CN101539463A - 对称互补结构的霍尔差分式测力方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称互补结构的霍尔差分式测力方法，包括下述步骤：(1)取一圆柱形永磁体固定于一弹性体上，将两个线性霍尔元件对称置于圆柱形永磁体两侧且不随弹性体移动，使两个霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面，然后把两个霍尔元件接入到测量电路中；(2)对(1)中的弹性体施加力F，使圆柱形永磁体产生位移变化，记录两个线性霍尔元件的输出电压差值，电压差值以ΔU表示；(3)将(2)中得到的ΔU的数值代入公式ΔU＝ΔU₀+2KF中就可求得所施加的力F的数值，式中ΔU₀为两线性霍尔元件的静态输出电压差值，K为线性系数。该方法具有良好的线性度和较高的灵敏度。

Description

对称互补结构的霍尔差分式测力方法

技术领域

本发明涉及一种对称互补结构的霍尔差分式测力方法，属传感器与测量技术领域，主要用于力的非接触式测量。

背景技术

常用的测力传感器大都采用应变片作为敏感元件，其方法是将多个应变片固定在弹性体上，应变片构成惠斯登电桥电路，当应变片随弹性体形变时，应变片的电阻数值发生变化，实现力学量到电学量的转换。这种应变式的方法应用已久，目前力传感器主要采用这种方法。应变式的缺点是敏感元件与弹性体直接接触，弹性体变形较大时会造成应变片永久性损坏，因此对弹性体的变形有较高要求，属接触式的测力方法。

专利号为200320131487.4，名称为“霍尔式力传感器”的专利文件中公开了采用单个线性霍尔元件来实现测量力的方法，利用霍尔元件能进行微小位移测量的优点，以霍尔元件代替应变片，测量弹性体的形变从而实现力的测量。分析发现，这种方法有很大的局限性，对磁体的尺寸要求高，尤其是当磁体或霍尔元件旋转时，不能消除非线性因素的影响，因此只适应于弹性体的小位移的线性变化。另外霍尔元件固定在弹性体上，没有真正实现非接触式测量，应用受到限制。

发明内容

本发明采用了两个线性霍尔元件作为敏感元件，用来取样圆柱形磁体的磁场变化获取信号。霍尔元件由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，输出电压与磁感应强度B成正比。因霍尔电压经放大器处理，静态输出电压(B＝0mT，V_CC＝5V)U₀为电源电压的一半。S磁极作用霍尔元件字符标志面时，输出电压高于U₀；N磁极作用霍尔元件标志面时输出电压低于U₀。设霍尔元件的电压输出系数为K_H，根据霍尔效应和霍尔元件的设计特点，霍尔元件输出特性可表示为：

磁感应强度B方向与标志面相反时    U＝U₀+K_HB    (1)，

磁感应强度B方向与标志面相同时    U＝U₀-K_HB    (2)。

根据(1)、(2)两式，若两个霍尔元件对称置于圆柱形永磁体两端面的外侧时，磁场变化时其输出电压将发生变化，变化规律与霍尔元件标志面的方向相关。

本发明目的是提供一种以非接触式精确测量力的方法，该方法具有良好的线性度和较高的灵敏度。

为了实现本发明的目的，本发明所提供的对称互补结构的霍尔差分式测力方法包括下述步骤：

(1)取一圆柱形永磁体，把圆柱形永磁体固定于一弹性体上；以圆柱形永磁体的中心为对称点，将两个线性霍尔元件对称置于圆柱形永磁体的两端面的外侧且不随弹性体移动，使两个线性霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面，然后把两个线性霍尔元件接入到测量电路中；

(2)对(1)中的弹性体施加力F，使圆柱形永磁体产生位移变化，记录两个线性霍尔元件的输出电压差值，电压差值以ΔU表示；

(3)将(2)中得到的ΔU的数值代入公式ΔU＝ΔU₀+2KF中就可求得所施加的力F的数值，式中ΔU₀为两线性霍尔元件的静态输出电压差值，K为线性系数。

两个线性霍尔元件的敏感中心位于圆柱形永磁体的轴线上。

所述弹性体为在力的作用下发生弹性形变，并遵循胡克定律的任意弹性体。

所述圆柱形永磁体的端面的面积大于或等于线性霍尔元件的字符标志面的面积。

对称互补结构的霍尔差分式测力方法，采用对称置于圆柱形永磁体的两端面的外侧，两个线性霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面，两个线性霍尔元件的敏感中心最好位于圆柱形永磁体的轴线上。

