霍爾式轉速傳感器檢測原理分析

孫永行

摘 要：本文對霍爾式轉速傳感器測量裝置的結構原理及可能存在的失效點進行分析，并給出可行的磁極檢查與安裝標準，同時搭建標定裝置對傳感器進行校驗，保證轉速測量裝置的有效性，提高設備可靠性。

關鍵詞：霍爾效應;轉速傳感器;磁極檢測;標定裝置

引言

霍爾式轉速傳感器利用磁性材料感應磁場變化獲取轉速信號，結構簡單、準確度高。永久磁鐵隨轉子在泵殼內旋轉的過程中，可能受到高溫和流體撞擊等因素影響，導致磁性下降，且磁性材料對磁場的靈敏度有限，實際應用中傳感器安裝位置與磁極的距離會影響傳感器的響應情況。所以霍爾式轉速傳感器測量裝置的預防性檢查和安裝都需要制定明確標準，以保證設備轉速測量的有效性。

1 霍爾式轉速傳感器結構原理

基于霍爾元件的轉速傳感器具有無觸點、可靠性高、構造簡單、體積小、堅固、耐沖擊等優點。工程使用的轉速傳感器基于霍爾效應原理，采用由5～25 V直流電源供電的NPN型三極管，測量范圍為0～12000 r/min。

由于霍爾效應，每當轉子磁極經過霍爾元件時，霍爾元件開關導通和截止1次，產生1個方波脈沖信號（經過信號處理電路，占空比為50%），由此將轉速信號轉變為脈沖信號，而脈沖信號由內部電路采集計數，采用頻率測量法測出實際轉速。其測量原理為：在固定的測量時間內，計取轉速傳感器產生的脈沖個數，從而算出實際轉速。

根據式（1），在霍爾元件已選定的基礎上，霍爾電壓取決于磁感應強度，NPN型霍爾開關元件的導通和截止需要足夠的磁場強度，所以永久磁極磁場強度和安裝距離2個因素決定了轉速測量的可靠性。

2 轉速測量的主要影響因素

2.1永久磁極的磁場強度

永久磁鐵是在沒有外加磁場下能長久保持自身磁性的物體。根據材料不同，一般可保持10年之久。永久磁鐵可用具有鐵磁性的物料（如鐵、鎳等）制成。當受到強磁外力的作用或溫度超過其最高工作溫度時，永久磁鐵的磁性會變弱甚至消失。如果不暴露在這些條件下，永久磁鐵仍會失去自身磁性，但這種降解十分緩慢。

在磁體中，假設磁力線（一般為曲線）從S級出發，終止于N級。從S級至N級的磁力線是磁鐵表面空間的最短距離。當磁鐵A的N級靠近另一磁鐵B的S級時，磁鐵A和磁鐵B的磁力線會發生變化，合成后磁力線會從磁鐵B的S級穿越磁鐵A的N級，再從磁鐵A的S級穿越回磁鐵B的N級。測量時，為得到最大的磁場強度，需控制探棒與被測磁極的方向，使磁力線和傳感器平面垂直，同時要保證探棒的傳感器元件位置與磁極中心接觸。

為得到磁極磁場強度正常與否的判斷標準，使用高斯計對多個磁極備件和現場磁極進行檢測，發現新磁極備件的磁場強度均在160 mT以上，而低于100 mT時傳感器可能無法感應到交變磁場。由此制定預檢標準：

在每個循環傳感器回裝階段，檢查磁極磁場強度并與上個循環進行比對，如強度小于130 mT則要求對磁極進行更換;同一磁極如果在相鄰2個循環周期內所測的磁場強度偏差大于15 mT，則由技術人員進行分析和評價處理。

2.2 傳感器安裝位置

除永久磁極自身磁場強度外，傳感器與磁極的安裝距離也會影響轉速測量。傳感器和磁極間隙距離A要求在（0.635±0.320）cm范圍內。在永久磁極正常的情況下，該標準是廠家根據NPN型霍爾開關導通/截止所需的磁感應強度制定的。如果間隙過大或磁極磁性較弱，都有可能導致無法產生轉速信號。

3 標定裝置

在確保磁場和安裝可靠的情況下，如果能保證傳感器的可靠性，就可以確保整個轉速測量裝置的可靠性。

3.1標定裝置方案分析

如果對轉速傳感器進行標定則需提供交變磁場，使傳感器產生脈沖信號以驗證傳感器的可用性。主要可以通過以下幾種方式實現：

（1）利用交變磁場發生器直接產生調頻交變磁場。如果對轉速傳感器進行標定，則需提供頻率在0～200 Hz（頻率精確到0.02 Hz）范圍內連續可調的交變磁場發生器，對電源和變頻技術要求較高，儀器采購成本高、設計難度大，可操作性不強。

（2）通過電機帶動磁極旋轉模擬現場轉子和傳感器的結構。已有的轉速校驗臺轉速可達到5000～6000 r/min，如果再增大轉速，校驗臺振動將明顯增加，設備將處于不安全狀態。由于該校驗臺含有變速接口，所以可通過變極和多極磁極在低轉速下實現高頻交變磁場。轉速傳感器備件一般附有多極磁盤，如果將該磁盤裝在旋轉設備上，可滿足變極和多極磁極的條件，此方案簡單易行。

3.2 標定裝置搭建

整套轉速傳感器標定裝置主要包括轉速設定裝置、電機、校驗磁盤、TR400和測量傳感器5個部分，電機轉速由轉速設定裝置設定，帶動磁盤旋轉，測量傳感器感應的脈沖信號送往TR400處理和顯示，同時TR400由轉速設定裝置供電。多極磁盤使電機不需要高速旋轉就可滿量程準確檢測傳感器。

根據校驗磁盤和校驗臺接口情況，設計加工1個連接部件，能將磁盤和轉速校驗臺組裝起來。經過驗證，在電機高速轉動過程中，校驗磁盤被帶動高速旋轉，振動較小，可接受。ASG汽動給水泵轉速傳感器測量范圍為0～12000 r/min，由于校驗磁盤旋轉1周可使傳感器產生10轉信號，達到滿量程只需將電機轉速設定為1200 r/min。由于磁力線方向垂直于磁盤盤面，通過傳感器自帶的支架，可將傳感器正對磁盤，實現傳感器的檢查標定。

3.3 標定標準制定

根據故障歷史和檢修周期，在每個循環傳感器回裝階段增加傳感器轉速檢查內容，即使用轉速標定裝置對傳感器進行全量程檢查。通過轉速設定裝置設定轉速（0、3000、6000、9000、12000 r/min），記錄TR400的顯示值并與設定值進行比較，要求偏差在±0.1%范圍內。

4 結論

通過對轉速測量傳感器的研究分析，得出影響霍爾式轉速傳感器轉速測量有兩個主要因素是：永久磁極磁場強度和安裝距離。針對上述影響因素可制定出一套針對磁極狀態的監測標準和安裝標準，并制作出一套針對霍爾式轉速傳感器的標定裝置，可有效提高設施的可靠性。且該標定裝置具有通用性，可應用于其它類似的霍爾轉速傳感器。

參考文獻

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