CN101886934A - 基于霍尔元件的定位方法及定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于霍尔元件的定位方法及定位系统,有如下步骤:1]将霍尔元件和磁体按照以下要求分别安装在相对运动的固定部件和运动部件上:A、使霍尔元件的相对运动轨迹从磁体的其中一个磁极的端面上方穿过且霍尔元件与该磁极端面保持合理的工作气隙;B、当霍尔元件通过该磁极端面时,霍尔元件的霍尔片所在方向与磁体的磁场方向平行;2]在运动部件向固定部件靠近的过程中监控霍尔元件产生的输出信号,当霍尔元件产生的输出信号发生突变时,运动部件所处的位置即为定位点。本发明解决了现有的定位系统成本高、结构复杂、安装精度要求高的技术问题,具有结构简单、成本低、对安装精度的要求低,应用范围广、定位准确度高,一致性好等优点。

Description

基于霍尔元件的定位方法及定位系统
技术领域
本发明涉及一种基于霍尔元件的定位方法及定位系统。
背景技术
在自动控制系统中经常需要精确判断一个运动部件是否运动到确定的位置,常用的方法有光电传感器等,但是光电传感器只能用于粉尘少且光线能够照射穿透的环境,如放置到露天则要经常清理发射元件与接受元件外露表面,而且还有许多工作环境中无法使用光电传感器。
还有一种方法是采用霍尔元件。若导体处于与磁场垂直的位置,当有电流通过导体时,在横向会产生一个电压,此即霍尔效应,即在与这二者相互垂直的方向上将产生霍尔电压:
UH=KHIB    (1)
其中KH为霍尔元件的灵敏度,单位为mV/mA·T。
一般霍尔元件与磁体间有4种运动方式:参见图1和图9,若磁体在霍尔元件前垂直于霍尔元件向后运动,随着相对位置的改变,测得的霍尔电压迅速降低;参见图2和图10,如果此磁体平行于霍尔元件侧向运动,随着位移的增大,可以测得当磁体靠近传感器时,霍尔电压增大,离开传感器时逐渐减小,中间将产生一个峰值;参见图3,只要将磁体粘贴在转盘、轮圈或转轴等各种运动物体上,并在适当的位置放置霍尔元件,由此产生的霍尔电压信号就可以作各种物理量的测量和控制;图4是将磁体放置在霍尔元件的背后,霍尔元件的前方放置转盘、轮圈或转轴等各种运动物体,同样可以进行各种物理量的测量和控制。
霍尔效应在半导体中最为显著,所以霍尔元件实际上就是一个半导体器件,此器件能把磁信号转化为电信号以实现信号检测。霍尔元件一般制作成线性霍尔元件和开关型霍尔元件。线性霍尔元件是由霍尔元件、线性放大器、剩余电压补偿器组成。若该传感器电压引脚接有一定电压(如5V),在与磁场垂直时,将有一定的霍尔电势差输出。通过对线性霍尔元件的电势差测量,可以知道磁感应强度的大小和方向。开关型霍尔元件由稳压器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和OC门输出五个部分组成。在输入端输入电压,经稳压器后加在霍尔元件的两端,由霍尔元件输出一个霍尔电势差输入到放大器放大后送至施密特触发器,经过整形使其成为方波,输送到OC门输出。当施加的磁场达到“工作点”时,触发器输出高电压,使三极管导通,OC门输出低电压,称这种状态为“开”;当施加磁场达到“释放点”时,触发器输出低电压,三极管载止,使OC门输出高电压,称其为“关”态。这样两次高低电压变换,使霍尔开关完成了一次开关动作。开关型霍尔元件测量时能够避免误动作,且周期、转速的测量具有很高的准确度。
综上,现有霍尔元件的工作原理是根据穿过霍尔元件的磁力线的垂直分量的大小来得到相应的输出电压值,或着根据穿过霍尔元件的磁力线的垂直分量的变化量来得到相应的输出电压变换量,再由输出电压的大小或变化趋势进行相应物理量的测量和控制。但是,按照现有霍尔元件与磁体的4种运动方式,无法进行精确定位。特别是开关型霍尔元件只能进行定位情况的定性判断,无法进行高精度的定量测量。
如图5所示,两块永久磁体同极性相对放置形成一均匀梯度的磁场,将线性型霍尔元件置于中间,其磁感应强度为零,这个点可作为位移的零点,如果保持通入霍尔元件的电流I不变,当霍尔元件在Z轴上作ΔZ位移时,输出的霍尔电压的变化量只由它在该磁场中的位移量ΔZ来决定,即电压大小与位移大小成正比:
