霍尔式力传感器的研制

第44卷　第1期　2005年1月

厦门大学学报(自然科学版)

JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)

Vol.44　No.1Jan.2005　

霍尔式力传感器的研制

陈　宁,宋传明,陈文芗

(厦门大学机电工程系,福建厦门361005)

摘要:为了克服传统应变片式力传感器结构复杂、应变片之间平衡困难等缺点,将霍尔元件与弹性元件组合使用.利用霍

尔元件能进行微小位移测量的优点,用霍尔元件代替应变片测量力传感器弹性体的形变,从而测量出力的大小.这种霍尔力传感器具有结构简单、精度高、线性好的优点,可作为便携式测量仪器的传感器使用.

关键词:霍尔元件;位移;力传感器;传感器中图分类号:TP212　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:043820479(2005)　　传统的应变片式力传感器是利用四片应变片安装在弹性体相应的位置,构成一个平衡式电桥,该电桥测量弹性体在力的作用下产生的形变,性体形变的力.方便,.,用霍力的测量.这种霍尔力传感器具有结构简单、精度高、线性好的优点,十分适合作为便携式测量仪器的传感器使用.

.如图所示,当外,弹性体的形变带动霍尔元件,.霍尔元件输出的霍尔电势UH与激励电流I、磁场强度B之间满足以下关系:

UH=KHIB

其中KH为霍尔器件的乘积灵敏度.显然,只要能够保证霍尔元件的驱动电流I恒定,同时处于均匀梯度的磁场中,霍尔元件输出的电动势UH就决定于霍尔元件与永久磁钢之间的相对位移.

1　测量原理

霍尔式力传感器的基本原理图如图1所示

1.1　位移量与输出电压的关系

用恒流源给霍尔元件提供激励电流,可保证驱动

电流恒定.而对于圆柱形永磁体而言,在微小范围内其磁场B可通过下面过程得到:建立如图2坐标系,圆柱型磁铁R的几何中心点处于坐标原点,求位于对称轴上的P点产生的磁场强度.根据安培分子电流学说[1],永久磁铁可等效为空心螺线管.根据毕奥2萨伐尔定律(如图2).

螺线管上长度为dl的微元(圆线圈)在P(x,0)点产生的磁场,方向沿轴线,磁感应强度为:

22

μμdB==,222222

()()2R+r02[R+x-l]式中R:圆线圈半径,单位为m;

r0:轴线上一点到圆线圈距离,单位为m;I:流过圆线圈的电流,单位为A;μ0:真空中磁导率.

可以得出P产生的总磁场B为:　B=

μ2

x+

2

　图1　霍尔式力传感器结构图

　Fig.1　ThestructureoftheHall’sforcesensor

　　传感器由弹性体、霍尔元件、永久磁钢、支架构成.弹性体的一端固定在支架上,霍尔元件安装在弹性体

2

x--2

2

收稿日期:2003212229

作者简介:陈宁(1980-),女,硕士研究生.

2

+(x+))2

+(x-

.

　　由于霍尔元件位于磁钢之外,作出图形[2](见图

・48・厦门大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005年

　图3　磁感应强度B与垂直偏移量X关系图　Fig.3　Thefigureofthebetweenthe

　图2　磁感应强度B的计算图

　Fig.2　Thearithmeticfigureoftheintensity

of

magneticinduction

intensityofBandthe3).由图可知,在x=2L之间线性度最好,统工作原理的必要条件.在x2.

B=K0+

2

2

=-νK1.3-3

4R4R3

∴K2可以略去.

同理,则可以略去X其余高次项,整理后得

B=K0+K1X.

μ2

2

2

R+L2)

4(x-2L)+

-

　(

R+

2

2)L4

将上式代入UH=KHIB,当I为恒值时,霍尔元件的霍尔输出UH与垂直偏移X之间就会存在下面的关系

UH=KHK0I+KHK1IX,

22

RLRL-222

(R+L)(R2+L2)

44

　(x-2L)2+.

其中KH为霍尔器件的乘积灵敏度.

