摘要：介绍了一种利用霉尔效应实现位移测量的新型传感器，实验研究表明:在3mm的量程范围内精度可以达到0.01 mm.应用这种传感器,可以实现钢管、钢棒、钢丝绳等细长构件的直径动态连续测量。

　　关鍵词：传感器；霍尔效应；位移测量

　　目前，测量位移的传感器很多，有电涡流式、电容式；电容式与涡流式传感器的特点是电路 处理比较复杂，并且操作比较麻烦，随着测量量程 的增加，传感器的体积相应增大，如果被测物体表 面不均匀，上述两种传感器的灵敏度会下降很多. 为此，本文提出了基于霍尔效应的位移传感器.

　　1　基本原理

　　霍尔元件是指利用霍尔效应产生输出电压的元件.根据霍尔效应原理，如果垂直作用于元件平 面的磁感应强度为£，通过元件的电流为/,无负 荷时产生的霍尔电压用下式表示

式中，为通过元件电流元件的灵敏度，B为磁感应强度;为形状系数，由元件的形状和霍尔角所决定，一般小于1。

　　由上式看出，霍尔电压的大小正比于电流和磁感应强度5的乘积，并与元件灵敏度有 关.若使控制电流/固定，则与S成比例变 化.当霍尔元件在一个均匀梯度磁场中移动时，元 件输出的电压变化就能反映出位移情况，利用这一原理可对位移进行测量.

　　2　传感器设计

　　在传感器设计时1可以采用如图1所示的方式，此时，霍尔元件与永久磁铁作成一体，当传感器与被测物体间的距离l发生变化时，传感器与 被测物体间的磁阻发生变化.引起永久磁铁与被 测物体间的磁场分布也随之发生变化.此时，霍尔元件处的磁场也必然发生变化，霍尔元件即有电压信号输出。

　　霍尔元件采用UGN3501T集成霍尔元件， 主要考虑到如下因素.a.可以保证很高的空间分 辨率.其敏感面积为0.1 mmXO.1 mm.相当于检测磁场中的一个点，对提高检测位移的精度十分 有利.b.灵敏度可达7V/T;而单片霍尔元件中 灵敏度较好的HZ-1仅有240mV/T (对应于20mA控制电流），从而可以减少为放大信号所 设计的电路的漂移和嗓声的影晌.c.其外型尺寸 为 4. 44 mm X 4. 52 mm X 2.0mm采用塑胶封装，且体积较小,便于在传感器中安装，可以把传感器的体积做得很小.d.属于三端子器件，引线合理便于焊接。

　　实验表明:霍尔元件与永久磁铁间的距离对 该传感器的灵敏度、线性度与量程都有很大影响， 若霍尔元件与磁铁距离很近，则该处的磁场强度 很大，霍尔元件很容易饱和，传感器的线性度差t 量程小《若霍尔元件与永久磁铁距离太远，则磁场很弱，霍尔元件感应不到磁场，灵敏度降低.因此 必须在传感器设计中要确定最佳的数值值。

　　　3　实验结果

　　由上述分析可知，该传感器适用于被测物体 是铁磁构件（即能够改变磁力线分布的物体）间 、的位移的测量.图2给出了当材料磁化到饱和与图2材料的礅化程度对测量的影响 非饱和状态的测量曲线，由于磁场分布受材料特 性影响很大，当材料磁化到饱和状态时，测量曲线 较为平直；当材料未磁化到饱和状态时，测量曲线 波动较大;在饱和磁化区与未饱和磁化区之间，测量曲线呈上升趋势，所以为保证测量梢度，被测物体局部应该磁化到饱和状态。

　　图3给出了传感器输出曲线，实验研究与理论计算表明，该传感器在0~3mm范围内有较好的线性度，灵敏度可以达到0.01mm。采用上述设计的传感器可以实现非接触的位移测量，若成对布置传感器，如图4所示，可实现 铟管、钢棒、钢丝绳等细长导磁构件直径的非接触的动态连续测量，由图4可知，被测物体的直径 ^与其他方法相比，采用该方法测量 的显著优点是不受被测构件表面油泥等非导磁污 物的影响，传感器的抗干扰性能好与抗冲击能 力强，结构简单.结果表明：考虑到偏心等其他干 扰因素的彩响，采用传感器设计的钢丝绳直径检 测仪对银丝绳的动态测量精度可以达到0.3mm.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（作者：武新军,康宜华，卢文祥，杨叔子）

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