一种非接触式角位移传感器的设计

一种非接触式角位移传感器的设计刘荣先（扬州大学汽车工程实验总厂，江苏扬州225009）〔摘要〕设计了一种基于霍尔原理的非接触式角位移传感器.该传感器利用霍尔元件，实现了对角位移的非接触测量，解决了传统接触式角位移传感器有触点、可靠性差、寿命短的缺点.论文介绍了非接触式角位移传感器的设计和制作，制作的传感器具有单信号带开关输出、双信号输出两种输出特性.〔关键词〕角位移传感器；非接触式；霍尔效应〔中图分类号〕TP2〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-5149（2012）06-0650-04TheDesignofaNon-contactAngularDisplacementSensorLIURong-xian（AutomotiveEngineeringExperimentalPlant,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China）Abstract：Designanon-contactangulardisplacementsensorbasedontheHallprinciple.ThesensorusesaHallelement,anon-contactmeasurementofangulardisplacement,solvetheshortcomingsofcontacts,poorreliabilityandshortlifeofthetraditionalcontactangulardisplacementsensor.Thepaperdescribesthedesignandproductionofthenon-contactangulardisplacementsensor,makingthesensorhasasinglesignalwithaswitchingoutputandtwooutputcharacteristicsofthedualsignaloutput.Keywords：Angulardisplacementsensor;Non-contact;Halleffect0引言随着科学技术的日益发展，人类对自动化要求越来越高，各种位移传感器被广泛使用〔1〕，而在角位移的测量中，目前普遍使用的是接触式角位移传感器，但该类位移传感器存在着可靠性差、使用寿命短等缺点.为了解决这个难题，非接触角位移传感器应运而生.传统的接触式角位移传感器，由于电刷和电阻基片长期的滑动接触，这些机械部件易产生磨损，而这种磨损会产生接触不良或输出阻值的改变，最后导致输出信号无法正常输出等后果，且使用寿命受到限制〔2〕.本文利用霍尔原理，设计了一种非接触式角位移传感器.该传感器克服了传统的接触式角位移传感器的缺陷，并被广泛应用于汽车电子油门踏板位置测量、自动变速器位置测量和节气门体位置测量等.该传感器获得二项国家专利，专利号分别为：ZL200630080383、4；ZL200620068817、3.1非接触式角位移传感器的工作原理该非接触式角位移传感器是利用霍尔效应来实现角位移的非接触式测量.霍尔效应是指在元件的控制电流端通以电流I，并在平面导体的法线方向上，施加一磁场强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个霍尔电势VH〔3〕，数学表达式为〔4〕：VH=fHKHIB式中，I为通过元件的电流；KH为元件的灵敏度；B为磁感应强度；fH为形状系数，由元件的形状和霍尔角决定，一般小于1〔5〕.由上式可知，霍尔电势VH的大小正比于控制电流Ⅰ和磁感应强度B，当电流一定时，霍尔电势与磁感应强度B成正比.在角位移的测量中，若被测角度为β，通过元件的电流I和磁感应强度B一定，则上式可以改写成：基金项目：扬州市—扬州大学科技合作项目（YZ2008088）作者简介：刘荣先，扬州大学高级工程师.第27卷内蒙古民族大学学报（自然科学版）Vol.27No.62012年11月JournalofInnerMongoliaUniversityforNationalitiesNov.2012VH=fHKHIBcosθ从上式可以看出：改变旋转角度β就能改变作用在元件上磁场的大小，从而就能使输出的霍尔电势VH作出相应的改变，本文设计的角位移传感器就是基于这样的原理来达到实现非接触测量角位移的目的.2非接式触角位移传感器的设计2.1设计要求通过前文了解了该非接触式角位移传感器的工作原理，但由于在实际生产操作过程中不可能实现理论上的条件，故在设计中有如下要求：1）设计随传感器角度变化而同比例变化的磁场强度，并将此磁场强度加于霍尔元件感应点上，给霍尔元件供电，就得到霍尔元件输出电压信号随角度变化而同比例变化的信号；2）为了保证输出信号的线性度，霍尔元件必须工作在磁场变化的线性区内，如图1；图1霍尔旋转角度与磁通密度线性示意图Figure1LinearschematicdiagramoftheHallangleofrotationandthemagneticfluxdensity图2传感器的结构示意图Figure2Thesensorconfigurationdiagram1．