線性霍爾元件在非接觸位置測量中的應(yīng)用

張 艷 艷， 孟 凡 兵， 于 忠 得

（大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

傳統(tǒng)的基于光學(xué)原理的位置檢測在冶金煉焦工業(yè)場合，難免有焦?fàn)钗镔|(zhì)附著在測量元件表面，影響正常使用，無法解決這些場合的位置檢測問題［1］。基于磁場檢測的方法對(duì)此不敏感，可以用于這些場合的位置檢測。霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)原理將被測量的信號(hào)（如電流、磁場、位移等）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢輸出的一種傳感器，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、無接觸壽命長等特點(diǎn)，霍爾元件被廣泛用于測量技術(shù)領(lǐng)域［2］。本文研究了一種利用線性霍爾元件進(jìn)行基于磁場的位置檢測方法。由于霍爾元件對(duì)環(huán)境溫度、周圍雜散磁場變化敏感，只有有效地解決霍爾元件的這些問題，才能將霍爾元件應(yīng)用于這些場合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的位置測量。

1 霍爾元件在非接觸位置測量中的應(yīng)用

1.1 測量方法

位置測量可以認(rèn)為是移動(dòng)物體相對(duì)于靜止參考點(diǎn)的直線位置的測量。本文采用的測量方法如圖1所示，將一個(gè)由永久磁鐵構(gòu)成的磁頭放置在靜止參考點(diǎn)上，在靜止參考點(diǎn)附近形成一個(gè)由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場。裝有線性霍爾元件的霍爾裝置沿直線軌道運(yùn)行，直線軌道與過靜止參考點(diǎn)的直線平行，平行距離恒定在90mm。當(dāng)霍爾裝置在軌道上從圖1中的位置1向位置3移動(dòng)時(shí)，靠近磁頭磁場加強(qiáng)，遠(yuǎn)離磁頭磁場減弱。安裝在霍爾裝置上的線性霍爾元件，根據(jù)所處磁場的強(qiáng)弱輸出不同大小的霍爾電勢，由此確定運(yùn)動(dòng)物體與參考點(diǎn)之間的位置。

圖1 測量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement method

如圖2位置測量示意圖所示，霍爾測量裝置內(nèi)部設(shè)有對(duì)稱的霍爾元件，左右各一個(gè)，磁頭在測量裝置運(yùn)行軌道的水平下方。圖2 中（a）、（b）、（c）對(duì)應(yīng)于位置測量時(shí)霍爾裝置靠近磁頭從左向右移動(dòng)的3個(gè)位置。

處在不同位置，受到磁場影響不同，輸出的霍爾電勢不同。利用這一特性，設(shè)計(jì)霍爾元件電壓輸出信號(hào)檢測電路，通過對(duì)輸出信號(hào)的分析，確定霍爾測量裝置的位置。圖3所示為霍爾裝置的整機(jī)電路框圖，將霍爾元件1、2輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大比較處理，通過差動(dòng)輸入來平衡補(bǔ)償環(huán)境因素等造成的誤差，再經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換為較大的電壓信號(hào)。通過V／I轉(zhuǎn)換電路，使得霍爾測量裝置輸出4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，不同的電流輸出值對(duì)應(yīng)著霍爾裝置所處的不同位置。將電流信號(hào)送入后級(jí)設(shè)備，通過后級(jí)設(shè)備對(duì)電流信號(hào)的處理來達(dá)到所要求的控制目的。

圖2 位置測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of position measurement

圖3 整機(jī)電路框圖Fig.3 Overall unit circuit block diagram

1.2 霍爾元件溫度補(bǔ)償方案

霍爾元件的輸出電勢不僅與所處的磁場強(qiáng)度有關(guān)，而且對(duì)工作環(huán)境溫度變化敏感，在應(yīng)用中必須采取措施克服環(huán)境溫度變化的影響［3］。采用恒流源供電是抑制溫度變化影響的一種措施，但恒流源供電只能克服電阻率變化帶來的影響，并不能完全解決霍爾電勢輸出隨溫度變化的穩(wěn)定性問題。本文研究的霍爾測量裝置除了采用恒流供電方式外，還通過為霍爾元件建立一個(gè)局部恒溫區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾元件工作溫度的恒定控制，從根本上解決霍爾電勢隨溫度變化發(fā)生飄移的問題。

圖4是一個(gè)溫度反饋控制回路，采用兩位式控制。U1為一個(gè)比較器，溫度設(shè)定值施加在它的同相端，溫度實(shí)測值施加在它的反向端，當(dāng)實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，比較器輸出高電平，使Q2、Q3復(fù)合管導(dǎo)通，Q3是一個(gè)大功率三極管，導(dǎo)通時(shí)將向周邊散熱，提升周邊的溫度；當(dāng)實(shí)測溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，比較器輸出低電平，使Q2、Q3復(fù)合管截止，周邊溫度將下降，由此實(shí)現(xiàn)溫度恒定控制。

