專利名稱：霍爾效應(yīng)非接觸式直線位移線性測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量位移的方法，尤其是涉及一種霍爾效應(yīng)非接觸式直線位移線性測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
霍爾元件作為傳感器測(cè)量車(chē)輛和機(jī)械設(shè)備中的角位移和直線位移具有成本低、精度較高等特點(diǎn)，因此霍爾式傳感器在工程中得到一定程度的應(yīng)用，尤其是霍爾式角位移傳感器。目前，測(cè)量直線位移的霍爾傳感器還主要用于測(cè)量位移范圍很小(一般在15mm以內(nèi))的直線位移。但對(duì)于位移范圍較大(如0～50mm)的運(yùn)動(dòng)，霍爾位移傳感器的輸出信號(hào)難于與被測(cè)位移量保持線性關(guān)系，而呈現(xiàn)出一種非線性關(guān)系，因此，其應(yīng)用將受到制約。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決霍爾式位移傳感器不能夠線性地測(cè)量較大直線位移量的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種霍爾效應(yīng)式直線位移線性測(cè)量方法，用于霍爾式直線位移傳感器對(duì)于位移范圍較大的直線位移的測(cè)量。
本發(fā)明所解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是如何解決霍爾式位移傳感器在測(cè)量較大位移的過(guò)程中能保持傳感器輸出電壓與被測(cè)位移量之間具有較高的線性度。所提出的方法是從磁路結(jié)構(gòu)上保證作用于霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與被測(cè)量位移x成為線性函數(shù)，即B(x)＝B0+C·x(B0為x＝0時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是一種霍爾效應(yīng)非接觸式直線位移線性測(cè)量方法，其特征在于1)、使磁軛的長(zhǎng)度l(x)和磁軛的截面積S3(x)均隨位移量被測(cè)位移x的增加而增加，并使得 為一恒定值，式中， 表示長(zhǎng)度為l(x)的磁軛的平均有效面積2)、使空氣隙長(zhǎng)度f(wàn)(x)隨被測(cè)位移x的增加而非線性地增加，并滿足以下關(guān)系f(x)=1C2(1C1+C2δ0-CFx)-C1C2,]]>即磁軛的彎曲程度隨x的增加按 的規(guī)律增加；式中 δ——永磁體與磁軛間空氣隙的總長(zhǎng)度，δ0為δ在x＝0處的取值F為永磁體具有的磁動(dòng)勢(shì)
C1=dμ0·μr1+2l(x)·s1μ0·μr2·s3(x)‾]]>C2=S1μ0·S2,]]>C為進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，取定的 恒變化率值；其中d——霍爾元件的厚度S1——霍爾元件的面積l(x)——單邊工作磁軛的長(zhǎng)度S2——永磁體的橫截面積μ0——真空磁導(dǎo)率μr1——霍爾元件的相對(duì)磁導(dǎo)率μr2——磁軛軟鐵材料的相對(duì)磁導(dǎo)率3)獲得與被測(cè)位移x成線性關(guān)系的霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(x)和霍爾式位移傳感器的輸出電壓UH，B(x)＝B0+C·x，式中，B0為x＝0時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值UH=KHd·B(x)·I,]]>式中，KH為霍爾系數(shù)，I為流過(guò)霍爾元件且與B(x)方向垂直的電流；4)霍爾元件固定不動(dòng)，永磁體鐵芯作為與被測(cè)位移量x同步變化的移動(dòng)件沿x方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得被測(cè)位移量x。
本發(fā)明的有益效果是使霍爾式傳感器能夠精確測(cè)量較大范圍的直線位移，擴(kuò)大了霍爾式位移傳感器的應(yīng)用范圍。


圖1是根據(jù)霍爾效應(yīng)非接觸直線位移線性測(cè)量方法建立的模型；圖2為圖1的A-A剖視圖。
圖中霍爾元件1，永磁體2、(軟鐵)磁軛3和4。
具體實(shí)施例方式
一種霍爾效應(yīng)非接觸式直線位移線性測(cè)量方法，其特征在于1)、使磁軛的長(zhǎng)度l(x)和磁軛的截面積S2(x)均隨位移量被測(cè)位移x的增加而增加，并使得 為一恒定值，式中， 表示長(zhǎng)度為l(x)的磁軛的平均有效面積；
2)、使空氣隙長(zhǎng)度f(wàn)(x)隨被測(cè)位移x的增加而非線性地增加，并滿足以下關(guān)系f(x)=1C2(1C1+C2δ0-CFx)-C1C2,]]>即磁軛的彎曲程度隨x的增加按 的規(guī)律增加；式中δ——永磁體與磁軛間空氣隙的總長(zhǎng)度，δ0為δ在x＝0處的取值F為永磁體具有的磁動(dòng)勢(shì)G1=dμ0·μr1+2l(x)·s1μ0·μr2s3(x)‾]]>G2=S1μ0·S2]]>c為進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，取定的 恒變化率值；其中d——霍爾元件的厚度s1——霍爾元件的面積l(x)——單邊工作磁軛的長(zhǎng)度s2——永磁體的橫截面積μ0——真空磁導(dǎo)率μr1——霍爾元件的相對(duì)磁導(dǎo)率μr2——磁軛軟鐵材料的相對(duì)磁導(dǎo)率3)獲得與被測(cè)位移x成線性關(guān)系的霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(x)和霍爾式位移傳感器的輸出電壓UH，B(x)＝B0+C·x式中，B0為x＝0時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值UH=KHd·B(x)·I]]>式中，KH為霍爾系數(shù)，I為流過(guò)霍爾元件且與B(x)方向垂直的電流；4)霍爾元件固定不動(dòng)，永磁體鐵芯作為與被測(cè)位移量x同步變化的移動(dòng)件沿x方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得被測(cè)位移量x。
