转运动，一旦曲轴出现了故障必将给柴油机带来严重的破坏[1],因此，对曲轴臂距差进行定期检测显得尤为重要。根据苏尔寿公司臂距差的要求，在新建和大修时，正常值不大于0.0001smm,在航行中的正常值不大于0.0002smm，s为活塞行程。因此，一般的大中型柴油机曲轴臂距差大概在0.01～0.06 mm左右[2]，测量的精度要求较高。

目前，国内对于柴油机曲轴臂距差的测量主要还是采用传统的机械式拐档表来测量[3]。传统的拐档表在人工测量时费时费力，不安全，而且在读数时还会产生人为测量误差，使测量结果与实际情况出现差别。海军工程大学的刘伯运、朱宝成等人运用激光和线阵CCD位移测量系统来测量柴油机的曲轴臂距差[4]，但是在实船上还没有应用。国内有关曲轴臂距差测量仪的研究不多，研究成果得到实际应用的甚少，而国外的测量仪价格过高，普及不多，因此，为了顺应国内船舶发展需要，低成本的新型拐档差测量仪的研制就变成一种趋势，其关键技术在于传感器的结构和精度的控制。

1 传感器的测量原理

霍尔微位移传感器通过检测均匀梯度磁场中不同位置的磁通量来测得电压的变化，进而检测出位移量，将两块相同的永磁体同极对称布设，在中间布置与两永磁体平行的霍尔元件。根据霍尔效应原理，如果垂直作用于元件平面的感应强度为B，通过元件的电流为IH，在没有负荷时产生的霍尔电压为UH，则霍尔电压的变化量则用下式表示[5]

(1)

ΔU=R×Δx.

(2)

由上式知，ΔU与Δx位移呈正比，如果控制IH不变，使其在一个均匀梯度磁场中移动，则霍尔元件输出的霍尔电压就能反映出位移，利用这一原理可以对位移进行测量。

2 传感器结构设计

设计的传感器主要结构有永磁体、霍尔元件、连杆系统、弹簧、调节螺杆和蔽磁罩，如图1所示。其中，永磁体选用的圆柱形NdFeB系永磁材料N35，主要考虑到它有以下显著特点：温度系数小、极好的抗腐蚀性能力、材料的剩余磁通密度较高、磁性均匀切易于控制。霍尔元件采用的是SS49E，主要考虑到它在磁场中的灵敏度高，工作电压范围较宽，尤其是在测量微小距离时，它所输出的电压与位置之间有良好的线性关系。为了防止外界磁场对装置内磁场的影响，在装置外部装有蔽磁罩，有效地避免了外界的磁场干扰。在结构体的内部和外部分别设有防撞板，是为了避免在测量中异常情况的发生致仪器的损坏。当霍尔元件在磁场中沿轴线运动时，在不同位置的磁通量不一样，对采集的数据进行特殊算法处理，就可以得到霍尔元件在磁场中的位置，即被测对象的移动距离。该传感器在进行调零时，先估计测量间距大小换取相应尺寸的螺杆，然后再选用微调双向螺母进行微调，使得壳体外防撞板右侧的刻度线与壳体外侧对齐，则调零完成，如图1所示。实验表明，该结构的传感器有着结构简单，抗磁干扰能力良好，而且测量的精度也很高。

图1 传感器结构侧视图Fig 1 Side view of sensor structure

3 永磁体磁场强度的仿真

ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点[6]。运用该软件可以对永磁体进行二维和三维的磁场分析与计算，考虑到三维模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高的要求，因此，在满足精度要求的条件下，尽可能采用二维建模，否则，建模与处理计算的“代价”太高[7]。由于圆柱永磁体的轴对称性，本文采用二维静态磁场分析的矢量位方法对同极对称分布的永磁体进行建模与仿真分析，根据FLUXV宏对闭合回路进行磁通的计算，绘制不同位置磁通的分布图。

本文创建的参数化模型包括永磁体单元、无限远单元区和空气单元区。其中永磁体材料为NdFeB系中的N35,其相对磁导率μr1=1.05,矫顽力HC=883 000 A/m，空气场的相对磁导率μr2=1.0。永磁体的充磁方向为Y轴方向，假设其充磁饱和并被均匀磁化,这里的永磁体充磁方向有正负之分。磁铁的尺寸、空气场和无限远场的大小可以调整，然后对模型进行划分，要考虑计算精度与速度，模型的网格划分如图2所示。然后对模型的不同区域赋予特性，再对模型加边界条件和载荷，最后计算得出结果。

