CN1760630A - 霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法，其技术方案为：1)使磁轭的长度l(x)和磁轭的截面积S₃ (x)均随位移量被测位移x的增加而增加；2)使空气隙长度f(x)随被测位移x的增加而非线性地增加；3)获得与被测位移x成线性关系的霍尔元件上的磁感应强度B(x)和霍尔式位移传感器的输出电压U_H；4)霍尔元件固定不动，永磁体铁芯作为与被测位移量x同步变化的移动件沿x方向往复运动，测得被测位移量x。本发明的有益效果是：使霍尔式传感器能够精确测量较大范围的直线位移，扩大了霍尔式位移传感器的应用范围。

Description

霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量位移的方法，尤其是涉及一种霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法。

背景技术

霍尔元件作为传感器测量车辆和机械设备中的角位移和直线位移具有成本低、精度较高等特点，因此霍尔式传感器在工程中得到一定程度的应用，尤其是霍尔式角位移传感器。目前，测量直线位移的霍尔传感器还主要用于测量位移范围很小(一般在15mm以内)的直线位移。但对于位移范围较大(如0～50mm)的运动，霍尔位移传感器的输出信号难于与被测位移量保持线性关系，而呈现出一种非线性关系，因此，其应用将受到制约。

发明内容

为了解决霍尔式位移传感器不能够线性地测量较大直线位移量的问题，本发明提供了一种霍尔效应式直线位移线性测量方法，用于霍尔式直线位移传感器对于位移范围较大的直线位移的测量。

本发明所解决的关键技术问题是如何解决霍尔式位移传感器在测量较大位移的过程中能保持传感器输出电压与被测位移量之间具有较高的线性度。所提出的方法是从磁路结构上保证作用于霍尔元件上的磁感应强度B与被测量位移x成为线性函数，即B(x)＝B ₀ +C·x(_B0为x＝0时的磁感应强度值)。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法，其特征在于：

1)、使磁轭的长度l(x)和磁轭的截面积S₃(x)均随位移量被测位移x的增加而增加，并使得

为一恒定值，式中， 表示长度为l(x)的磁轭的平均有效面积：

2)、使空气隙长度f(x)随被测位移x的增加而非线性地增加，并满足以下关系： $f\left(x\right)=\frac{1}{C_2(\frac{1}{C_1+C_2{\mathrm{\δ}}_0}-\frac{C}{F}x)}-\frac{C_1}{C_2},$ 即磁轭的弯曲程度随x的增加按

的规律增加；

     式中：  δ——永磁体与磁轭间空气隙的总长度，δ₀为δ在x＝0处的取值

              F为永磁体具有的磁动势

$C_1=\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r1}}+\frac{2l\left(x\right)\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_2}\·\stackrel{\‾}{s_3\left(x\right)}}$

$C_2=\frac{S_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·S_2},$

C为进行具体结构设计时，取定的 恒变化率值；

其中：d——霍尔元件的厚度

      S₁——霍尔元件的面积

      l(x)——单边工作磁轭的长度

      S₂——永磁体的横截面积

      μ₀——真空磁导率

      μ_r1——霍尔元件的相对磁导率

      μ_r2——磁轭软铁材料的相对磁导率

3)获得与被测位移x成线性关系的霍尔元件上的磁感应强度B(x)和霍尔式位移传感器的输出电压U_H，

B(x)＝B ₀ +C·x，式中，B₀为x＝0时的磁感应强度值 $U_H=\frac{K_H}{d}\·B\left(x\right)\·I,$ 式中，K_H为霍尔系数，I为流过霍尔元件且与B(x)方向垂直的电流；

4)霍尔元件固定不动，永磁体铁芯作为与被测位移量x同步变化的移动件沿x方向往复运动，测得被测位移量x。

本发明的有益效果是：使霍尔式传感器能够精确测量较大范围的直线位移，扩大了霍尔式位移传感器的应用范围。

附图说明

图1是根据霍尔效应非接触直线位移线性测量方法建立的模型；

图2为图1的A-A剖视图。

图中：霍尔元件1，永磁体2、(软铁)磁轭3和4。

具体实施方式

一种霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法，其特征在于：

1)、使磁轭的长度l(x)和磁轭的截面积S₂(x)均随位移量被测位移x的增加而增加，并使得 为一恒定值，式中，

表示长度为l(x)的磁轭的平均有效面积；

2)、使空气隙长度f(x)随被测位移x的增加而非线性地增加，并满足以下关系： $f\left(x\right)=\frac{1}{C_2(\frac{1}{C_1+C_2{\mathrm{\δ}}_0}-\frac{C}{F}x)}-\frac{C_1}{C_2},$ 即磁轭的弯曲程度随x的增加按 的规律增加；

     式中：δ——永磁体与磁轭间空气隙的总长度，δ₀为δ在x＝0处的取值

            F为永磁体具有的磁动势

$G_1=\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r1}}+\frac{2l\left(x\right)\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_2}\stackrel{\‾}{s_3\left(x\right)}}$

$G_2=\frac{S_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·S_2}$

c为进行具体结构设计时，取定的 恒变化率值；

    其中：d——霍尔元件的厚度

          s₁——霍尔元件的面积

          l(x)——单边工作磁轭的长度

          s₂——永磁体的横截面积

          μ₀——真空磁导率

          μ_r1——霍尔元件的相对磁导率

          μ_r2——磁轭软铁材料的相对磁导率

3)获得与被测位移x成线性关系的霍尔元件上的磁感应强度B(x)和霍尔式位移传感器的输出电压U_H，

B(x)＝B ₀ +C·x式中，B₀为x＝0时的磁感应强度值 $U_H=\frac{K_H}{d}\·B\left(x\right)\·I$ 式中，K_H为霍尔系数，I为流过霍尔元件且与B(x)方向垂直的电流；