Figure B200910022524XD0000021
虽然这种方法可以实现精确定位,但是其存在以下技术问题:1、对磁体气隙的要求较高且工作距离较小,要求两个磁体必须同极性相对放置且形成均匀梯度磁场,另外磁体的体积要求比霍尔元件的体积大许多;2、必须严格保证霍尔元件位于两个磁体的中心,否则无法正常工作;3、因位移与电压输出一般存在非线性关系,所以必须采用电路或软件进行补偿。所以其无法大量应用在普通的定位测量中。
发明内容
本发明提出了一种基于霍尔元件的定位方法及定位系统,其解决了现有的定位系统成本高、结构复杂、安装精度要求高的技术问题。
本发明的技术解决方案是:
一种基于霍尔元件的定位方法,其特殊之处在于:其包括以下步骤:
1]将霍尔元件和磁体按照以下要求分别安装在相对运动的固定部件和运动部件上:A、使霍尔元件的相对运动轨迹从磁体的其中一个磁极的端面上方穿过且霍尔元件与该磁极端面保持合理的工作气隙;B、当霍尔元件通过该磁极端面时,霍尔元件的霍尔片所在方向与磁体的磁场方向平行;
2]在运动部件向固定部件靠近的过程中监控霍尔元件产生的输出信号,当霍尔元件产生的输出信号发生突变时,运动部件所处的位置即为定位点。
上述霍尔元件的相对运动轨迹为直线或弧线。
上述磁体为永久磁铁或磁场稳定的电磁铁。
上述霍尔元件为开关型霍尔元件或线性霍尔元件。
一种基于霍尔元件的定位系统,包括磁体、一个或多个霍尔元件,所述霍尔元件和磁体分别安装在相对运动的固定部件和运动部件上,所述霍尔元件的输出与运动部件的控制系统相连接,其特殊之处在于:所述霍尔元件的运动轨迹从磁体的其中一个磁极的端面上方穿过且霍尔元件与该磁极端面保持合理的工作气隙;所述霍尔元件在通过该磁极端面时其霍尔片所在方向与所述磁体的磁场方向平行。
上述霍尔元件的相对运动轨迹为直线或弧线。
上述磁体为永久磁铁或磁场稳定的电磁铁。
上述霍尔元件为开关型霍尔元件或线性霍尔元件。
本发明具有的优点是:
1、结构简单。本发明最简单的结构只采用一个磁体和一个霍尔元件就可以构成一套定位系统,比现有的光电传感器的结构简单许多,甚至比现有的霍尔位移传感器的结构都要简单。
2、成本低。本发明的磁体可以采用成本非常低廉的永久磁铁,加上价格很低的霍尔元件,使得整个系统的成本比光电传感器降低数十倍。
3、对安装精度的要求低,应用范围广。现有的霍尔位移传感器必须严格保证霍尔元件位于两个磁体的中心,否则无法正常工作。而本发明只要磁体和霍尔元件之间的距离只要能保证在霍尔元件的工作气隙之内,则定位系统就可以正常工作,不会因为距离的微小变化而影响定位准确度。所以本发明系统对安装精度没有太高的要求。
4、定位准确度高,一致性好。本发明系统只有当霍尔片运动到磁极的中心线的延伸线上时,才没有切割磁力线输出电压。所以,当霍尔元件的输出电压为零时,则表面霍尔片与磁极的中心线重合。本发明的定位准确度只与霍尔元件输出电压的检测灵敏度有关。尤其重要的是,不管输出电压的检测灵敏度高低如何,本发明系统的定位一致性非常好。
5、应用范围广。本发明可以广泛应用于各种普通的定位测量中,尤其能够用于粉尘多使得光线不能够照射穿透但磁力线能够穿透的环境。
6、可靠性高。本发明基本无须后续维护和检修,可长期可靠工作。
附图说明
图1至图4是现有技术中磁体和霍尔元件间的四种运动方式;
图5现有技术中霍尔元件作为定位系统的工作原理示意图,
图6、图7和图8是本发明霍尔元件组成的定位系统的工作过程示意图;
图9为现有开关型霍尔元件的距离与感应信号的关系示意图;
图10为现有线性霍尔元件的距离与感应信号的关系示意图;
图11为本发明采用双向开关型霍尔元件时的距离与感应信号的关系示意图;
图12为本发明采用单向开关型霍尔元件时的距离与感应信号的关系示意图;
图13为本发明采用单向线性霍尔元件时的距离与感应信号的关系示意图;
图14为本发明采用双向线性霍尔元件时的距离与感应信号的关系示意图;
