一种基于霍尔效应的扭矩传感器*

赵　浩

（嘉兴学院南湖学院，浙江嘉兴314001）

一种基于霍尔效应的扭矩传感器*

赵浩*

（嘉兴学院南湖学院，浙江嘉兴314001）

扭矩的测量对旋转机械在各种载荷下的动态特性研究起着关键的作用，为此，设计了一种基于霍尔效应的扭矩传感器。传感器主要包括传感器轴、内铁心和外铁心，其中内、外铁心分别置于传感器轴的两端，且分别装配永磁磁钢和霍尔传感器。传感器工作时，霍尔传感器通入直流控制电压，永磁体建立恒定磁场，当负载扭矩加载后，传感器轴产生形变，内、外铁心中的霍尔传感器和恒定磁场的相对位置发生变化，霍尔传感器输出与负载扭矩相对应的电信号。最后对传感器进行了标定，结果表明传感器的灵敏度约为31.5 mV（/N·m），非线性误差约为2.49%，迟滞误差约为0.47%，重复性误差约为0.8%。

扭矩传感器；霍尔效应；输出特性；标定

EEACC：7230；7320E doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.007

随着科学技术的不断进步，扭矩测量技术在工业、航空航天、农业、军事等多个领域获得了广泛的应用，例如在壳式断路器测试系统中，通过扭矩传感器的实监测数据来确定步进电机的工作状态，使得断路器双金属片上的螺母能够精确锁紧［1］；采用动态扭矩传感器对双电机的转速同步性能进行检测，得到双电机在不同转速下的力矩差，以保证转台精确稳定地运行［2］。

近年来许多专家在扭矩测量方面进行了大量的研究，设计了多种新型扭矩传感器，包括磁阻式转矩传感器［3］、基于STM32的高精度扭矩测量系统［4］、闭磁路磁电式转矩传感器［5］、基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器［6］、差动感应式扭矩传感器［7］、基于LabVIEW的旋转轮轴扭矩测试系统［8］、基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统［9］、一种机器人谐波减速器内嵌扭矩传感器［10］、高线性度分段激磁式扭矩传感器［11］、基于纳米晶软磁合金的磁弹性扭矩传感器［12］、基于转角差法的扭矩传感器设计［13］和一种双梁式动态扭矩-转速传感器［14］等等。

本文设计了一种基于霍尔效应的扭矩传感器，详细阐述了传感器的机械结构和工作原理，推导了传感器的输出特性，最后对传感器进行了标定，得到了传感器的性能指标，结果表明传感器具有较高的灵敏度，可望得到推广和应用。

1　传感器机械结构

图1为设计的扭矩传感器结构图，主要包括传感器轴、两个支架、外环铁心、内环铁心、霍尔传感器、永磁磁钢和配套轴承。其中内环铁心通过支架2与传感器轴的左端固定；支架1与传感器轴的右端采用一体化设计，外环铁心固定在支架1的内侧；支架2与传感器轴的右端通过轴承隔开；内外环铁心之间存在空气隙。

图1　扭矩传感器结构图

图2为扭矩传感器对应的A-A剖面图，永磁磁钢为四片，均匀分布的固定在内环铁心的间隙中；霍尔传感器为四个，均匀分布的固定在外环铁心的间隙中；无负载扭矩作用时，永磁磁钢和霍尔传感器在空间上的初始位置为相互错开45°。

图2　扭矩传感器剖面图

根据上述机械结构对传感器的各个配件进行加工，组装完成后的传感器样机如图3所示。

图3　扭矩传感器实物图

2　传感器工作原理及特性

2.1霍尔效应

霍尔效应原理图如图4所示，在与磁场垂直的半导体薄片上通电流I，假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转（如虚线箭头方向），从而形成电子的积累，同时另一侧形成正电荷的积累，在传感器的横向形成电场，电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子积累达到动态平衡，此时在两端横面之间建立的电势称为霍尔电势UH，且：

式中，KH为传感器的灵敏度，表示霍尔传感器在单位磁感应强度和单位控制电流下霍尔电势的大小；B为磁场的磁感应强度，当磁感应强度B和霍尔传感器平面法线成角度α时，霍尔传感器两端的霍尔电势为：

图4　霍尔效应原理图

2.2扭矩测量原理

当弹性轴受到负载扭矩作用时，弹性轴两端的截面会产生扭转角，在转轴弹性范围内，扭转角与负载扭矩存在如下关系式［15］：

式中，Δθ为轴的扭转角（rad）；T为负载扭矩（N·m）；L为轴的工作长度（m）；D为轴的直径（m）；G为轴材料的剪切模量（N/m2）。

当传感器轴未受负载扭矩作用时，永磁磁钢形成的磁场与霍尔传感器的相对位置如图5所示，霍尔传感器的接线如图6所示，其中虚线代表磁力线的走向。四个霍尔传感器的电压输入端采用串联的方式连接，通入直流控制电压后产生电流I，由于磁场与霍尔传感器平面法线的夹角α=90，根据式（2）可知，霍尔传感器的霍尔电势为零。

传感器转轴受负载扭矩作用时，传感器轴端面产生扭转角Δθ，固定在传感器转轴上的永磁磁钢与霍尔传感器的空间相对位置发生改变，磁场与霍尔传感器的相对位置如图7所示，传感器的接线如图8所示。磁场与霍尔传感器平面法线的夹角α=90-θ，根据式（2）可知，霍尔传感器的霍尔电势不为零，且与扭转角Δθ存在对应关系。

