基于霍尔效应的新型差动式角位移传感器

刘昕彤，孙士尉，张铁壁，李 娜

(河北水利电力学院，沧州 061001)

0 引 言

角位移测量在工业、航空、船舶等多个领域具有广泛的应用[1-2]。按照测量原理的不同，可以分为光电式、磁电式、电容式、电感式和电阻式等类型[3]。

随着科学技术的发展和角位移传感器使用要求的不断提高，国内外很多学者对新型角位移传感器进行了开发和设计，包括一种基于光纤阵列的二维微角位移传感器[4]、新型差动变压器式角位移传感器[5]、无接触式智能角度传感器[6]、基于磁旋转编码器的角度传感器[7]以及一种新型霍尔式角位移传感器[8]。

本文针对常用的霍尔式角位移传感器线性误差大，测量系统结构复杂，需要信号处理电路及分析电路的线性化才能达到测量目的这一问题，设计了一种基于霍尔效应的新型差动式角位移传感器。详细阐述了传感器的机械结构和工作原理，其中传感器的弧状磁钢用于产生传感器用磁场；上、下磁轭能够保证传感器工作时，两个霍尔元件所在位置的磁场强度的分辨率，以及磁场的利用率，同时能够消除外部磁场对传感器的干扰；此外，弧状磁钢表面的磁场强度分布均匀，且两片霍尔元件采用差动式连接，能够保证霍尔传感器输出的电势具有较高的线性度。

1 角位移传感器的结构

设计的新型角位移传感器结构如图1所示，对应俯视图如图2所示。主要包括转盘、半圆形弧状磁钢、上磁轭、霍尔元件和下磁轭5部分。其中转盘由非铁磁材料制成，中心设有安装孔，用于将转盘和被测旋转部件固定；弧状磁钢固定在转盘的表面，弧度为180°，与圆盘同心，且表面磁场均匀分布；上磁轭为左右两对称部分，同为半圆形，由铁磁材料制成，且包括1个下凸起部分；下磁轭为圆形，与转盘面积基本相同，由铁磁材料制成，且包括两个上凸起部分；两片霍尔元件分别置于上磁轭下凸起部分与下磁轭上凸起部分之间的空隙中。

图1 传感器结构图

图2 传感器俯视结构图

2 角位移传感器的工作原理

2.1 磁路分析

传感器工作时，位于转盘的弧状磁钢产生磁场，根据磁力线总是力图走磁阻最小的路径这一特性，该磁场分别经由上磁轭左右两部分、空气隙、霍尔元件和下磁轭后形成闭合回路。当转盘位于初始位置时，弧状磁钢对称分布在上磁轭的左、右两部分的下方，即磁钢产生的左、右两段磁路中的磁通量相等，如图3所示。

图3 角位移为零时传感器的磁场分布情况

当转盘转动时，假设顺时针转过45°角位移，如图4所示，此时弧状磁钢分布在上磁轭的左、右两部分的下方的长度将不再对称，则磁钢产生的左、右两段磁路中的磁通量不再相等，如图5所示。

图4 转盘转过45°角时的俯视图

图5 角位移为45°时传感器的磁场分布情况

2.2 霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体或半导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应[9]，在两端横面之间建立的电势称为霍尔电势UH，且有：

UH=KHIBcosθ

(1)

式中：KH为霍尔元件的灵敏度系数；I为通过霍尔元件的电流；B为穿过霍尔元件的磁场强度；θ为磁场与霍尔元件法线方向的夹角[9]。当磁场方向与霍尔元件垂直时，式(1)简化：

UH=KHIB

(2)

2.3 输出特性

根据磁路的欧姆定律，假设弧状磁钢总的磁势为F，则当转盘位于初始位置时，分别穿过上磁轭左右两部分、空气隙、霍尔元件和下磁轭的磁通量：

(3)

式中：Rm为上、下磁轭段总的磁阻，磁路不饱和时该磁阻为常数；Rδ为磁通穿过空气隙段的磁阻；RH为磁通穿过霍尔元件的磁阻。

由式(2)可知，即此时磁通量Φ1=Φ2，由于上磁轭下凸起部分与下磁轭上凸起部分面积相等，则穿过两片霍尔元件的磁场强度B1=B2。根据式(1)可知，两片霍尔元件产生的霍尔电势UH1=UH2，由于两片霍尔元件为差动式连接，则此时总的霍尔电势为零。

当转盘转过角位移α时，穿过上磁轭左右两部分、空气隙、霍尔元件和下磁轭的磁通量分别：

(4)

根据霍尔效应，此时两片霍尔元件产生的霍尔电势分别：

(5)

由于霍尔元件采用差动式连接，则总输出的霍尔电势：

(6)

联立式(3)和式(6)可得：

(7)

由式(7)可知，霍尔元件产生的霍尔电势与角位移α成正比例关系。

3 角位移传感器的特性测定

采用测量精度为1′的分度头，在-90°～90°范围内，对传感器的输出电压进行了测试，其中霍尔元件型号为3144，采用+5 V直流电源进行加载，得到的实验结果如表1所示，对应的传感器特性曲线如图6所示。

表1 传感器特性测定实验数据

图6 角位移传感器特性测定曲线

由实验结果可知，本文设计的差动式角位移传感器，其角位移测量灵敏度约为52.5 mV/(°)，线性误差约为0.53%。

4 结 语

本文针对现有霍尔式角位移传感器的不足，提出了一种基于霍尔效应的新型机械结构的差动式角位移传感器，对其工作时的磁路及输出特性进行了分析和推导。本文设计的角位移传感器，无需外加信号处理及线性化电路，可直接实现角位移的测量，具有结构简单、成本低、灵敏度高、线性误差小、抗干扰能力强等优点，可望得到推广和应用。

[1] 奚小网，陆荣，高波.用于多电机同步控制的角位移传感器设计[J].制造业自动化，2011，33(8)：45-48.

[2] 刘发英，苏秀苹，王禹博.角位移传感器在智能断路器机械特性测试中的应用[J].机床与液压，2013，41(12)：23-27.

[3] 高峰，谷雨，周滨,等.一种电容式角度传感器[J].仪表技术与传感器，2009(8)：17-18,90.

[4] 赵婷婷，赵勇，张毅.基于光纤阵列的二维微角位移传感器[J].光学学报，2009，29(4)：874-878.

[5] 孟武胜，苗溢文，董蓉.一种新型差动变压器式角位移传感器[J].微特电机，2010，38(8)：32-34.

[6] 杨星，张家祺，王晶,等.全角度无接触式智能角度传感器设计与验证[J].计算机工程与设计，2016，37(1)：71-75,194.

[7] 吴小锋.基于磁旋转编码器的角度传感器动态误差补偿方法[J].仪表技术与传感器，2015(11)：15-17.

[8] 季汉川，杨文焕.一种新型霍尔角度传感器的设计与分析[J].仪表技术与传感器，2012(8)：7-8,11.

[9] 闻福三，赵京明，王玲玲.霍尔效应和霍尔传 感器的教学方法研究[J].电气电子教学学报，2012，34 (2)：118-120.