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　　摘要：介紹了一種利用霉?fàn)栃?yīng)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的新型傳感器，實(shí)驗(yàn)研究表明:在3mm的量程范圍內(nèi)精度可以達(dá)到0.01 mm.應(yīng)用這種傳感器,可以實(shí)現(xiàn)鋼管、鋼棒、鋼絲繩等細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的直徑動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞：傳感器；霍爾效應(yīng)；位移測(cè)量

　　目前，測(cè)量位移的傳感器很多，有電渦流式、電容式；電容式與渦流式傳感器的特點(diǎn)是電路 處理比較復(fù)雜，并且操作比較麻煩，隨著測(cè)量量程 的增加，傳感器的體積相應(yīng)增大，如果被測(cè)物體表 面不均勻，上述兩種傳感器的靈敏度會(huì)下降很多. 為此，本文提出了基于霍爾效應(yīng)的位移傳感器.

　　1　基本原理

　　霍爾元件是指利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓的元件.根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，如果垂直作用于元件平 面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為￡，通過(guò)元件的電流為/,無(wú)負(fù) 荷時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓用下式表示

式中，為通過(guò)元件電流元件的靈敏度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;為形狀系數(shù)，由元件的形狀和霍爾角所決定，一般小于1。

　　由上式看出，霍爾電壓的大小正比于電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度5的乘積，并與元件靈敏度有 關(guān).若使控制電流/固定，則與S成比例變 化.當(dāng)霍爾元件在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，元 件輸出的電壓變化就能反映出位移情況，利用這一原理可對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量.

　　2　傳感器設(shè)計(jì)

　　在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)1可以采用如圖1所示的方式，此時(shí)，霍爾元件與永久磁鐵作成一體，當(dāng)傳感器與被測(cè)物體間的距離l發(fā)生變化時(shí)，傳感器與 被測(cè)物體間的磁阻發(fā)生變化.引起永久磁鐵與被 測(cè)物體間的磁場(chǎng)分布也隨之發(fā)生變化.此時(shí)，霍爾元件處的磁場(chǎng)也必然發(fā)生變化，霍爾元件即有電壓信號(hào)輸出。

　　霍爾元件采用UGN3501T集成霍爾元件， 主要考慮到如下因素.a.可以保證很高的空間分 辨率.其敏感面積為0.1 mmXO.1 mm.相當(dāng)于檢測(cè)磁場(chǎng)中的一個(gè)點(diǎn)，對(duì)提高檢測(cè)位移的精度十分 有利.b.靈敏度可達(dá)7V/T;而單片霍爾元件中 靈敏度較好的HZ-1僅有240mV/T (對(duì)應(yīng)于20mA控制電流），從而可以減少為放大信號(hào)所 設(shè)計(jì)的電路的漂移和嗓聲的影晌.c.其外型尺寸 為 4. 44 mm X 4. 52 mm X 2.0mm采用塑膠封裝，且體積較小,便于在傳感器中安裝，可以把傳感器的體積做得很小.d.屬于三端子器件，引線合理便于焊接。

　　實(shí)驗(yàn)表明:霍爾元件與永久磁鐵間的距離對(duì) 該傳感器的靈敏度、線性度與量程都有很大影響， 若霍爾元件與磁鐵距離很近，則該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度 很大，霍爾元件很容易飽和，傳感器的線性度差t 量程小《若霍爾元件與永久磁鐵距離太遠(yuǎn)，則磁場(chǎng)很弱，霍爾元件感應(yīng)不到磁場(chǎng)，靈敏度降低.因此 必須在傳感器設(shè)計(jì)中要確定最佳的數(shù)值值。

　　　3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　由上述分析可知，該傳感器適用于被測(cè)物體 是鐵磁構(gòu)件（即能夠改變磁力線分布的物體）間 、的位移的測(cè)量.圖2給出了當(dāng)材料磁化到飽和與圖2材料的礅化程度對(duì)測(cè)量的影響 非飽和狀態(tài)的測(cè)量曲線，由于磁場(chǎng)分布受材料特 性影響很大，當(dāng)材料磁化到飽和狀態(tài)時(shí)，測(cè)量曲線 較為平直；當(dāng)材料未磁化到飽和狀態(tài)時(shí)，測(cè)量曲線 波動(dòng)較大;在飽和磁化區(qū)與未飽和磁化區(qū)之間，測(cè)量曲線呈上升趨勢(shì)，所以為保證測(cè)量梢度，被測(cè)物體局部應(yīng)該磁化到飽和狀態(tài)。

　　圖3給出了傳感器輸出曲線，實(shí)驗(yàn)研究與理論計(jì)算表明，該傳感器在0~3mm范圍內(nèi)有較好的線性度，靈敏度可以達(dá)到0.01mm。采用上述設(shè)計(jì)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸的位移測(cè)量，若成對(duì)布置傳感器，如圖4所示，可實(shí)現(xiàn) 銦管、鋼棒、鋼絲繩等細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)磁構(gòu)件直徑的非接觸的動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量，由圖4可知，被測(cè)物體的直徑 ^與其他方法相比，采用該方法測(cè)量 的顯著優(yōu)點(diǎn)是不受被測(cè)構(gòu)件表面油泥等非導(dǎo)磁污 物的影響，傳感器的抗干擾性能好與抗沖擊能 力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.結(jié)果表明：考慮到偏心等其他干 擾因素的彩響，采用傳感器設(shè)計(jì)的鋼絲繩直徑檢 測(cè)儀對(duì)銀絲繩的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度可以達(dá)到0.3mm.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（作者：武新軍,康宜華，盧文祥，楊叔子）