CN112815827A - 一种基于霍尔效应的角位移的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，包括转盘、半圆形弧状磁钢、上磁轭、霍尔元件、下磁轭、转轴以及外壳，转轴设置在外壳中部，所述的转盘设置在外壳内，且转盘位于转轴上，转轴可带动转盘旋转，半圆形弧状磁钢设置在转盘上表面，上磁轭设置在外壳内顶部壁面上，下磁轭设置在外壳内底部壁面上，且上磁轭与下磁轭位置相对，上磁轭与下磁轭侧面设置有一间隙，霍尔元件设置在所述的间隙内，霍尔元件与上磁轭与下磁轭均不接触，本发明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，提出了一种基于霍尔效应的角位移的测量装置及测量方法，工作稳定可靠，而且实施方便，经济效益好。
Description
技术领域
本发明属于传感测量技术领域，涉及一种基于霍尔效应的角位移的测量装置及测量方法。
背景技术
角位移测量在工业、航空、船舶等多个领域具有广泛的应用。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。
目前常用的霍尔式角位移传感器线性误差大，其测量系统结构复杂，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，因此，需要提出一种基于霍尔效应的角位移的测量装置及测量方法。
发明内容
本发明的目的是：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，提出了一种基于霍尔效应的角位移的测量装置及测量方法，工作稳定可靠，而且实施方便，经济效益好。
本发明的技术方案是：
一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，包括转盘(4)、半圆形弧状磁钢(5)、上磁轭(1)、霍尔元件(2)、下磁轭(3)、转轴(6)以及外壳(7)，所述的转轴(6)设置在外壳(7)中部，所述的转盘(4)设置在外壳(7)内，且转盘套(4)设在转轴(6)上，转轴(6)可带动转盘(4)同步旋转，所述的半圆形弧状磁钢(5)设置在转盘(4)上表面，所述的上磁轭(1)设置在外壳(7)内顶部壁面上，所述的下磁轭(3) 设置在外壳(7)内底部壁面上，且上磁轭(1)与下磁轭(3)位置相对，所述的上磁轭(1)与下磁轭(3)侧面设置有一间隙，所述的霍尔元件 (2)设置在所述的间隙内，霍尔元件(2)与上磁轭(1)与下磁轭(3) 均不接触。
进一步，还包括2个轴承(8)，所述的两个轴承(8)分别设置在外壳(7)顶部和底部，所述的转轴(6)设置在轴承(8)内部，且可在轴承(8)内转动。
进一步，所述的霍尔元件(2)上表面与上磁轭(1)的距离不超过 0.5mm，下表面与下磁轭(3)的距离不超过0.5mm。
进一步，所述的半圆形弧状磁钢(5)为轴向磁极，上部为N极，下部为S极，半圆形弧状磁钢(5)材料为钕铁硼或钐钴，输入场强45～75mT。
进一步，所述的霍尔元件(2)型号为CS3144，其采用+5V直流电源进行供电，霍尔元件(2)输出电压范围是0.25～4.75V。
进一步，所述的转盘(4)为圆形转盘，由非铁磁材料制成，中心设有安装孔，用于固定安装半圆形弧状磁钢(5)和转轴(6)；半圆形弧状磁钢(5)固定在转盘(4)的上表面，与转盘(4)同心。
进一步，所述的上磁轭(1)为半圆形，由铁磁材料制成，包括下凸起部分；下磁轭(3)为圆形，与转盘(4)面积基本相同，由铁磁材料制成，包括上凸起部分，所述上磁轭(1)的下凸起部分与下磁轭(3) 的上凸起部分之间形成间隙。
进一步，所述的外壳(7)由T1号钢材料制成。
所述测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：确定转轴(6)的旋转角位移0°位置，所述转轴(6)的旋转角位移0°位置为霍尔元件(2)输出霍尔电势值最小时转轴(6)的位置；
步骤2：转轴(6)带动转盘(4)及半圆形弧状磁钢(5)旋转，半圆形弧状磁钢(5)产生的磁力线穿过上磁轭(1)、下磁轭(3)以及霍尔元件(2)，经过上下磁轭的磁通量会发生相应的变化，当转盘(4)旋转至任一位置时，此时转轴的角位移为θ，霍尔元件(2)输出与该角位移θ成正比的霍尔电势实时值Uθ；
步骤3：根据霍尔电势实时值Uθ计算转轴的角位移θ，计算公式为：
其中：UM——为霍尔元件(2)输出的霍尔电势最大值；
