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霍尔测速

霍尔测速

测£速装置在机车控制系统中占‰有非常重要的??地位,对侧速装置的要求是?分辨≠能力强、高精度和尽可能短的检测?时间。介绍了应用霍尔·传感器通?过测量磁场强度,来得<到稳定的脉冲方波信号,实×现机车转速的测量。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转?换的一种传感器,它具有灵敏度高,线性度好,霍尔测速稳定性高、体积?小和耐高温等特点,在机车控制系统中占∩有非常重要的地位。对测速?装置的要??求是分辨能力强、高精度?和尽可能短的检测时间。发电机转速的检测方案?可分成两类:用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。∷?测速发电机的工作原理是将转速㎜转变为电压信号,它运?行可靠,但体积大,精度低,且由于测量值是模拟量,必须经﹢过A/D转换后读∽入计算机。脉冲发生器的?工作原理是按发电机转速高低,每转发出相应数?目的脉冲信号。按要求选择?或设计脉冲发生器,m能?够实?∷现高性能检测。

所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本∥低,构∨造简单≦,性能好。在机车电气系统中存∣在着较为恶劣的?电磁㈱环境,因此要求产品本身㎝要具有较强的抗干扰能力。

霍尔?传感器的原理

£1.霍尔效应

?在3一块?半导体薄片上?,其长度为l,宽度3为b,厚度为d,当它被置于磁2感′应?强度为B的磁场中,如果在它相对的两边通以控制电?流I,且磁场方向与%电流方向正交,则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度$B乘积成正比的电势UH,即U㏑H?=KHIB,其中k≯H为?霍尔元件的灵敏度>。该电势称为?霍尔电势,半导体薄℃片就是霍尔元件。

2.工作原理
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霍?尔开关集??成电路中?的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场÷强度变%化的霍尔电压UH放″大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值∴相等、频率变化的∧方波信号。

侧量磁㎏场及工作设置

1.测量磁场

使?用霍尔器件检测?磁?场的方法极为简单,将霍尔器件作成各种形式的探头,放在被测磁场中,因?霍?尔器件只对垂直子霍尔片表面的磁感应强度?敏感,磁力线必须和器件表面垂直,通电后即可由输⊕出电压得到被测磁场的磁感应强度¬。℅若不垂直,则应求出其?垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由计算?机进行数据处理,可以得到?电场的分布m状态,并?可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。

﹥2.?工作磁体的设置

用磁场作为被传感物体?的运动和位置信息载?体时,一般采用永久磁钢来产生工作磁场。在遮断方式中,工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定,用一软磁(例如﹢软铁)翼片作为运动工作部件,当冀片进入间隙时,作用到霍尔器¢件上∈的磁力线被部?分或全部遮断,㎎以?此来调节工作磁?场。被传感的运动信息加在?冀片上。这?种方法的检?测精度很高,在≡125=℃的温度范围内,冀片的位置?重+复精度可达50μm。当㎡两齿之间的√空隙正对霍尔元件时,穿过霍尔元件的磁力线分?散,磁场相对﹣较弱;而当某一齿对准?霍尔元件时,穿过霍尔∞元件的磁mol力线集≤中,磁场相对较强。齿轮转动时,使得穿过霍尔元件℉的磁力线密度发生??变化,因而引起霍尔?电压的变化,霍尔元件将输出?一个mV级?的准方波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压,‖¤当o外加磁场的S极接∶近霍尔电路外壳上打有标志的一面时?,作用到霍尔电路上的磁♂场方向为正。

也可将工作磁体固定在霍尔器件(外壳上没打标?志的一面),让被检?的铁磁物体(例如钢齿轮﹤)从它们近旁通过,检测?出物体上的¥特?殊标?志(如齿、凸缘、缺口等),得出物体的运动参数。?在图2的霍尔?效应速度传感器中,?当测速的靶㏒转到霍尔效应传感器的位置,即霍尔传感器位于靶及磁铁之间,∑霍尔?效应传感器检测到靶感应的磁通㏕量变化。霍尔效应?传感器?感测的是磁通量的大小。±

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≌霍尔电路设计

1.工作方法

当该霍尔器件处≮在?任何?极性的恒定磁场中时,其上的两个霍尔传?感器?将产生同样的输出信号。无论该磁场的绝对?强@度有多?大,它们之间的差值总为零。然而,由于一个单元面向磁1场集中的轮齿,另一个单﹣元则面向一≈个齿隙,如果两?个霍尔单元之间存?在磁场梯度,那么将⊙◎产生一个差值信号∫,并在芯片上放*大。实际上,这个=差值体现㎞了一个小偏移,它可由?相应集成的控制电路来修正。这种动态差?分原理使传感器表面与齿轮之间存在?较大气隙的条件下?能保持高灵敏度。
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2?.齿轮、感应距离和角?精度

一个齿轮可由*其模数来表征:m=d/z〒。其中d是齿轮直径,Z是轮齿数量。轮齿到轮齿的距离为T,齿距的计⊿算公式为°T=πm、当一个霍尔传感器面?对一个轮∮齿而另一个霍尔?传感器面对一个齿隙时,感应到的差值最大。该器件?内㏄两个≒霍尔传感器的间隔为2.?5∝⌒mm,在?模数为1?,对应的齿距为¥ml3.1※4win的条件下,该器件都可以感应到差值。如果该模数大于3或者齿轮不/规则,将可能?在一段较长时间内检测不到?足够的差值,这意味着输出信号将不确定。传感器和№齿轮之间≥∠允许的最大距离是温度、模数、磁体和速?度的一个函数,速度可以用每次轮齿≧/?齿隙转变时在输出端出现一个脉冲来表征。℡如果减小距离,将产生较大的有用信号。因此,切换精度可以随传感?器低/?高转变次数的增加而增加,这种低/高转变可以代表齿轮的?一个旋转角度。

3.电路图设计

当霍尔元件输出高电平时,V2导通,V1截止,信号输∟出端输出方波的低?电平;当霍尔元件输出⊥低电平时,V1导?通?,V2截止,输?出端为方波×的♀高电-平。信号输出端每输出一个?周期的方波,代表转过了一个齿。单位?时间内输出的脉冲数N ?,μ因此∵可求出单位时间内的速度V=N∏T(T=π∪m)。


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