线性型霍尔元件 - 《厦门大学学报（自然科学版）》

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1、一种基于径向充磁的霍尔式新型角度传感器王新峰许彬彬戴立业张金辉陈文芗*（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005）摘要：利用径向磁铁的磁感应强度沿径向同心圆正弦分布的特点，设计了一款角度传感器。分析了基于线性霍尔元件和径向充磁的角度测量原理，给出了角度计算方法并设计制作了角度传感器。实验表明，该角度传感器结构简单，测量重复性好，绝对误差小于。关键词：角度传感器；霍尔元件；AVR单片机；径向磁铁中图分类号：TH712文献标识码：A目前角度传感器主要有传统的接触式角度传感器、光电式角度传感器和磁电式角度传感器。传统的接触式角度传感器有应用广泛的电位计式

2、角位移传感器，这种传感器结构简单、操作方便、价格低廉、性能稳定，其原理是通过触头改变电阻实现的，但是这种传感器极易磨损，长时间使用后会产生较大误差，因此其测试性能不高，动态响应差，使用寿命短，需要经常检验其性能，更换频繁，给使用方带来极大不便[1]。光电式角度传感器种类繁多，有光栅式角度传感器、激光式角度传感器等各类光电器件结合的光电式角度传感器。其中激光式角度传感器测量精度高、工作可靠、成本较低、实用性较强，但是其结构复杂，体积较大，用到的光学仪器较多，对激光光线要求严格，对检测对象也有特别的要求，因此其应用领域受限[2-3]。其它光电式角度传感器虽然测

3、量比较精确，但大多对环境要求非常苛刻，抗振性差，安装要求高，且价格昂贵，因此也不适合大量的普及使用[4-6]。磁电式角度传感器测量精度高，成本低，安装方便，便于维护和管理，使用寿命长，是当前角度传感器发展的重要方向。磁电式角度传感器有采用集成芯片的角度传感器，但是这种传感器所采用芯片多价格昂贵，且对外围电路要求严格[7]。本文所介绍的基于径向充磁的霍尔式角度传感器利用线性霍尔元件及径向磁铁进行测量，利用AVR单片机进行数据的采集与处理，结构简单，操作方便，价格低廉，克服了接触式角度传感器以及光电式角度传感器的诸多缺点，是一种比较理想的角度传感器。1传感器测

4、量原理沿半径方向充磁的磁铁称径向磁铁，图1是径向圆柱形磁铁立体示意图，图中矢量表示磁场的磁化方向。径向磁铁表面磁感应强度可用等效磁荷法计算得到，具体算法为：如图1建立坐标系，以径向充磁磁铁体积中心点为原点，磁铁轴线为轴，磁化方向为轴，N、S两极半圆分界线为轴建立坐标系，文献[8]给出了空间任意点磁场强度轴分量满足以下关系：(1)[8-9]图1径向磁铁坐标系建立示意图Fig.1Schematicdiagramoftheradialmagnetcoordinatesystemab图2径向磁铁及磁感应线分布Fig.2Theradialmagnetanditsma

5、gneticfluxline图2a、b是径向磁铁的主视图、侧视图及其磁感应线分布[10-12]，沿径向分开的两个半圆分别是N、S磁极。在，且离端面距离的空间部分，可以近似认为磁力线分布是均匀的[7]。考虑在距磁铁径向端面的平面上，点P（,,）以半径的同心圆绕轴旋转，在条件下，可应用公式（1）计算点P的磁感应强度。如果重新建立柱坐标系，P点绕轴运动的同心圆轨迹上两个坐标系关系为：、、、。将、、、带入（1）式，整理后可得到P点磁感应强度为：（2）式中，为磁化强度，是与P点运动半径、磁铁高度、磁铁半径相关的系数。当径向磁铁表面P点以半径绕轴旋转一周时，其磁感应强

6、度以正弦规律变化一个周期。反之，如果P点不动，径向磁铁绕轴旋转一周，其磁感应强度同样变化一个正弦周期。由以上分析，假如在P点放置一个线性霍尔元件，则这个霍尔元件将会输出一个呈正弦周期变化的电压信号，根据此正弦电压信号利用正弦反函数可求得径向磁铁旋转的角度，由此即可实现角度测量了。反正弦函数的值域为，故一个霍尔元件只能求得范围内的角度，无法实现范围内的角度测量，因此为了实现范围的测量，至少需要两个相互垂直的霍尔元件进行测量。为了更精确的进行全范围角度的测量，将4个霍尔元件在磁铁正下方的任一圆周上如图3（a）相隔90°安装，且4个霍尔元件与磁铁端面距离小于0.

7、5mm，因此霍尔元件可感应磁铁均匀的按正弦变化的磁场。搭建实验装置对4个霍尔元件进行测试，发现其输出波形如图3（b)。这里所用霍尔元件选用型号AH49E的线性霍尔元件，这种霍尔元件线性度好，功耗低，灵敏度高，输出电阻小，温度稳定性好，寿命长，且价格低廉，适合测量磁场强度，因此可以满足角度测量。（a）（b）图3相隔90°安装的霍尔器件及其输出电压波形Fig.390°apartinstalledHalldevicesandtheiroutputvoltagewaveform图中U1、U2、U3、U4存在直流分量，那是线性霍尔器件的直流偏置，经过隔直处理，U1、

8、U2、U3、U4表达式如下：（3）令，，有：（4）通过式（4）结合