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采用反饋隨動機構擴大霍爾傳感器位移測量范圍

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-04-02  來源:中國互感器網  瀏覽次數:445
核心提示:  本文于1999年12月收到福建省自然科學基金資助項目1引言磁敏感器件在具有梯度的磁場中移動,其輸出可反映出移動的情況霍爾元件的輸出與磁感應強度有線性關系⑴:Sh-一霍爾器件的乘積靈敏度B-一磁感應

  本文于1999年12月收到福建省自然科學基金資助項目1引言磁敏感器件在具有梯度的磁場中移動,其輸出可反映出移動的情況霍爾元件的輸出與磁感應強度有線性關系⑴:Sh-一霍爾器件的乘積靈敏度B-一磁感應強度I-一流過霍爾元件的控制電流當磁場為均勻梯度磁場且控制電流I恒定,輸出Vh就正比于霍爾元件與產生磁場的磁鋼之間的位移。

  因此可以用霍爾元件來測量位移量它具有慣性小,響應快,非接觸等特點,很適應做現場動態測試然而,能保持均勻梯度磁場的范圍不大,霍爾元件只能小范圍(通常僅約1mm)的測量位移且要保持在測量區域內有均勻梯度的磁場,其磁場設計復雜,這在很大程度上限制了霍爾元件測量位移的應用。由于它慣性小,有非接觸的優點,若能在簡單磁場的條件下利用霍爾元件測量位移,加測量范圍,將使它在各種位移與振動的測量中發揮作用,成為一種性能優良的位移傳感器采用反饋隨動機構就可達到這一目的2測量原理表明了霍爾元件與磁鋼之間相對位置變化時,霍爾元件的輸出曲線圖中表明,霍爾元件與磁鋼的相對位置由1點移動到3點時,輸出電壓Vh由最小值過渡到最大值,其中在2點經過零點場。從圖中可看到,只要隨動機構能及時帶動霍爾元件回到平衡點,測量的精度就可保證隨動機構的動態范圍實際上就是測量范圍。

  隨動結構實際上是一種動圈型的位移結構,亦可稱為力發生器,如所示它主要由反饋線圈和永久磁鐵組成反饋線圈置于永久磁鐵的磁場中并由四條彈簧固定住霍爾元件則裝在反饋線圈上面的支架上,為霍爾元件與反饋隨動機構配合測量位移的基本原理。以80C51單片機為核心組成隨動控制電路。輸入通道由調零放大級與A/D轉換器組成輸出通道由D/A轉換器與電壓一電流轉換器IA組成其中輸入通道中的前置放大級采用貼片的4558運算放大器與霍爾元件一起組成霍爾傳感器探頭,裝在隨動機構的支架上,可隨隨動機構的移動而移動測量原理為:靜止時,把霍爾元件置于位置2,此時霍爾元件的輸出為零。調整調零放大器使其輸出為零CPU在無輸入的情況下亦無控制I)的信號輸出,I=0,機構處于自由平衡狀態。當磁鋼移動X‘時,與霍爾元件之間有相對位移,霍爾元件產生輸出Vh,該輸出經放大器放大、A/D轉換并送CPU處理根據處理結果,CPU送出推動隨動機構運動的驅動電壓數據,經D/A轉換后得驅動電壓U.,經VA轉換后得驅動電流t,t推動隨動機構的運動,帶動霍爾傳感器探頭跟隨磁鋼的移動而移動X,直到霍爾元件與磁鋼的相對位置又回到位置2,使其輸出重新為零顯然,此時霍爾元件的移動量X就等于磁鋼移動量X’。電流t就可代表磁鋼的位移量。同時,VA轉換過程是線性的,即U可代表電流t,即U可代表磁鋼的位移量由于這種測量方法不是直接把霍爾元件的輸出Vh作為當反饋線圈流過電流t時線圈就要產生電磁力Fc,Fc使得反饋線圈在磁場中運動,并帶動霍爾元件相應的移動X而在位移X的作用下,彈簧產生一個與Fc反向的平衡力Ft,該平衡力Ft阻止反饋線圈進一步的運動因此,反饋線圈及霍爾元件就停留在由驅動電流t產生的電磁力FC和由彈簧產生的平衡力Ft所確定的平衡點上顯然,驅動電流t越大,位移X就越大為了分析位移X與驅動電流I)之間的關系,把反饋線圈、支架等活動部分看成一個鋼體,系統的運動可用一個二階微分方程描述:C一一等效阻尼系數K一一彈簧的彈性系數與I)的關系:式(2)可改寫為:z-一阻尼比測量結果,因此就避開使用式(1),這就意味著在測量在X變化頻率遠小于固有頻率w時,可忽略(4)過程中遺不需要保證在測量1域內保P均勻梯度的磁lshin的微分項并將其改寫為:http://www.cnki.net式(5)表明驅動電流1>與霍爾元件位移X之間呈線性關系考慮U與L之間亦為線性關系:帶入(5)式,可得最終結果:3實驗與結果3.2動態實驗當應變梁在激振器驅動下產生振動時,磁鋼在X方向有一個簡諧位移,位移幅值和頻率由激振器確定。

  利用傳感器實驗儀配置的磁電傳感器可測得磁鋼的位移,其輸出用作參比信號應變梁的振動位移X可由磁電傳感器和霍爾元件位移測量系統分別測出并送示波器顯示實驗分為兩部分:3.1靜態實驗利用傳感器實驗儀配置的千分尺的螺桿推動磁鋼移動,磁鋼的位移量AX由千分尺的刻度讀出。該位移由霍爾元件位移測量系統測出,其測量結果如表1表1磁鋼位移的測量結果位移ax測量輸出AU0(mV)位移AX測量輸出AU0(mV)是根據表1繪出的磁鋼位移與霍爾元件位移測量系統測量結果的關系曲線從圖中可看到,采用反饋隨動機構后,霍爾元件克服了線性不好的缺點,在較大的范圍內線性的進行位移測量。

  從實驗結果可看到霍爾元件測量結果與參比信號很接近,能比較準確的反映應變梁以正弦規律變化的位移這表明,霍爾元件采用隨動結構伺服后,完全可以在簡單的磁場條件下大范圍地進行位移測量。

 
 
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