按照上述方法建立的模型如圖1所示，該方法的測(cè)量原理及理論驗(yàn)證如下設(shè)霍爾元件厚度為d，通過(guò)磁軛垂直作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(x)為x的函數(shù)，流過(guò)霍爾元件且與B(x)方向垂直的電流為I，則從霍爾元件上可得到霍爾電壓UH為UH=KHd·B(x)·I---(1)]]>
因此，只要B(x)是x的線性函數(shù)，則UH便是x的線性函數(shù)。在圖1所示的永磁磁路中，設(shè)永磁體具有的磁動(dòng)勢(shì)為F(確定量)，則由磁路理論有φ=Fdμ0·μr1·s1+2l(x)μ0·μr2·s3+δμ0·s2---(2)]]>于是B(x)=φs1=Fdμ0·μr1+2l(x)·s1μ0·μr2·s3+δ·s1μ0·s2---(3)]]>當(dāng)x變化時(shí)，l(x)也發(fā)生變化，若將S3也設(shè)計(jì)成隨x變化的截面積S3(x)，并用 表示長(zhǎng)度為l(x)的磁軛的平均有效面積，同時(shí)保證，對(duì)一切x， 保持一定值，則公式(3)中dμ0·μr1+2l(x)·s1μ0·μr2·s3(x)‾]]>應(yīng)為不變量，令其值為C1，即G1=dμ0·μr1+2l(x)·s1μ0·μr2·s3(x)‾---(4)]]>再令G2=S1μ0·S2---(5)]]>δ＝f(x) (6)則有B(x)=FC1+C2·f(x)---(7)]]>為保證B(x)為x的線性函數(shù)，令 令該常量為-C (C＞0)即有-C2·F·f′(x)[C1+C2·(x)]2=-C]]>整理得df(x)[C1+C2·f(x)]2=CC2·Fdx]]>上式兩邊積分得-1C1+C2·f(x)=CFx+G]]>式中，G為積分常數(shù)。
由x＝0時(shí)，f(x＝0)＝δ0(δ0為x＝0處的空氣間隙)得G=-1C1+C2·δ0]]>于是得到f(x)=1C2(1C1+C2δ0-CFx)-C1C2---(8)]]>公式(8)表示要保證B(x)為x的線性函數(shù)，隨x的值增加，空氣隙長(zhǎng)度f(wàn)(x)應(yīng)按公式(8)的描述規(guī)律變化。因此，每條磁軛的形狀應(yīng)該為按 的規(guī)律隨x增加而逐漸增大其彎曲的程度。
另外，隨位移值x的增加，磁軛截面積也按保證 為恒定量的規(guī)律增加。這不僅能使磁軛的磁阻保持不變，而且有利于保證隨空氣隙f(x)的增加不會(huì)產(chǎn)生明顯的漏磁現(xiàn)象。
權(quán)利要求
一種霍爾效應(yīng)非接觸式直線位移線性測(cè)量方法，其特征在于1)、使磁軛的長(zhǎng)度l(x)和磁軛的截面積S3(x)均隨位移量被測(cè)位移x的增加而增加，并使得 為一恒定值，式中， 表示長(zhǎng)度為l(x)的磁軛的平均有效面積；2)、使空氣隙長(zhǎng)度f(wàn)(x)隨被測(cè)位移x的增加而非線性地增加，并滿足以下關(guān)系f(x)=1C2(1C1+C2δ0-CFx)-C1C2,]]>即磁軛的彎曲程度隨x的增加按 的規(guī)律增加；式中δ——永磁體與磁軛間空氣隙的總長(zhǎng)度，δ0為δ在x＝0處的取值F為永磁體具有的磁動(dòng)勢(shì)C1=dμ0·μr1+2l(x)·s1μ0·μr2·s3(x)‾]]>C2=S1μ0·S2]]>C為進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，取定的 恒變化率值其中d——霍爾元件的厚度s1——霍爾元件的面積l(x)——單邊工作磁軛的長(zhǎng)度s2——永磁體的橫截面積μ0——真空磁導(dǎo)率μr1——霍爾元件的相對(duì)磁導(dǎo)率μr2——磁軛軟鐵材料的相對(duì)磁導(dǎo)率3)獲得與被測(cè)位移x成線性關(guān)系的霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(x)和霍爾式位移傳感器的輸出電壓UH，B(x)=B0+C·x‾,]]>式中，B0為x＝0時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值UH=KHd·B(x)·I,]]>式中，KH為霍爾系數(shù)，I為流過(guò)霍爾元件且與B(x)方向垂直的電流；4)霍爾元件固定不動(dòng)，永磁體鐵芯作為與被測(cè)位移量x同步變化的移動(dòng)件沿x方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得被測(cè)位移量x。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種霍爾效應(yīng)非接觸式直線位移線性測(cè)量方法，其技術(shù)方案為1)使磁軛的長(zhǎng)度l(x)和磁軛的截面積S
文檔編號(hào)G01B7/30GK1760630SQ20051005736
公開(kāi)日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者楊志剛 申請(qǐng)人:重慶交通學(xué)院