霍尔位移传感器系统设计
电气工程及自动化学院:李二静 指导教师:李华
摘 要:本文依据霍尔效应原理,采用可拆卸的设计思想,设计了霍尔位移传感器的结构,完成了零部件设计,加工与组装;完善了相关技术资料,极大的方便了传感器的使用和维修;设计了霍尔位移传感器的标定系统,完成了传感器的标定工作;通过进行直流激励实验,交流激励实验,电子秤实验,检验了传感器的实用性.
关键词:霍尔效应;位移传感器;结构设计;传感器标定
Abstract: This paper did detailed research about Hall Effect principle, completed the design and assembly of Hall sensor using the concept of removable design. I improved relevant technical information about the sensor at the same time, making it convenience for the using and maintenance of the sensors. I designed calibration system for the sensors and completed the calibration. I did several application experiments using DC or AC as the supply power and also did the electronic scale experiment to test the practicality of the sensors.
Key words:Hall Effect displacement sensor machinery design sensor calibration
1 绪 论
本文主要内容是依据霍尔效应原理[1].设计,加工并组装出霍尔位移传感器样品,量程±5mm,线性度±2%,重复性±5‰;并设计出霍尔位移传感器及其应用实验,与传感器实验台配套使用.
2 霍尔位移传感器结构设计
霍尔位移传感器装配图如图2-1所示.图中,有机玻璃外壳为传感器提供了密封环境,防止灰尘进入;两个磁钢嵌入运动杆中,形成磁场;测量头处的磁钢用来吸附运动物体,从而保证测量方向与位移产生方向平行;运动杆用来传递位移运动;导线为四根,两根为控制电流线,两根为霍尔电动势输出线;航空触头用来将霍尔电动势输送到相关电路单元.
为尽可能减小原理误差,在传感器结构设计中,通过磁头与运动物体(如测微仪,振动台等)吸附,并且运动杆无转动,保证了测量方向与物体运动方向的一致,即遵守了扩展的阿贝原理.
图2-1 霍尔位移传感器装配图
嵌入运动杆中的两磁钢形成一个磁场.因为是同极性相对放置,各处的磁感应强度B是不同的.运动杆移动时,相当于霍尔片所处的磁场发生了变化,因此传感器输出的霍尔电动势也发生了变化.通过连续测量不同位移的霍尔电动势,可以得出传感器的输入输出曲线.利用插值或者拟合直线就可以得到任意电势对应的位移量.
为方便传感器的校正和维修,在传感器的结构设计中尽可能多的采用了可拆联接.图2-2所示的是测量头部分的可拆卸连接.
图2-2 测量头部分的可拆卸连接
从图中可以看出,运动杆与测量头使用螺钉固定.拆卸时,只需将螺钉拧下,将运动杆从测量头中退出.为减小原理误差,安装时,要选择合适的垫块,并且螺钉要深入垫块中去,以保证测量头部分无转动.
同样,外壳与端部1,套筒与外壳,航空触头与部件1等均为可拆联接.为保证传感器达到预期目标,在结构设计中对各零部件提出了相应的尺寸与形位公差要求[2].
3 传感器的标定
传感器标定是将已知的被测量(即标准量)输入给待标定的传感器,同时得到传感器的输出量;对所获得的传感器的输入量与输出量进行处理和比较,得出一系列表征两者对应关系的标定曲线,进而得到传感器性能指标的实测结果.
对传感器进行标定,是根据标定试验的数据确定传感器的各项性能指标,实际上也就是确定传感器的测量精度.所以在标定传感器时,所用的测量设备(称为标准设备)的精度要比待标定的传感器的精度高一个数量级(至少高出1/3以上).这样通过标定确定的传感器性能指标才是可靠的,确定的精度才是可信的[3].
图3-1 霍尔位移传感器标定系统框图
图3-3所示的传感器标定系统中,位移机构产生标准位移,输送给霍尔位移传感器;高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的电源电压,其值由数字电压表读取;传感器的输出由高精度数字电压表读取.

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