圆柱形永磁体固定在弹性体上，并在力的作用下随弹性体产生位移变化，使圆柱形永磁体与两霍尔元件之间产生相对位移，测量系统失去对称性，引起磁场的变化，一个霍尔元件与圆柱形永磁体的一个端面距离加大，即作用该霍尔元件的磁感强度削弱，霍尔元件的输出电压将减小。而另一个霍尔元件与圆柱形永磁体的另一个端面距离减小，即作用该霍尔元件的磁感强度增强，霍尔元件的输出电压将增大。

作用于霍尔元件的有效磁感强度发生变化，霍尔元件产生的霍尔电压就发生变化，即：力→位移变化→磁感应强度变化→霍尔电压变化的转换，实现力的非接触式测量。

两霍尔元件的输出电压差值作为信号输出，因此具有差分输出的特点，不仅能够抵消直流成分和零点温度漂移，还能抑制共模干扰，提高测量的精度。

对称互补结构不仅能够抵消转角非线性变量的影响，还能提高输出信号的幅度，这种测量方法能够改善输出信号的线性度和灵敏度。

由于圆柱形永磁体固定在弹性体上，随弹性体运动，霍尔元件固定不动，以磁敏式获取力的信息，因此属于非接触式的力测量，可靠性高。对称互补结构的设计，能够适应目前应用的各种类型的弹性体。

从以上叙述中不难得出本发明有以下优点：

(1)具有良好的线性度和较高的灵敏度；

(2)器材造价低、应用方便、接口简单，便于与各种弹性体构成力传感器。

附图说明

图1是对称互补结构的霍尔差分式测力方法测量模型示意图，虚线框内的模型结构部分简称为M。其中1为霍尔元件H₁；2为霍尔元件H₂；3为圆柱形永磁体；霍尔元件H₁和H₂分别固定于支撑件(4、5)上。霍尔元件H₁和霍尔元件H₂均为线性霍尔元件，以圆柱形永磁体的中心为对称点，将霍尔元件H₁和霍尔元件H₂对称置于圆柱形永磁体3的两端面的外侧，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的标志面均朝下，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的标志面平行于圆柱形永磁体3的两个端面，两个线性霍尔元件的敏感中心均位于圆柱形永磁体3的轴线上。圆柱形永磁体3的端面的面积大于任一个霍尔元件标志面的面积，当然也可以等于标志面的面积。x-y为正交坐标系，圆柱形永磁体3的中心位于坐标原点，y轴垂直于霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的标志面；霍尔元件H₁、霍尔元件H₂到磁体中心的距离均为Y；B表示圆柱形永磁体3的磁感应强度。

图2是消除转角非线性因素影响的原理图，圆柱形永磁体3在y轴方向未发生位移，仅磁感应强度B的方向相对于y轴旋转θ角度。

图3是测量方法原理示意图，在M的基础上增加弹性体和力传递装置，图中6为力传递装置；7为弹簧弹性体；F为施加的作用力。圆柱形永磁体3固定于力传递装置6上，弹簧弹性体7的一端固定于支撑件5上，另一端固定于力传递装置6上。假设圆柱形永磁体3在力F的作用下仅随弹性沿y轴方向移动，位移的大小为y。

图4是圆柱形永磁体同时发生位移和偏转时力的测量方法原理图，图中AP为等截面的弹性体，A端固定、P端自由，水平放置，构成一长度为L的弹性悬臂梁系统。M与悬臂梁系统构成一力测量装置，圆柱形永磁体3固定于梁上C点，C点到P端的距离为l，在P端施加的垂直向下的作用力F。在力F作用下，悬臂梁将发生弹性弯曲，圆柱形永磁体将在垂直方向发生位移，同时磁感应强度B的方向会发生偏转。

图5是测量电路的原理图，图中H₁、H₂为线性霍尔元件，1、2、3为引脚序号；E_C为5V直流电源，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的1脚连接电源正极，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的2脚连接电源负极；霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的3脚为信号电压输出端，信号电压分别用U₁、U₂表示；ΔU为差分信号输出。

具体实施方式

1、力的测量模型结构与工作原理

参见附图1，对称互补结构的霍尔差分式测力方法模型结构如图M部分，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂对称置于圆柱形永磁体3的两端面的外侧，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的敏感中心与圆柱形永磁体3的中心在同一轴线上，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的字符标志面朝向一致，都朝向y轴反方向且与y轴垂直。圆柱形永磁体3的中心位于坐标原点上，y轴与圆柱形永磁体3的轴线一致，初始状态下，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂与坐标原点的距离均为Y。霍尔元件H₁和霍尔元件H₂分别固定于支撑件(4、5)上，设作用于霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的有效磁感应强度为B，霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的电压系数为K_H，考虑霍尔元件的静态输出的差异，霍尔元件H₁的静态输出电压为U₀₁，霍尔元件H₂的静态输出电压为U₀₂，由于霍尔元件的标志面均与磁场方向相反，根据(1)式，