4)霍尔元件固定不动，永磁体铁芯作为与被测位移量x同步变化的移动件沿x方向往复运动，测得被测位移量x。

按照上述方法建立的模型如图1所示，该方法的测量原理及理论验证如下：

设霍尔元件厚度为d，通过磁轭垂直作用于霍尔元件的磁感应强度B(x)为x的函数，流过霍尔元件且与B(x)方向垂直的电流为I，则从霍尔元件上可得到霍尔电压U_H为：

$U_H=\frac{K_H}{d}\·B\left(x\right)\·I---\left(1\right)$

因此，只要B(x)是x的线性函数，则U_H便是x的线性函数。在图1所示的永磁磁路中，设永磁体具有的磁动势为F(确定量)，则由磁路理论有：

$\mathrm{\φ}=\frac{F}{\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_1}\·s_1}+\frac{2l\left(x\right)}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_2}\·s_3}+\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_0\·s_2}}---\left(2\right)$

于是 $B\left(x\right)=\frac{\mathrm{\φ}}{s_1}=\frac{F}{\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_1}}+\frac{2l\left(x\right)\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_2}\·s_3}+\frac{\mathrm{\δ}\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·s_2}}---\left(3\right)$

当x变化时，l(x)也发生变化，若将S₃也设计成随x变化的截面积S₃(x)，并用 表示长度为l(x)的磁轭的平均有效面积，同时保证，对一切x，

保持一定值，则公式(3)中 $\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_1}}+\frac{2l\left(x\right)\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_2}\·\stackrel{\‾}{s_3\left(x\right)}}$ 应为不变量，令其值为C₁，即 $G_1=\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_1}}+\frac{2l\left(x\right)\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r_2}\·\stackrel{\‾}{s_3\left(x\right)}}---\left(4\right)$

再令 $G_2=\frac{S_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·S_2}---\left(5\right)$

δ＝f(x)                         (6)

则有 $B\left(x\right)=\frac{F}{C_1+C_2\·f\left(x\right)}---\left(7\right)$

为保证B(x)为x的线性函数，令

令该常量为-C  (C＞0)

即有  $\frac{-C_2\·F\·f^{\′}\left(x\right)}{{[C_1+C_2\·\left(x\right)]}^2}=-C$

整理得：

$\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{{[C_1+C_2\·f\left(x\right)]}^2}=\frac{C}{C_2\·F}\mathrm{dx}$

上式两边积分得：

$-\frac{1}{C_1+C_2\·f\left(x\right)}=\frac{C}{F}x+G$

式中，G为积分常数。

由x＝0时，f(x＝0)＝δ₀(δ₀为x＝0处的空气间隙)

得 $G=-\frac{1}{C_1+C_2\·{\mathrm{\δ}}_0}$

于是得到 $f\left(x\right)=\frac{1}{C_2(\frac{1}{C_1+C_2{\mathrm{\δ}}_0}-\frac{C}{F}x)}-\frac{C_1}{C_2}---\left(8\right)$

公式(8)表示：要保证B(x)为x的线性函数，随x的值增加，空气隙长度f(x)应按公式(8)的描述规律变化。因此，每条磁轭的形状应该为按

的规律随x增加而逐渐增大其弯曲的程度。

另外，随位移值x的增加，磁轭截面积也按保证

为恒定量的规律增加。这不仅能使磁轭的磁阻保持不变，而且有利于保证随空气隙f(x)的增加不会产生明显的漏磁现象。

Claims (1)

1. 一种霍尔效应非接触式直线位移线性测量方法，其特征在于：

   1)、使磁轭的长度l(x)和磁轭的截面积S₃(x)均随位移量被测位移x的增加而增加，并使得

   

   为一恒定值，式中，

   

   表示长度为l(x)的磁轭的平均有效面积；

   2)、使空气隙长度f(x)随被测位移x的增加而非线性地增加，并满足以下关系： $f\left(x\right)=\frac{1}{C_2(\frac{1}{C_1+C_2{\mathrm{\δ}}_0}-\frac{C}{F}x)}-\frac{C_1}{C_2},$ 即磁轭的弯曲程度随x的增加按

   

   的规律增加；

   式中：δ——永磁体与磁轭间空气隙的总长度，δ₀为δ在x＝0处的取值

         F为永磁体具有的磁动势

   $C_1=\frac{d}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r1}}+\frac{2l\left(x\right)\·s_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{r2}\·\stackrel{\‾}{s_3\left(x\right)}}$

   $C_2=\frac{S_1}{{\mathrm{\μ}}_0\·S_2}$

        C为进行具体结构设计时，取定的

   

   恒变化率值：

   其中：d——霍尔元件的厚度

         s₁——霍尔元件的面积

         l(x)——单边工作磁轭的长度

         s₂——永磁体的横截面积

         μ₀——真空磁导率

         μ_r1——霍尔元件的相对磁导率

        μ_r2——磁轭软铁材料的相对磁导率

   3)获得与被测位移x成线性关系的霍尔元件上的磁感应强度B(x)和霍尔式位移传感器的输出电压U_H，

   $\underset{\‾}{B\left(x\right)=B_0+C\·x},$ 式中，B₀为x＝0时的磁感应强度值

   $U_H=\frac{K_H}{d}\·B\left(x\right)\·I,$ 式中，K_H为霍尔系数，I为流过霍尔元件且与B(x)方向垂直的电流；

   4)霍尔元件固定不动，永磁体铁芯作为与被测位移量x同步变化的移动件沿x方向往复运动，测得被测位移量x。

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