U3是一個(gè)集成溫度傳感器，溫度每升高1 ℃，輸出電流增加1nA，輸出電流經(jīng)過U1的反向端時(shí)，由于R6?R5，U3的輸出電流在R5上建立了電壓，這個(gè)電壓反映了實(shí)測溫度的大小。DZ1是一個(gè)2.5V 精密基準(zhǔn)電壓源，作用于U1的同相端，2.5／R5所得的以nA 為單位的電流數(shù)值，就是設(shè)定的溫度值。

圖4 溫度反饋控制回路Fig.4 Temperature feedback control loop

將溫度反饋控制回路中的U3、Q2和線性霍爾元件用高溫黏結(jié)劑黏結(jié)在導(dǎo)熱性能良好的鋁型材上，將鋁型材置于隔熱罩內(nèi)。采用上述措施后，可將線性霍爾元件的工作溫度恒定在1 ℃內(nèi)，基本解決了溫度影響問題。

1.3 差動(dòng)平衡補(bǔ)償方案

盡管已經(jīng)對(duì)霍爾元件采用恒溫控制方案，但霍爾元件以外的其他電路元件，如運(yùn)放偏置電阻、恒溫電路不能完全抑制的傳感器的溫度飄移、周邊電磁信號(hào)影響等問題，仍然可能造成霍爾元件輸出電勢的不穩(wěn)定，可以利用差動(dòng)平衡補(bǔ)償原理進(jìn)一步消除。差動(dòng)平衡補(bǔ)償原理如圖5所示。

圖5 霍爾元件差動(dòng)平衡補(bǔ)償電路圖Fig.5 Hall element differential balance compensation circuit

U1、U2為兩個(gè)霍爾元件，分別由I1、I2兩路恒流源供電。由于制造工藝的限制，U1與U2的靈敏度是不一致的，為了使進(jìn)入差動(dòng)放大器U5的兩路信號(hào)增益一致，在U1、U2后級(jí)分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)前置放大器，由R1、R2、C1、U3、RW1組成U1的前置放大，放大增益可由RW1調(diào)整；由R3、R4、C2、U4、RW2組成U2的前置放大，放大增益可由RW2調(diào)整。由于兩個(gè)前置放大器結(jié)構(gòu)完全一致，且電路參數(shù)經(jīng)過嚴(yán)格篩選，若因放大器參數(shù)變化造成輸出飄移時(shí)，飄移的方向與幅度會(huì)基本一致，兩路同等的飄移會(huì)在U5的差動(dòng)級(jí)中相互抵消。同理，U1靈敏度配合放大器U3的增益，U2靈敏度配合放大器U4的增益，達(dá)到在相同磁場作用下，U5的兩個(gè)差動(dòng)輸入的大小一致，兩路信號(hào)的總增益相等，做到平衡抵償雜散磁場影響，并且當(dāng)霍爾元件及后級(jí)放大電路發(fā)生溫度漂移時(shí)，也能進(jìn)行平衡補(bǔ)償。這就是差動(dòng)平衡補(bǔ)償?shù)幕驹怼?/p>

1.4 V／I轉(zhuǎn)換方案及后級(jí)處理設(shè)備方案

經(jīng)過差動(dòng)平衡補(bǔ)償并放大的信號(hào)通過V／I轉(zhuǎn)換電路輸出4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。V／I轉(zhuǎn)換功能由V／I轉(zhuǎn)換芯片AD694完成。將電流信號(hào)送入后級(jí)設(shè)備進(jìn)行處理，達(dá)到要求的控制目標(biāo)。后級(jí)設(shè)備的形式可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場不同要求來決定，例如采用單片機(jī)或PLC。無論采用何種后級(jí)設(shè)備，都可以根據(jù)4～20 mA 電流輸出信號(hào)達(dá)到位置測量的目的。

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1是利用本文介紹的測量方法，將霍爾測量裝置在水平位置上從左到右移動(dòng)時(shí)，圖3所示各級(jí)電路的輸出值，其中，當(dāng)V／I轉(zhuǎn)換電路輸出4、12、20mA 時(shí)，分別對(duì)應(yīng)圖2（a）、（b）、（c）3個(gè)位置。表1中V／I轉(zhuǎn)換輸出電流反映出霍爾測量裝置所處的不同位置，即達(dá)到了位置測量的目的。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation of experimental data

2 結(jié)束語

本文所介紹的利用霍爾元件進(jìn)行位置測量方案，已經(jīng)在某煉焦企業(yè)的車輛對(duì)位控制中得到實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該方案比較成功地解決了霍爾元件溫度漂移問題與受周邊雜散磁場變化影響問題。

［1］董積輝，張東來，秦海亮，等.一種直線位移傳感器設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（1）：3-4.

［2］張濤.霍爾元件多極磁環(huán)式速度傳感器的設(shè)計(jì)［J］.裝備制造，2009（4）：169-170.

［3］杜永蘋，何小映.淺談傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（6）：63-64.