霍尔式直线小位移传感器的设计

第 1 6卷第 4期2 0 1 3年 1 1月

扬州大学学报(自然科学版 )J o u r n a l o f Ya n g z h o u Un i v e r s i t y( Na t u r a l Sc i e n c e Ed i t i o n )

Vo 1 . 1 6 NO . 4NOV .2 O1 3

霍尔式直线小位移传感器的设计刘荣先，李凡，崔守鸷(扬州大学 a .汽车工程实验总厂；b .水利与能源动力工程学院，江苏扬州 2 2 5 1 2 7 )

摘要：提出一种基于霍尔元件设计的直线小位移测量传感器 .利用有限元分析软件 F E MM( f i n i t e e l e me n t me t h o d ma g n e t i c s )对传感器磁体的磁场分布进行有限元分析，得出磁体到霍尔元件的最佳距离 .在测量范

围的均匀梯度磁场中，传感器将物理量转换成可供控制的电信号，简单方便，精确度高，在需要小距离的测量场合中有很大应用价值 . 关键词：霍尔元件；直线小位移；有限元分析；梯度磁场中圈分类号： TH 8 2 2;T P 2 1 2 文献标志码：A 文章编号： 1 0 0 7— 8 2 4 X( 2 0 1 3 ) 0 4—0 0 4 7—0 4

随着现代仪器、设备向智能化方向发展，在小距离的测量场合中，对测量的精确度、速度等都提出了新的要求.采用非电方法，如用尺测量长度、厚度，用游标卡尺测量孔的直径等已不能满足测量要求，更不能将测量的物理量即时转变成电信号供仪器设备识别 .因此采用电测法已成必然的发展趋

势Ⅲ .距离的电测法同传感器技术和电子测量技术是密不可分的[,其测量方法很多，如电涡流位移传感器口]、平板光电池位移传感器等都可以进行位移测量，但成本较高 .为了满足一些仪器设备需要传感器既能测量小位移、又要成本低的需求，经研究，笔者利用霍尔元件，设计出一种直线小位移

传感器，测量范围为 O~4 mm,测量精度 0 . O】I l l m,体积小，成本低，适用性广，并获得国家专利.

1 霍尔元件霍尔效应是指在半导体两端通人控制电流，,并在其垂直方向施加磁感应强度为 B的匀强磁场，则在垂直电流和

磁场的方向上将产生霍尔电压 Vn,相关数学表达式如下：VH—R}{ I B/ d. ( 1 )

式中 R为霍尔常数， d为半导体的厚度 .令 Kn—RH/ d,可得 Vn=Kn I B,Kw为灵敏度系数 .由

式( 1 )可知，当控制电流 J恒定时，输出电压

就正比于磁感应强度 B.只要结构设计合理，磁场为

均匀梯度磁场，则可使作用于霍尔元件上的磁感应强度的变化量 A B与磁体的位移变化量△ L成正比.由此可见，输出电压 V正比于霍尔元件与磁体之间位移的变化量△ L L 7铝] .霍尔元件是一种基于霍尔效应的器件，它能实现磁电转换，可用于检测磁场及其变化；它具有结

构牢固、体积小、质量轻、寿命长、功耗小、频率高 (可达 1 MHz )、安装方便，不怕灰尘、油污水汽及烟雾污染和腐蚀等优点 _ l 0] .线性霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成.目前，国内外已研发出可编程霍尔元件，例如 MI C R ONAS公司的 HAL 8 1 5, I NF I NE 0 N公司的 T L E 4 9 9 7, ME L -

E XI S公司的 ML X g 0 3 6 0都是一种可编程线性霍尔元件，它们的输出电压等参数可由程序进行修改.同一只传感器只要修改程序就可得到不同的输出电压，从而极大地提高了输出曲线的线性度、同步度等参数，并可对温度、磁感应强度等进行补偿.传感器及其工作件在制造过程中通常会存在机械、磁

体、装配等方面的误差，这些误差可在传感器安装至工作件后经过编程得到修正.收稿日期：2 0 1 3一O 5— 2 2 . *联系人，E _ ma i l:L R X1 3 8 0 5 2 7 2 3 3 3@s o h u . c o m.

基金项目：扬州市一扬州大学科技合作项目 ( YZ 2 o o 8 o 8 8 ) .

引文格式：刘荣先，李凡，崔守鸷.霍尔式直线小位移传感器的设计[ J] .扬州大学学报：自然科学版，2 0 1 3,1 6 ( 4 ):4 7— 5 0