图2 网格划分后的模型Fig 2 Model after meshing

4 霍尔传感器精度的分析

4.1 永磁体的间距对霍尔元件的影响

圆柱永磁体之间的距离直接影响空气场中的磁场的分布。磁场强度太小会使得传感器的输出信号的分辨率下降，但是磁场强度太大会导致传感器输出饱和。因此，必须在传感器的设计中确定最佳的间距δ,由于上下永磁体对称布置取D=δ/2进行测量。选取的霍尔元件的内部核心薄贴片为1.2 m×1.2 mm，主要考虑到一般的霍尔元件有外部的塑料封装厚度与霍尔元件的灵敏度，具体分析了D=2 mm，D=2.5 mm，D=3 mm，D=3.5 mm的磁场强度，在ANSYS中把薄贴片设定为1.2 m×1.2 mm的闭合回路，计算出这4种不同D的磁场强度分布如图3。然后在对D<2 mm的情况进行计算，可以看出在D=2 mm时，霍尔元件的线性度和磁场梯度都是最好的。

图3 磁场强度在不同距离上的分布Fig 3 Magnetic field intensity distribution at different distances

4.2 霍尔元件在磁场的位置对测量精度的影响

磁场在空气中的分布是非线性的，在两个永磁体间磁场的分布和磁体外径向磁场的分布都是不同的，为了了解永磁体在空气中磁场分布情况和哪些区域或者位置会使霍尔元件的测量精度提高，进行了下面的数据测量，由于模型轴对称，霍尔元件初始位置分别放置在模型中间与轴中心线垂直的平面上，沿半径方向向外移动，然后再沿着轴向方向移动，测得了下面一组数据。从图3上设初始坐标(x1,x2),单位为mm，则B0(-0.6,0.6)，C0(0.6,1.8)D0(1.8,3.0)，E0(3.0,4.2)，F0(3.2,4.4)，如图4所示，以便选出最好的配选案。

图4 磁场强度在不同位置上的分布Fig 4 Magnetic field intensity distribution at different locations

从图4可知，为了获得高的均匀梯度磁场位置，还要在C—D之间进行选优，从C点到D点处向半径外方向，以步长为0.2 mm进行移动得到了如下测量数据，如图5所示。

图5 磁场强度在C—D间上的分布Fig 5 Magnetic field intensity distribution between C and D

经图4和图5比较分析可知，在布置霍尔元件时放在图4中D位置，即在XOY平面内，霍尔元件的两边长端点落在X轴的3.0 mm和4.2 mm处，移动方向为Y轴方向的磁场梯度和线性度最好。

5 实验结果分析

本文将霍尔片的微小位移作为输入量，当发生位移时，霍尔片的磁感应强度发生变化，霍尔电压作为输出量，通过测量系统处理，然后在LCD上显示。最后，对200组实验与仿真的数据进行了对比，如图6所示，实验研究与理论计算表明:该传感器在0～2 mm范围内有很好的线性度，分辩率可以达到0.001 mm。

6 结 论

本文应用ANSYS仿真软件对同极对称布置的两个圆柱形永磁体间进行了磁场分析。实验结果表明：尺寸为Ф 8 mm×5 mm的圆柱体永磁体N35，磁体间距为4 mm时，传感器布置在离轴中心线2.4 mm处，用本传感器测量曲轴臂距差数据的精度最高；在此基础上进一步的改进，可以在测量和工程应用上得到拓展。

图6 实验/仿真对比Fig 6 Experiment / simulation comparison

[1] Do-Hyun Jung，Hong-Jin Kim，Young-Shik Pyoun，et al.Reliabi-lity prediction of the fatigue life of a crankshaft[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2009,23:1071-1074.

[2] 傅作人.曲轴臂距差的测量与检测[J].机车车辆工艺，1985(2):13-19.

[3] 郑和东，林金表，蔡振雄，等.船舶柴油机曲轴臂距差电子测量仪的研制[J].集美大学学报:自然科学版,2010,15(5):369-371.

[4] 刘伯运，朱宝成，李发光,等.线阵 CCD 在机械微变距离测量中的应用[J].海军工程大学学报，2002,14(2):85-92.

[5] 何希才，薛永毅.传感器及其应用实例[M].北京:机械工业出版，2004.

[6] 胡仁喜,孙明礼.ANSYS 13.0电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011：12.

[7] 王春兰，张 钢，董鲁宁，等.电涡流传感器的有限元仿真分析与研究[J].传感器与微系统，2006,25(2):41-46.

Design and application of new type crank deflection sensor

WANG Yong, LIN Jin-biao

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Design a new type sensor using Hall effect to measure crank deflection,through finite element analysis method to calculate magnetic field distribution of space around cylindrical permanent magnet,study on influence of the two permanent magnets with location of symmetrical arrangement and relative position of Hall element and permanent magnet on micro displacement measurement precision of sensor,the optimal selection scheme are obtained.Experiment shows relationship between output and displacement is linear in the range of 0～2 mm,measurement precision of the system can achieve 0.001 mm,which is suitable for measurement of micro-displacement of crank deflection measurement.

sensor; crank deflection measurement; finite element analysis; magnetic field analysis

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0079—03

2014—04—14

U 664.21

A

1000—9787(2014)12—0079—03

王 勇(1989-)，男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事现代轮机管理工程研究。