2

×

根据虎克定律,对于这个弹性体我们有F=kx=k(X+2L)(其中k为该弹性体的虎克系数).于是可以得出

UH=(KHK0I-2KHK1IL)+

,k

式中K为展开后的常数项.

适当选择磁钢的几何尺寸,保证

Rµx+

ΔUH=.

k

2

2

令X=x-2L,则X的一次项系数μ22

2(R+L)

4

二次项系数

K1=K2=

2

-

2

2

2

即输出电压差与加载在弹性体上的拉力差的大小成正比,因此可以通过测得的输出电压差分析出弹性体上所加力的大小[6].

(R+L2)4

2　测量数据分析

如图4装置,将霍尔元件置于磁钢产生的线性梯度变化磁场之内,磁钢与霍尔元件的距离保持在3mm以内.对固件施加力,从而产生一定的位移,然后

表1　测得数据

2

RL

μ　

2(R2+L2)

4

2

2

RL-(R2+L2)

4

2

≈

Tab.1　Themetricaldata

F/kgU/V

00

1230.6

40.89

51.17

61.44

71.68

81.94

92.22

102.5

112.75

123.01

133.28

143.54

153.81

164.05

0.0350.32

第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　陈　宁等:霍尔式力传感器的研制・49・

在坐标中描出测得的数据点(见图5),并作出拟

合直线(其中横坐标为所加力的千克数,纵坐标为电路后输出的电压值,单位为V).

另外,我们可以计算出测得的数值对该拟合曲线的误差,利用均方误差公式可得

ε=

(yi-y)2

17

=0.0452.

由于均方误差很小,系统表现出良好的线性度.之所以出现误差,是由于系统仍存在不稳定因素,如温度补偿等问题.这些问题的处理及探讨仍在进一步进行中.

　图4　测量电路总图

　Fig.4　Thegeneralcircuitdiagram

3　结　,、属于性能较为良好的测试系统.

参考文献:

[1]　赵凯华,编著.电磁学[M].北京:高等教育出版社,1985.[2]　刘卫国,主编.科学计算与MATLAB语言[M].北京:中

国铁道出版社,2000.

[3]　李秀芳,刘力真.一种具有均匀梯度磁场源的研究[J].西

北建筑工程学院学报,1995,(4):50-54.

[4]　丁镇生,编著.传感器及传感器技术应用[M].北京:电子

　　

　图5　测得数据的拟合曲线

　Fig.5　Thecurveofthemeasureddata

工业出版社,1994.

[5]　杨万利,主编.数值分析教程[M].北京:国防工业出版

社,2002.

[6]　张劲松,冯国华,方军庆.霍尔式位移传感器的研究[J].

再由放大电路输出电压,得出电压和力大小的线性关

系.经测量可以得出如下的数据(见表1).利用最小二乘法可求出所测得数据的拟合直线多项式[5]为:

y=0.2633x-0.1514

仪表技术与传感器,1997,(3):11-13.

[7]　王绍纯,主编.自动检测技术[M].北京:冶金工业出版

社,1985.

DesignoftheHall’sForceSensor

CHENNing,SONGChuan2ming,CHENWen2xiang

(Dept.ofMechanicalandElectronicEngineering,XiamenUniv.,Xiamen361005,China)

Abstract:

Inordertoovercomethedefects,suchasthecomplexityoftraditionalstraintransducers’configurationandthedifficul2

tyofholdingstrainfoil’sbalance,etc,theHall’scomponentandtheelastomerareputtogethertoformtheHall’sforcesensor.SomeadvantagesoftheHall’scomponentareusedinit,suchasthemeterageofmicrodisplacement.ThestrainfoilisreplacedbytheHall’scomponent,tomeasurethetransmutationoftheelastomer,andthentheformceputonitcanbemeasured.ThiskindoftheHall’sforcesensorhasmanyadvantages,suchasthesimpleconfiguration,thehighprecisionandthegoodlinearity.Soitisquitesuitabletouseasaportablemeasuringappliance.