Uθ——为霍尔元件(2)输出的霍尔电势实时值。
本发明的具有的优点和有益效果是：
本发明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，提出了一种基于霍尔效应的角位移的测量装置及测量方法，工作稳定可靠，而且实施方便，经济效益好。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的磁场分布情况示意图；
图3是本发明的俯视图(旋转角位移0°)；
图4是本发明的俯视图(旋转角位移θ)；
图5是本发明的俯视图(旋转角位移180°)。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解：
如图1所示，一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，包括转盘4、半圆形弧状磁钢5、上磁轭1、霍尔元件2、下磁轭3、转轴6、外壳7、轴承8，所述的转轴8有两个，分别布置在外壳7的顶部和底部，轴承8 完全镶嵌到外壳7顶部和底部，转轴6的两端分别设置在两个轴承8上，并且转轴6可以在轴承8内转动，所述的转盘4是一个圆形的盘面，转盘4也设置在外壳7内，且转盘4套在转轴6的下端部，转轴6可带动转盘4同步旋转，所述的半圆形弧状磁钢5设置在转盘4上表面，半圆形弧状磁钢5的圆心和转盘4的圆心同心，所述的上磁轭1设置在外壳7 内顶部壁面上，为一个半圆形结构，所述的下磁轭3设置在外壳7内底部壁面上，且上磁轭1与下磁轭3位置相对，所述的上磁轭1与下磁轭3 侧面设置有一间隙，所述的霍尔元件2设置在所述的间隙内，霍尔元件2 与上磁轭1与下磁轭3均不接触，确保霍尔元件2与上磁轭1与下磁轭3 均不发生干涉。
其中，半圆形弧状磁钢5为轴向磁极，上部为N极和下部为S极，半圆形弧状磁钢5材料为钕铁硼或钐钴，输入场强45～75mT，其固定在转盘4上，由转轴6带动旋转，半圆形弧状磁钢5产生的磁通经过上磁轭1、下磁轭3后穿过霍尔元件2，参考图2磁场分布情况示意图。
当转盘4旋转时(比如角位移为θ)，带动半圆形弧状磁钢5转动，经过上下磁轭1和3的磁通量相应变化，霍尔元件2输出与该角位移θ成正比的霍尔电势。
进一步，霍尔元件2上表面与上磁轭1的距离不超过0.5mm，下表面与下磁轭3的距离不超过0.5mm，确保测量误差，霍尔元件2型号为 CS3144，其采用+5V直流电源进行供电，确保其纹波小输出电压稳定，以提高系统的输出精度高；霍尔元件2输出电压范围是0.25～4.75V。
转盘4为圆形转盘，由非铁磁材料制成，中心设有安装孔，用于固定安装半圆形弧状磁钢5和转轴6；半圆形弧状磁钢5固定在转盘4的上表面，与转盘4同心，通过外壳7和2个轴承8保证其同心度。
上磁轭1为半圆形，由铁磁材料制成，且包括下凸起部分；下磁轭3 为圆形，与转盘4面积基本相同，由铁磁材料制成，包括上凸起部分，所述的下凸起部分、上凸起部分之间形成间隙，用于放置霍尔元件2。
所述的外壳7由T1号钢材料制成，可以屏蔽外来磁场干扰。
所述测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：确定转轴的旋转角位移0°位置，所述转轴的旋转角位移0°位置为霍尔元件(2)输出霍尔电势值最小时转轴的位置；在产品安装和应用中经常要测试0°，实际系统可能很难测量出霍尔元件(2)输出的霍尔电势值为0，一般取最小值为旋转角位移0°；
步骤2：转轴带动转盘及半圆形弧状磁钢(5)旋转，半圆形弧状磁钢(5)产生的磁力线穿过上磁轭(1)、下磁轭(3)以及霍尔元件2，经过上下磁轭的磁通量相应变化，当转盘(4)旋转至任一位置时，此时转轴的角位移为θ，霍尔元件输出与该角位移θ成正比的霍尔电势实时值Uθ；
步骤3：根据霍尔电势实时值Uθ计算转轴的角位移θ，计算公式为：
其中：UM——为霍尔元件(2)输出的霍尔电势最大值；
Uθ——为霍尔元件(2)输出的霍尔电势实时值。
如图5所示，旋转角位移180°，磁通量最大，霍尔元件2输出的霍尔电势也最大UM，产品定型后UM为一固定值；
如图3所示，旋转角位移0°，磁通量最小，霍尔元件2输出的霍尔电势0。
同时，还可以进行误差验证：
采用测量精度为1＇的分度头(计量设备)测量转轴6的实际角位移，半圆形弧状磁钢5在0°～180°范围内，对霍尔元件2的输出电压进行测试，可以得到对应的0.25～4.75V的电压值，其角位移测量灵敏度约为 25mV/(°)，本产品误差范围±0.25°。