霍尔元件H₂的输出电压方程为：U₂＝U₀₂+K_HB    (3)；

霍尔元件H₁的输出电压方程为：U₁＝U₀₁+K_HB    (4)；

霍尔元件H₂和霍尔元件H₁输出电压差为：ΔU＝U₂-U₁＝U₀₂-U₀₁＝ΔU₀  (5)。

(5)式说明，初始状态下测量模型的输出电压等于霍尔元件的静态输出电压之差ΔU₀，与磁感应强度无关。这种对称互补结构能够消除直流成分，具有差分的特征。

2、磁体仅发生偏转时，非线性变量消除原理

参见附图2，假设圆柱形永磁体3仅以对称中心相对x轴偏转角度θ，在y轴方向未产生位移。磁感应强度B在y轴方向的分量为B_y，B_y为作用于霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的有效磁感应强度，则B_y＝B COSθ，根据(3)、(4)两式，

霍尔元件H₂的输出电压方程为：U₂＝U₀₂+K_HBcosθ    (6)；

霍尔元件H₁的输出电压方程为：U₁＝U₀₁+K_HBcosθ    (7)；

霍尔元件H₂和霍尔元件H₁输出电压差为：ΔU＝U₂-U₁＝U₀₂-U₀₁＝ΔU₀  (8)。

(8)式与(5)式相同，表明输出电压差与转角θ无关，尽管B_y呈非线性变化，但这种对称互补结构的差分式输出能够抵消转角的非线性影响。

3、磁体仅发生位移时力的测量方法原理

参见附图3，在M的基础上增加弹性体7和力传递装置6，设弹性体7的弹性系数为K_y，力F通过力传递装置6作用于弹性体7，沿y轴在力F的方向上产生的位移量为y，则圆柱形永磁体3与霍尔元件H₁和霍尔元件H₂的距离分别变为Y+y、Y-y，根据对称性和电磁学的理论，磁感应强度的变化量为ΔB，作用于霍尔元件H₂有效磁感应强度为(B+ΔB)，作用H₁有效磁感应强度为(B-ΔB)，根据(3)、(4)式，

霍尔元件H₂的输出电压方程为：U₂＝U₀₂+K_H(B+ΔB)；

霍尔元件H₁的输出电压方程为：U₁＝U₀₁+K_H(B-ΔB)；

霍尔元件H₂和霍尔元件H₁输出电压差为：ΔU＝U₂-U₁＝ΔU₀+2K_HΔB (9)。

根据电磁学的理论，离开磁体表面一定距离范围，磁场存在线性区域，磁感应强度的变化量可表示为：ΔB＝K_ly(10)，

(10)式中K_l为线性系数，y为位移变化量。由(9)、(10)两式得：

ΔU＝ΔU₀+2K_HK_ly(11)。

(11)式表明，ΔU与位移的大小成正比，为线性关系，能够实现位移与电压的线性变换，说明对称互补结构的测量模型能够进行小位移的测量。

根据胡克定律，弹性体发生弹性形变时，力F与位移y的关系为：

F＝K_y·y(12)，

将(12)式代入(11)式得： $\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_0+2\frac{K_H{K}_l}{K_y}F---\left(13\right).$

(13)式表明，ΔU与弹性系数K_y成反比，改变弹性系数的大小可以改变力的测量范围。因K_H、K_l、K_y均为常数，若令 $K=\frac{K_H{K}_l}{K_y},$ 则电压差与力的关系为：

ΔU＝ΔU₀+2KF    (14)。

(14)式表明，ΔU与待测F的大小成正比，为线性关系，实现了力与电压的线性变换，这就是测量方法的原理根据；同时也说明电压变化量是单个霍尔元件输出电压变化的两倍，对称互补结构能够提高输出信号电压幅度，有利于提高测量系统的灵敏度。

4、磁体同时发生位移和偏转时力的测量方法原理

参见附图4，M与悬臂梁系统构成一力测量装置，在P端施加的垂直向下的待测F。在力F作用下，悬臂梁将发生弹性弯曲，圆柱形永磁体3将在垂直方向发生位移y，同时磁场方向相对垂直方向产生偏转，设转角为θ。