Keywords:

Hall’scomponent;sensor;displacement;measurementofforce

第44卷　第1期　2005年1月

厦门大学学报(自然科学版)

JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)

Vol.44　No.1Jan.2005　

霍尔式力传感器的研制

陈　宁,宋传明,陈文芗

(厦门大学机电工程系,福建厦门361005)

摘要:为了克服传统应变片式力传感器结构复杂、应变片之间平衡困难等缺点,将霍尔元件与弹性元件组合使用.利用霍

尔元件能进行微小位移测量的优点,用霍尔元件代替应变片测量力传感器弹性体的形变,从而测量出力的大小.这种霍尔力传感器具有结构简单、精度高、线性好的优点,可作为便携式测量仪器的传感器使用.

关键词:霍尔元件;位移;力传感器;传感器中图分类号:TP212　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:043820479(2005)　　传统的应变片式力传感器是利用四片应变片安装在弹性体相应的位置,构成一个平衡式电桥,该电桥测量弹性体在力的作用下产生的形变,性体形变的力.方便,.,用霍力的测量.这种霍尔力传感器具有结构简单、精度高、线性好的优点,十分适合作为便携式测量仪器的传感器使用.

.如图所示,当外,弹性体的形变带动霍尔元件,.霍尔元件输出的霍尔电势UH与激励电流I、磁场强度B之间满足以下关系:

UH=KHIB

其中KH为霍尔器件的乘积灵敏度.显然,只要能够保证霍尔元件的驱动电流I恒定,同时处于均匀梯度的磁场中,霍尔元件输出的电动势UH就决定于霍尔元件与永久磁钢之间的相对位移.

1　测量原理

霍尔式力传感器的基本原理图如图1所示

1.1　位移量与输出电压的关系

用恒流源给霍尔元件提供激励电流,可保证驱动

电流恒定.而对于圆柱形永磁体而言,在微小范围内其磁场B可通过下面过程得到:建立如图2坐标系,圆柱型磁铁R的几何中心点处于坐标原点,求位于对称轴上的P点产生的磁场强度.根据安培分子电流学说[1],永久磁铁可等效为空心螺线管.根据毕奥2萨伐尔定律(如图2).

螺线管上长度为dl的微元(圆线圈)在P(x,0)点产生的磁场,方向沿轴线,磁感应强度为:

22

μμdB==,222222

()()2R+r02[R+x-l]式中R:圆线圈半径,单位为m;

r0:轴线上一点到圆线圈距离,单位为m;I:流过圆线圈的电流,单位为A;μ0:真空中磁导率.

可以得出P产生的总磁场B为:　B=

μ2

x+

2

　图1　霍尔式力传感器结构图

　Fig.1　ThestructureoftheHall’sforcesensor

　　传感器由弹性体、霍尔元件、永久磁钢、支架构成.弹性体的一端固定在支架上,霍尔元件安装在弹性体

2

x--2

2

收稿日期:2003212229

作者简介:陈宁(1980-),女,硕士研究生.

2

+(x+))2

+(x-

.

　　由于霍尔元件位于磁钢之外,作出图形[2](见图

・48・厦门大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005年

　图3　磁感应强度B与垂直偏移量X关系图　Fig.3　Thefigureofthebetweenthe

　图2　磁感应强度B的计算图

　Fig.2　Thearithmeticfigureoftheintensity

of

magneticinduction

intensityofBandthe3).由图可知,在x=2L之间线性度最好,统工作原理的必要条件.在x2.

B=K0+

2

2

=-νK1.3-3

4R4R3

∴K2可以略去.

同理,则可以略去X其余高次项,整理后得

B=K0+K1X.

μ2

2

2

R+L2)

4(x-2L)+

-

　(

R+

2

2)L4

将上式代入UH=KHIB,当I为恒值时,霍尔元件的霍尔输出UH与垂直偏移X之间就会存在下面的关系

UH=KHK0I+KHK1IX,

22

RLRL-222

(R+L)(R2+L2)

44

　(x-2L)2+.

其中KH为霍尔器件的乘积灵敏度.