图15是本发明采用多个霍尔元件进行多次定位的工作原理示意图;
图16是本发明进行角度定位时的工作原理示意图;
其中:1-磁体,2-霍尔元件,3-旋转部件,4-运动部件,5-固定部件,A-磁场方向,B-霍尔片所在方向,L-工作气隙,C-运动方向,X轴为霍尔片与磁场中心轴的垂直距离,Y轴为霍尔元件的感应信号大小,O’为磁场中心轴。
具体实施方式
如图6所示,一种基于霍尔元件的定位系统,包括磁体1、霍尔元件2,霍尔元件2和磁体1分别安装在相对运动的固定部件5和运动部件4上,霍尔元件2的输出与运动部件4的控制系统相连接,将霍尔元件2安装在运动部件4上时,要求霍尔元件2的运动轨迹(运动方向C)从磁体1的其中一个磁极(S极)的端面上方穿过且霍尔元件2与该磁极(S极)端面保持合理的工作气隙L;同时应保证霍尔元件2在通过该磁极(S极)端面时其霍尔片所在方向B与所述磁体的磁场方向A平行。同理,也可将霍尔元件安装在固定部件上,将磁体安装在运动部件上。磁体可以是永久磁铁或磁场稳定的电磁铁。霍尔元件可以是任意霍尔元件,但以开关型霍尔元件为佳。
霍尔元件的相对运动轨迹可以是直线或弧线,当运动部件的运动轨迹相对于固定部件是直线时,相当于图1、图2所示的运动方式,其距离与感应信号的关系参见图11、图12、图13和图14;当运动部件的运动轨迹相对于固定部件是弧线时,相当于图3所示的运动方式,具体参见图16。如果需要进行多点定位,其工作原理参见图15。
基于霍尔元件的定位系统的工作过程如下:
当运动部件从远处沿运动方向C向固定部件运动时,运动部件的最初位置如图6所示,中间位置如图7所示,最终位置如图8所示。在图6中,可以知道磁力线穿过霍尔片的密度较小,霍尔元件中产生一定的霍尔电压,由图6位置向图7位置运动过程中,随着霍尔元件与磁体的距离靠近,霍尔电压也越来越大,由图7位置向图8位置运动过程中,随着霍尔元件中霍尔片与磁力线夹角越来越小,霍尔电压由大变小,当霍尔元件到达图8所示位置时(此时霍尔片所在方向与磁场方向平行),则没有磁力线穿过霍尔片,则此时霍尔元件没有输出电压。所以,当霍尔元件由远处向磁体运动时,霍尔元件没有输出电压的位置就是运动部件所希望的定位位置。

Claims (8)

1.一种基于霍尔元件的定位方法,其特征在于:其包括以下步骤:
1]将霍尔元件和磁体按照以下要求分别安装在相对运动的固定部件和运动部件上:A、使霍尔元件的相对运动轨迹从磁体的其中一个磁极的端面上方穿过且霍尔元件与该磁极端面保持合理的工作气隙;B、当霍尔元件通过该磁极端面时,霍尔元件的霍尔片所在方向与磁体的磁场方向平行;
2]在运动部件向固定部件靠近的过程中监控霍尔元件产生的输出信号,当霍尔元件产生的输出信号发生突变时,运动部件所处的位置即为定位点。
2.根据权利要求1所述的基于霍尔元件的定位方法,其特征在于:所述霍尔元件的相对运动轨迹为直线或弧线。
3.根据权利要求1或2所述的基于霍尔元件的定位方法,其特征在于:所述磁体为永久磁铁或磁场稳定的电磁铁。
4.根据权利要求3所述的基于霍尔元件的定位方法,其特征在于:所述霍尔元件为开关型霍尔元件或线性霍尔元件。
5.一种基于霍尔元件的定位系统,包括磁体、一个或多个霍尔元件,所述霍尔元件和磁体分别安装在相对运动的固定部件和运动部件上,所述霍尔元件的输出与运动部件的控制系统相连接,其特征在于:所述霍尔元件的运动轨迹从磁体的其中一个磁极的端面上方穿过且霍尔元件与该磁极端面保持合理的工作气隙;所述霍尔元件在通过该磁极端面时其霍尔片所在方向与所述磁体的磁场方向平行。
6.根据权利要求5所述的基于霍尔元件的定位系统,其特征在于:所述霍尔元件的相对运动轨迹为直线或弧线。
7.根据权利要求5或6所述的基于霍尔元件的定位系统,其特征在于:所述磁体为永久磁铁或磁场稳定的电磁铁。
8.根据权利要求7所述的基于霍尔元件的定位方法,其特征在于:所述霍尔元件为开关型霍尔元件或线性霍尔元件。
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