例如：分度头测量转动角度为0°时，理论输出电压为0.25V，实测输出电压为0.245V；
分度头测量转动角度为30°时，理论输出电压为1V，实测输出电压为0.995V；
分度头测量转动角度为120°时，理论输出电压为3.25V，实测输出电压为3.245V；
分度头测量转动角度为180°时，理论输出电压为4.75V，实测输出电压为4.745V。
实测误差5mV。
本实施例的应用举例：
应用场景一：用于飞机攻角传感器，作为风标转动的角位移测量传感器。
应用场景二：用于飞机舵机控制器或自动驾驶汽车方向控制器，作为升降舵、方向舵或方向盘等角度测量传感器。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：包括转盘(4)、半圆形弧状磁钢(5)、上磁轭(1)、霍尔元件(2)、下磁轭(3)、转轴(6)以及外壳(7)，所述的转轴(6)设置在外壳(7)中部，所述的转盘(4)设置在外壳(7)内，且转盘套(4)设在转轴(6)上，转轴(6)可带动转盘(4)同步旋转，所述的半圆形弧状磁钢(5)设置在转盘(4)上表面，所述的上磁轭(1)设置在外壳(7)内顶部壁面上，所述的下磁轭(3)设置在外壳(7)内底部壁面上，且上磁轭(1)与下磁轭(3)位置相对，所述的上磁轭(1)与下磁轭(3)侧面设置有一间隙，所述的霍尔元件(2)设置在所述的间隙内，霍尔元件(2)与上磁轭(1)与下磁轭(3)均不接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：还包括2个轴承(8)，所述的两个轴承(8)分别设置在外壳(7)顶部和底部，所述的转轴(6)设置在轴承(8)内部，且可在轴承(8)内转动。
3.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：所述的霍尔元件(2)上表面与上磁轭(1)的距离不超过0.5mm，下表面与下磁轭(3)的距离不超过0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：所述的半圆形弧状磁钢(5)为轴向磁极，上部为N极，下部为S极，半圆形弧状磁钢(5)材料为钕铁硼或钐钴，输入场强45～75mT。
5.根据权利要求1所述一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：所述的霍尔元件(2)型号为CS3144，其采用+5V直流电源进行供电，霍尔元件(2)输出电压范围是0.25～4.75V。
6.根据权利要求1所述一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：所述的转盘(4)为圆形转盘，由非铁磁材料制成，中心设有安装孔，用于固定安装半圆形弧状磁钢(5)和转轴(6)；半圆形弧状磁钢(5)固定在转盘(4)的上表面，与转盘(4)同心。
7.根据权利要求1所述一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：所述的上磁轭(1)为半圆形，由铁磁材料制成，包括下凸起部分；下磁轭(3)为圆形，与转盘(4)面积基本相同，由铁磁材料制成，包括上凸起部分，所述上磁轭(1)的下凸起部分与下磁轭(3)的上凸起部分之间形成间隙。
8.根据权利要求1所述一种基于霍尔效应的角位移的测量装置，其特征在于：所述的外壳(7)由T1号钢材料制成。
9.根据权利要求1－8任一所述测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：确定转轴(6)的旋转角位移0°位置，所述转轴(6)的旋转角位移0°位置为霍尔元件(2)输出霍尔电势值最小时转轴(6)的位置；
步骤2：转轴(6)带动转盘(4)及半圆形弧状磁钢(5)旋转，半圆形弧状磁钢(5)产生的磁力线穿过上磁轭(1)、下磁轭(3)以及霍尔元件(2)，经过上下磁轭的磁通量会发生相应的变化，当转盘(4)旋转至任一位置时，此时转轴的角位移为θ，霍尔元件(2)输出与该角位移θ成正比的霍尔电势实时值Uθ；
步骤3：根据霍尔电势实时值Uθ计算转轴的角位移θ，计算公式为：
其中：UM——为霍尔元件(2)输出的霍尔电势最大值；
Uθ——为霍尔元件(2)输出的霍尔电势实时值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210518 |