2

×

根据虎克定律,对于这个弹性体我们有F=kx=k(X+2L)(其中k为该弹性体的虎克系数).于是可以得出

UH=(KHK0I-2KHK1IL)+

,k

式中K为展开后的常数项.

适当选择磁钢的几何尺寸,保证

Rµx+

ΔUH=.

k

2

2

令X=x-2L,则X的一次项系数μ22

2(R+L)

4

二次项系数

K1=K2=

2

-

2

2

2

即输出电压差与加载在弹性体上的拉力差的大小成正比,因此可以通过测得的输出电压差分析出弹性体上所加力的大小[6].

(R+L2)4

2　测量数据分析

如图4装置,将霍尔元件置于磁钢产生的线性梯度变化磁场之内,磁钢与霍尔元件的距离保持在3mm以内.对固件施加力,从而产生一定的位移,然后

表1　测得数据

2

RL

μ　

2(R2+L2)

4

2

2

RL-(R2+L2)

4

2

≈

Tab.1　Themetricaldata

F/kgU/V

00

1230.6

40.89

51.17

61.44

71.68

81.94

92.22

102.5

112.75

123.01

133.28

143.54

153.81

164.05

0.0350.32

第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　陈　宁等:霍尔式力传感器的研制・49・

在坐标中描出测得的数据点(见图5),并作出拟

合直线(其中横坐标为所加力的千克数,纵坐标为电路后输出的电压值,单位为V).

另外,我们可以计算出测得的数值对该拟合曲线的误差,利用均方误差公式可得

ε=

(yi-y)2

17

=0.0452.

由于均方误差很小,系统表现出良好的线性度.之所以出现误差,是由于系统仍存在不稳定因素,如温度补偿等问题.这些问题的处理及探讨仍在进一步进行中.

　图4　测量电路总图

　Fig.4　Thegeneralcircuitdiagram

3　结　,、属于性能较为良好的测试系统.

参考文献:

[1]　赵凯华,编著.电磁学[M].北京:高等教育出版社,1985.[2]　刘卫国,主编.科学计算与MATLAB语言[M].北京:中

国铁道出版社,2000.

[3]　李秀芳,刘力真.一种具有均匀梯度磁场源的研究[J].西

北建筑工程学院学报,1995,(4):50-54.

[4]　丁镇生,编著.传感器及传感器技术应用[M].北京:电子

　　

　图5　测得数据的拟合曲线

　Fig.5　Thecurveofthemeasureddata

工业出版社,1994.

[5]　杨万利,主编.数值分析教程[M].北京:国防工业出版

社,2002.

[6]　张劲松,冯国华,方军庆.霍尔式位移传感器的研究[J].

再由放大电路输出电压,得出电压和力大小的线性关

系.经测量可以得出如下的数据(见表1).利用最小二乘法可求出所测得数据的拟合直线多项式[5]为:

y=0.2633x-0.1514

仪表技术与传感器,1997,(3):11-13.

[7]　王绍纯,主编.自动检测技术[M].北京:冶金工业出版

社,1985.

DesignoftheHall’sForceSensor

CHENNing,SONGChuan2ming,CHENWen2xiang

(Dept.ofMechanicalandElectronicEngineering,XiamenUniv.,Xiamen361005,China)

Abstract:

Inordertoovercomethedefects,suchasthecomplexityoftraditionalstraintransducers’configurationandthedifficul2

tyofholdingstrainfoil’sbalance,etc,theHall’scomponentandtheelastomerareputtogethertoformtheHall’sforcesensor.SomeadvantagesoftheHall’scomponentareusedinit,suchasthemeterageofmicrodisplacement.ThestrainfoilisreplacedbytheHall’scomponent,tomeasurethetransmutationoftheelastomer,andthentheformceputonitcanbemeasured.ThiskindoftheHall’sforcesensorhasmanyadvantages,suchasthesimpleconfiguration,thehighprecisionandthegoodlinearity.Soitisquitesuitabletouseasaportablemeasuringappliance.

Keywords:

Hall’scomponent;sensor;displacement;measurementofforce