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采用反馈随动机构扩大霍尔传感器位移测量范围

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-04-02  来源:中国互感器网  浏览次数:401
核心提示:  本文于1999年12月收到福建省自然科学基金资助项目1引言磁敏感器件在具有梯度的磁场中移动,其输出可反映出移动的情况霍尔元件的输出与磁感应强度有线性关系⑴:Sh-一霍尔器件的乘积灵敏度B-一磁感应

  本文于1999年12月收到福建省自然科学基金资助项目1引言磁敏感器件在具有梯度的磁场中移动,其输出可反映出移动的情况霍尔元件的输出与磁感应强度有线性关系⑴:Sh-一霍尔器件的乘积灵敏度B-一磁感应强度I-一流过霍尔元件的控制电流当磁场为均匀梯度磁场且控制电流I恒定,输出Vh就正比于霍尔元件与产生磁场的磁钢之间的位移。

  因此可以用霍尔元件来测量位移量它具有惯性小,响应快,非接触等特点,很适应做现场动态测试然而,能保持均匀梯度磁场的范围不大,霍尔元件只能小范围(通常仅约1mm)的测量位移且要保持在测量区域内有均匀梯度的磁场,其磁场设计复杂,这在很大程度上限制了霍尔元件测量位移的应用。由于它惯性小,有非接触的优点,若能在简单磁场的条件下利用霍尔元件测量位移,加测量范围,将使它在各种位移与振动的测量中发挥作用,成为一种性能优良的位移传感器采用反馈随动机构就可达到这一目的2测量原理表明了霍尔元件与磁钢之间相对位置变化时,霍尔元件的输出曲线图中表明,霍尔元件与磁钢的相对位置由1点移动到3点时,输出电压Vh由最小值过渡到最大值,其中在2点经过零点场。从图中可看到,只要随动机构能及时带动霍尔元件回到平衡点,测量的精度就可保证随动机构的动态范围实际上就是测量范围。

  随动结构实际上是一种动圈型的位移结构,亦可称为力发生器,如所示它主要由反馈线圈和永久磁铁组成反馈线圈置于永久磁铁的磁场中并由四条弹簧固定住霍尔元件则装在反馈线圈上面的支架上,为霍尔元件与反馈随动机构配合测量位移的基本原理。以80C51单片机为核心组成随动控制电路。输入通道由调零放大级与A/D转换器组成输出通道由D/A转换器与电压一电流转换器IA组成其中输入通道中的前置放大级采用贴片的4558运算放大器与霍尔元件一起组成霍尔传感器探头,装在随动机构的支架上,可随随动机构的移动而移动测量原理为:静止时,把霍尔元件置于位置2,此时霍尔元件的输出为零。调整调零放大器使其输出为零CPU在无输入的情况下亦无控制I)的信号输出,I=0,机构处于自由平衡状态。当磁钢移动X‘时,与霍尔元件之间有相对位移,霍尔元件产生输出Vh,该输出经放大器放大、A/D转换并送CPU处理根据处理结果,CPU送出推动随动机构运动的驱动电压数据,经D/A转换后得驱动电压U.,经VA转换后得驱动电流t,t推动随动机构的运动,带动霍尔传感器探头跟随磁钢的移动而移动X,直到霍尔元件与磁钢的相对位置又回到位置2,使其输出重新为零显然,此时霍尔元件的移动量X就等于磁钢移动量X’。电流t就可代表磁钢的位移量。同时,VA转换过程是线性的,即U可代表电流t,即U可代表磁钢的位移量由于这种测量方法不是直接把霍尔元件的输出Vh作为当反馈线圈流过电流t时线圈就要产生电磁力Fc,Fc使得反馈线圈在磁场中运动,并带动霍尔元件相应的移动X而在位移X的作用下,弹簧产生一个与Fc反向的平衡力Ft,该平衡力Ft阻止反馈线圈进一步的运动因此,反馈线圈及霍尔元件就停留在由驱动电流t产生的电磁力FC和由弹簧产生的平衡力Ft所确定的平衡点上显然,驱动电流t越大,位移X就越大为了分析位移X与驱动电流I)之间的关系,把反馈线圈、支架等活动部分看成一个钢体,系统的运动可用一个二阶微分方程描述:C一一等效阻尼系数K一一弹簧的弹性系数与I)的关系:式(2)可改写为:z-一阻尼比测量结果,因此就避开使用式(1),这就意味着在测量在X变化频率远小于固有频率w时,可忽略(4)过程中遗不需要保证在测量1域内保P均匀梯度的磁lshin的微分项并将其改写为:http://www.cnki.net式(5)表明驱动电流1>与霍尔元件位移X之间呈线性关系考虑U与L之间亦为线性关系:带入(5)式,可得最终结果:3实验与结果3.2动态实验当应变梁在激振器驱动下产生振动时,磁钢在X方向有一个简谐位移,位移幅值和频率由激振器确定。

  利用传感器实验仪配置的磁电传感器可测得磁钢的位移,其输出用作参比信号应变梁的振动位移X可由磁电传感器和霍尔元件位移测量系统分别测出并送示波器显示实验分为两部分:3.1静态实验利用传感器实验仪配置的千分尺的螺杆推动磁钢移动,磁钢的位移量AX由千分尺的刻度读出。该位移由霍尔元件位移测量系统测出,其测量结果如表1表1磁钢位移的测量结果位移ax测量输出AU0(mV)位移AX测量输出AU0(mV)是根据表1绘出的磁钢位移与霍尔元件位移测量系统测量结果的关系曲线从图中可看到,采用反馈随动机构后,霍尔元件克服了线性不好的缺点,在较大的范围内线性的进行位移测量。

  从实验结果可看到霍尔元件测量结果与参比信号很接近,能比较准确的反映应变梁以正弦规律变化的位移这表明,霍尔元件采用随动结构伺服后,完全可以在简单的磁场条件下大范围地进行位移测量。

 
 
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