壳体；2．内盖；3．转子；4．密封圈；5．霍尔元件；6．电路板；7．隔板；8．上腔；9．下腔；10．磁钢；11．导磁片；12．插接口；13．插针；14．连接柱；15、16．固定孔；17．连接凹槽；18．霍尔元件；19．导磁片3）为了保护霍尔元件，可设计一保护电路；第6期刘荣先:一种非接触式角位移传感器的设计6514）为了确保防水，传感器可设计成二个腔，在电路板腔内灌环氧树脂，防震，防水；5、为了消除磁场，机械误差，选用可编程霍尔，在传感器装配好，并安装到工作件上时，写入程序.2.2非接触式角位移传感器结构设计根据上述的设计要求为了保证磁场能够均匀地作用在霍尔元件的灵感区，设计了一个导磁结构，这种结构很好地达到了导磁、聚磁效果.其次是电路的保护，在该传感器中，设计了两个腔，一个放电电路板，另一个放霍尔芯片.这种设计有效地防止了电磁干扰，而且有利于对电路板进行封装灌胶，质量也更好控制.图2所示为该传感器的结构示意图.2.3功能设计该传感器根据电子加速踏板的要求设计成具有单信号带开关输出或双信号输出的特性.也可根据需要设计成其他输出形式.图3、图4所示为电子加速踏板用传感器两种信号输出的结构原理示意图.图5和图6分别是电子加速踏板用传感器两种不同的输出特性曲线.该传感器相关性能参数如表1所示.图5单信号带开关传感器输出特性曲线Figure5Outputcharacteristiccurveofswitchsensorwithasinglesignal图6双信号传感器输出特性曲线Figure6Outputcharacteristiccurveofswitchsensorwithdouble-signal图3单信号带开关传感器结构原理示意图Figure3Schematicdiagramstructureofswitcsensorwithasinglesignal图4双信号传感器结构原理示意图Figure4Schematicdiagramofdouble-signalsensorstructure内蒙古民族大学学报2012年652图7应用电路Figure7Theapplicationcircuit表1性能参数Table1Theperformanceparameters额定电压工作电流输出电流负载电阻负载电容绝缘电阻总机械角度有效角度线性度工作寿命双信号同步度允许偏差DC5×(1±0.1%)≤2014.510≥10(500v)90±265±2±2≥1000±0.5vmAmAkΩnfMΩ。。%万次%3器件选型非接触式角位移传感器的核心部件是霍尔元件.对霍尔元件的选用，要考考虑温度、湿度和灵敏度的要求，以及其电电气性能.通过综合多方面的对比和分析，选用MICRONAS公司的HAL815霍尔元件.该霍尔元件已实现可编程序，通过参数设置能极大的提高输出曲线的线性度、同步度等.并可对温度、磁场强度等参数进行补偿.该传感器典型工作电压为5V，工作环境温度范围为－40℃至150℃.传感器实际应用电路如图7所示.在编程过程中应注意传感器将被提供100ms的12V编程电压.所有连接在VDD线上的期器件必须能够受承这个电压.4结语本文主要介绍了一种基于霍尔效应的新型非接触式角位移传感器，它克服了传统接触式角位移传感器的一些缺点.在现代工业越来越发达的今天，汽车及其它产品对角位移传感器的精度要求越来越高〔6〕，该类非接触式角位移传感器由于其参数修改方便、误差小、寿命长等优点，必将在汽车行业及其他领域得到更广泛的应用.参考文献〔1〕黄长仪，卢文祥.机械制造中的测试技术〔M〕.北京：机械工业出版社，1981．〔2〕张珂，杨其华，李冰，等.基于霍尔器件的非接触式角度传感器研制〔J〕.传感技术学报，2008，21（6）：981-984．〔3〕上海电子专科学校.霍尔元件及其应用〔M〕.上海：人民出版社，1974．〔4〕苏步霄，周士钟.敏感元件及其应用〔M〕.北京：中国铁道出版社，1987．〔5〕武新军，康宜华，卢文祥，等.非接触式霍尔位移传感器的研制及应用〔J〕.华中理工大学学报，1998，26（2）：53-54．〔6〕吴民.霍尔器件在汽车上的应用〔J〕.新疆职业大学学报，2007，15（3）：96-98．〔责任编辑徐寿军〕第6期刘荣先:一种非接触式角位移传感器的设计653