图5　负载扭矩零时磁钢磁场与霍尔传感器相对位置图

图6　负载扭矩为零时霍尔传感器接线图

图7　负载扭矩加载时磁钢磁场与霍尔传感器相对位置图

图8　负载扭矩加载时传感器接线图

假设某瞬时霍尔传感器的电流方向如图8所示，传感器中的电荷受到磁场洛伦兹力的作用，集聚后霍尔电势的极性如图8所示，将四片霍尔传感器产生的霍尔电势采用串联的方式连接，最终以a、b两个端子引出，两端的霍尔电势为：

在传感器转轴的弹性范围内，扭转角Δθ较小，因此：

联立式（3）和式（5）得：

由式（6）可知，霍尔电势与负载扭矩成正比，可以通过标定获得比例系数，完成后即可用于扭矩测量。

3　传感器的标定

采用高精度扭力扳手对传感器进行标定，为使传感器轴工作在弹性范围内，轴所受的最大剪应力必须小于材料所允许的剪切比例极限，传感器转轴材料为40Cr，直径为6 mm，长度为100 mm，经过理论计算表明转轴的剪切比例极限约为80 N·m。为了保证一定的裕量，传感器标定时的最大加载扭矩约为50 N·m。

实验时传感器中的霍尔传感器型号为AH3503，所加直流电压幅值为12 V；永磁磁钢牌号为45H，剩磁为1.34 T，矫顽力为995 kA/m。得到的传感器标定实验结果如表1所示，对应的输出特性曲线如图9所示。

根据表1的结果可得传感器的灵敏度约为31.5 mV/（N·m），最大非线性误差约为 2.49%，最大迟滞误差约为 0.47%，重复性误差约为0.8%。

表1　传感器标定实验结果

图9　传感器输出特性曲线

4　结束语

本文设计了一种新型基于霍尔效应的扭矩传感器，详细阐述了传感器的机械结构和测量原理，最后通过标定得到了传感器的各项性能指标。鉴于扭矩传感器的广泛应用，后续研究的重点是将研制的扭矩传感器进行实用化推广，比如齿轮箱的状态监测和故障诊断、电动机的参数性能测试等等。

［1］刘汝斌，程武山.扭矩传感器在步进电机控制系统中的应用［J］.仪表技术与传感器，2012（7）：3-5.

［2］段翔兮，佃松宜，向国菲，等.采用动态扭矩传感器的双电机同步性能检测系统［J］.测控技术，2016，35（1）：43-45.

［3］胡延平，朱启林，庞磊，等.汽车EPS磁阻式转矩传感器的研制［J］.汽车技术，2013（8）：32-36.

［4］王金全，王小鹏，于挥.基于STM32的高精度扭矩测量系统设计［J］.传感器与微系统，2015，34（4）：99-101.

［5］徐光卫，宋春华.闭磁路磁电式转速转矩传感器的研究［J］.微特电机，2012，40（6）：27-29.

［6］余成波，张莲，陈学军，等.基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器研究［J］.传感技术学报，2006，19（3）：713-715.

［7］赵浩.差动感应式扭矩传感器及其有限元分析［J］.传感技术学报，2015，28（5）：654-659.

［8］刘志远，蔡春丽，柴寿臣.基于LabVIEW的旋转轮轴扭矩测试系统的设计［J］.计算机测量与控制，2015，23（12）：4013-4015.

［9］赵浩.基于FPGA的高精度感应移相式扭矩测量系统［J］.传感技术学报，2015，28（10）：1486-1489.

［10］潘新安，王洪光，姜勇.一种机器人谐波减速器内嵌扭矩传感器的研制［J］.仪器仪表学报，2014，35（1）：650-655.

［11］赵浩.新型高线性度分段激磁式扭矩传感器的研究［J］.传感技术学报，2014，27（12）：1672-1675.

［12］石延平，臧勇，崔伯第.基于纳米晶软磁合金的磁弹性扭矩传感器的研究［J］.传感技术学报，2011，24（8）：1163-1167.

［13］逢金鑫，潘海林，张清第.基于转角差法的扭矩传感器设计［J］.仪表技术与传感器，2015（10）：13-15.

［14］梁应选，钟华，张秋，等.双偏心动态扭矩-转速传感器的研制［J］.实验室研究与探索，2014，33（8）：93-96，100.

［15］张有硕.转矩测量技术［M］.北京：计量出版社，1986.

赵浩（1983-），男，讲师，主要研究方向为新结构传感器设计、电机振动特性分析及抑制方法研究。主持浙江省自然科学基金、浙江省教育厅科研项目和嘉兴市科技计划项目等多项课题，在Sensors、Review of Scientific Instruments、Journal of Vibro-engineering和传感技术学报、计量学报等期刊上发表多篇论文，zhaohao204@163.com。

A New Torque Sensor Based on Hall Effect*

ZHAO Hao*
（Nanhu College of Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

Torque measurement plays a key role on the dynamic characteristics studying of rotating machinery when under various loads，a torque sensor based on hall effect is designed in this paper.The torque sensor is consist of sensor shaft，inner core and outer core，the inner core and outer core are placed on the shaft two ends respectively，and permanent magnetic steel and hall element are assembled in inner core and outer core respectively.The hall sensor has DC excitation voltage，and a constant magnetic field established by permanent magnet，the intersection angle of the hall sensor and the constant magnetic field is changing with the load torque for the deformation of sensor shaft，resulting the amplitude of hall sensor output signal is corresponding to the value of load torque.The sensor is calibrated by torsion testing machine，the experiment results indicated the sensitivity of the sensor is about 31.5 mV/（N·m），the non-linear error is about 2.49%，the hysteresis error is about 0.47%，and the repeatability error is about 0.8%.

torque sensor；hall effect；output characteristic；calibration

TP212

A

1004-1699（2016）10-1505-04

项目来源：浙江省自然科学基金项目（LQ14E050007）；嘉兴市科技计划项目（2016AY13006，2015AY11018）

2016-04-03修改日期：2016-06-08