霍爾傳感器在電動機車測速中的應用
發布時間：2017-11-22
測速裝置在機車控制系統中占有非常重要的地位，對側速裝置的要求是分辨能力強、高精度和盡可能短的檢測時間。介紹了應用霍爾傳感器通過測量磁場強度，來得到穩定的脈沖方波信號，實現機車轉速的測量。
霍爾傳感器是利用霍爾效應實現磁電轉換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩定性高、體積小和耐高溫等特點，在機車控制系統中占有非常重要的地位。對測速裝置的要求是分辨能力強、高精度和盡可能短的檢測時間。發電機轉速的檢測方案可分成兩類：用測速發電機檢測或用脈沖發生器檢測。測速發電機的工作原理是將轉速轉變為電壓信號，它運行可靠，但體積大，精度低，且由于測量值是模擬量，必須經過A/D轉換后讀入計算機。脈沖發生器的工作原理是按發電機轉速高低，每轉發出相應數目的脈沖信號。按要求選擇或設計脈沖發生器，能夠實現高性能檢測。
所設計的基于霍爾元件的脈沖發生器要求成本低，構造簡單，性能好。在機車電氣系統中存在著較為惡劣的電磁環境，因此要求產品本身要具有較強的抗干擾能力。
霍爾傳感器的原理
1.霍爾效應
在一塊半導體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d，當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產生一個大小與控制電流I和磁感應強度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片就是霍爾元件。
2.工作原理
霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。
側量磁場及工作設置
1.測量磁場
使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直子霍爾片表面的磁感應強度敏感，磁力線必須和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。若不垂直，則應求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進行多點檢測，由計算機進行數據處理，可以得到電場的分布狀態，并可對狹縫、小孔中的磁場進行檢測。
2.工作磁體的設置
用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產生工作磁場。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當的間隙相對固定，用一軟磁(例如軟鐵)翼片作為運動工作部件，當冀片進入間隙時，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調節工作磁場。被傳感的運動信息加在冀片上。這種方法的檢測精度很高，在125℃的溫度范圍內，冀片的位置重復精度可達50μm。當兩齒之間的空隙正對霍爾元件時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱;而當某一齒對準霍爾元件時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強。齒輪轉動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個mV級的準方波電壓。此信號還需由電子電路轉換成標準的脈沖電壓，當外加磁場的S極接近霍爾電路外殼上打有標志的一面時，作用到霍爾電路上的磁場方向為正。
也可將工作磁體固定在霍爾器件(外殼上沒打標志的一面)，讓被檢的鐵磁物體(例如鋼齒輪)從它們近旁通過，檢測出物體上的特殊標志(如齒、凸緣、缺口等)，得出物體的運動參數。在圖2的霍爾效應速度傳感器中，當測速的靶轉到霍爾效應傳感器的位置，即霍爾傳感器位于靶及磁鐵之間，霍爾效應傳感器檢測到靶感應的磁通量變化。霍爾效應傳感器感測的是磁通量的大小。
霍爾電路設計
1.工作方法
當該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場中時，其上的兩個霍爾傳感器將產生同樣的輸出信號。無論該磁場的絕對強度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個單元面向磁場集中的輪齒，另一個單元則面向一個齒隙，如果兩個霍爾單元之間存在磁場梯度，那么將產生一個差值信號，并在芯片上放大。實際上，這個差值體現了一個小偏移，它可由相應集成的控制電路來修正。這種動態差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。
2.齒輪、感應距離和角精度
一個齒輪可由其模數來表征：m=d/z。其中d是齒輪直徑，Z是輪齒數量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計算公式為T=πm、當一個霍爾傳感器面對一個輪齒而另一個霍爾傳感器面對一個齒隙時，感應到的差值最大。該器件內兩個霍爾傳感器的間隔為2.5mm，在模數為1，對應的齒距為3.14win的條件下，該器件都可以感應到差值。如果該模數大于3或者齒輪不規則，將可能在一段較長時間內檢測不到足夠的差值，這意味著輸出信號將不確定。傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數、磁體和速度的一個函數，速度可以用每次輪齒/齒隙轉變時在輸出端出現一個脈沖來表征。如果減小距離，將產生較大的有用信號。因此，切換精度可以隨傳感器低/高轉變次數的增加而增加，這種低/高轉變可以代表齒輪的一個旋轉角度。
3.電路圖設計
當霍爾元件輸出高電平時，V2導通，V1截止，信號輸出端輸出方波的低電平;當霍爾元件輸出低電平時，V1導通，V2截止，輸出端為方波的高電平。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉過了一個齒。單位時間內輸出的脈沖數N，因此可求出單位時間內的速度V=NT(T=πm)。
摘自：中國計量測控網