根据工程力学对悬臂梁的分析，AP弯曲构成一挠曲线，设悬臂梁的刚度为EI，在小转角情况下，C点产生的位移等于挠曲线的挠度： $y=(\frac{l^3}{6\mathrm{EI}}-\frac{L^{2}l}{2\mathrm{EI}}+\frac{L^3}{3\mathrm{EI}})F,$ 对确定点C和等截面悬臂梁，式中L、l、EI均为常数，令 $K_E=\frac{l^3}{6\mathrm{EI}}-\frac{L^{2}l}{2\mathrm{EI}}+\frac{L^3}{3\mathrm{EI}},$ 则有：

y＝K_EF    (15)。

转角也会引起磁场方向变化，磁感应强度B在垂直方向的分量为B_y＝B COSθ，因位移产生磁感应强度变化量为ΔB＝K_ly，作用H₁的有效磁感应强度为B_y-ΔB，作用H₂的有效磁感应强度为B_y+ΔB，根据(3)、(4)两式，

霍尔元件H₂的输出电压方程为：U₂＝U₀₂+K_H(B_y+ΔB)，

即：U₂＝U₀₂+K_H(Bcosθ+K_ly)；

霍尔元件H₁的输出电压方程为：U₁＝U₀₁+K_H(B_y-ΔB)，

即：U₁＝U₀₁+K_H(Bcosθ-K_ly)；

霍尔元件H₂和霍尔元件H₁输出电压差为：ΔU＝U₂-U₁＝ΔU₀+2K_HK_ly(16)。

根据(15)、(16)两式得：ΔU＝ΔU₀+2K_HK_lK_EF，因K_H、K_l、K_E均是常数，令K＝K_HK_lK_E，则电压差与力的关系为：

ΔU＝ΔU₀+2KF    (17)。

(14)与(17)两式具有相同的表达式，以上分析结论是：ΔU与待测F的大小成正比，为线性关系。说明圆柱形永磁体3同时发生位移和偏转时，转角因素不会影响线性度，这种对称互补结构的测量模型和霍尔差分式输出，适应发生弹性形变的任意弹性体，这种测量方法具有适应面广的特点，不仅可用于力的测量，还可用于位移的测量，可与各种弹性体结合设计不同类型的力传感器。

5、测力方法电路原理

测量电路原理参见附图5，图中H₁、H₂为线性霍尔元件，1为霍尔元件的电源正引脚，2为霍尔元件电源负引脚、3为霍尔元件的信号电压输出引脚；E_C为5V直流电源，霍尔元件H₁、霍尔元件H₂的1脚连接电源正极，2脚连接电源负极；霍尔元件H₁、霍尔元件H₂的输出信号电压分别用U₁、U₂表示；ΔU为模型的差分电压信号输出。

根据(14)、(17)两式，差分电压信号输出方程为：ΔU＝ΔU₀+2KF，力F与ΔU的关系为： $F=\frac{\mathrm{\ΔU}-{\mathrm{\ΔU}}_0}{2K},$ 式中ΔU₀为F＝0时的初始输出电压；K为常数，可通过实验计算得到其数值，一旦测量系统确定，两者均为常数。因此只要测出ΔU的数值就能确定F的大小，实现力的测量。

对称互补结构的霍尔差分式测力方法，是一种非接触式测力方法，对称互补结构的测量模型适应遵循胡克定律的任意弹性体，测量方法具有应用范围广的优点，不仅可用于力的测量，还可用于小位移的测量。差分式电压输出不仅能够抑制共模干扰和零点温漂，还能直接与测量放大器接口，方便二次开发。本方法涉及的电路系统仅由两片线性霍尔元件构成，可与各种弹性体组合，以位移作参变量实现力的非接触式测量。

Claims (4)

1.一种对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)取一圆柱形永磁体，把圆柱形永磁体固定于一弹性体上；以圆柱形永磁体的中心为对称点，将两个线性霍尔元件对称置于圆柱形永磁体的两端面的外侧且不随弹性体移动，使两个线性霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面，然后把两个线性霍尔元件接入到测量电路中；

(2)对(1)中的弹性体施加力F，使圆柱形永磁体产生位移变化，记录两个线性霍尔元件的输出电压差值，电压差值以ΔU表示；

(3)将(2)中得到的ΔU的数值代入公式ΔU＝ΔU₀+2KF中就可求得所施加的力F的数值，式中ΔU₀为两线性霍尔元件的静态输出电压差值，K为线性系数。

2.根据权利要求1所述的对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于两个线性霍尔元件的敏感中心位于圆柱形永磁体的轴线上。

3.根据权利要求1所述的对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于所述弹性体为在力的作用下发生弹性形变，并遵循胡克定律的任意弹性体。

4.根据权利要求1所述的对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于所述圆柱形永磁体的端面的面积大于或等于线性霍尔元件的字符标志面的面积。

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