王 勇， 林金表

(集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院,福建 廈門361021)

新型拐檔差傳感器的設(shè)計與應(yīng)用

王 勇， 林金表

(集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院,福建 廈門361021)

設(shè)計了一種利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)拐檔差測量的新型傳感器，通過有限元分析方法計算了圓柱永磁體周圍磁場的空間分布，研究了兩永磁體同極對稱布置的位置和霍爾元件與永磁體的相對安裝位置對傳感器微位移測量精度的影響，得到了合理的選型方案。實驗研究表明：在0～2 mm測量范圍內(nèi)檢測系統(tǒng)的輸出與位移呈線性關(guān)系，測量精度達到0.001 mm，適于拐檔差微位移的測量。

傳感器； 拐檔差測量； 有限元分析； 磁場分析

0 引 言

曲軸是柴油機中的關(guān)鍵部件，它的功能是把柴油機氣缸的往復(fù)式運動轉(zhuǎn)換為機械式的回轉(zhuǎn)運動，一旦曲軸出現(xiàn)了故障必將給柴油機帶來嚴重的破壞[1],因此，對曲軸臂距差進行定期檢測顯得尤為重要。根據(jù)蘇爾壽公司臂距差的要求，在新建和大修時，正常值不大于0.0001smm,在航行中的正常值不大于0.0002smm，s為活塞行程。因此，一般的大中型柴油機曲軸臂距差大概在0.01～0.06 mm左右[2]，測量的精度要求較高。

目前，國內(nèi)對于柴油機曲軸臂距差的測量主要還是采用傳統(tǒng)的機械式拐檔表來測量[3]。傳統(tǒng)的拐檔表在人工測量時費時費力，不安全，而且在讀數(shù)時還會產(chǎn)生人為測量誤差，使測量結(jié)果與實際情況出現(xiàn)差別。海軍工程大學(xué)的劉伯運、朱寶成等人運用激光和線陣CCD位移測量系統(tǒng)來測量柴油機的曲軸臂距差[4]，但是在實船上還沒有應(yīng)用。國內(nèi)有關(guān)曲軸臂距差測量儀的研究不多，研究成果得到實際應(yīng)用的甚少，而國外的測量儀價格過高，普及不多，因此，為了順應(yīng)國內(nèi)船舶發(fā)展需要，低成本的新型拐檔差測量儀的研制就變成一種趨勢，其關(guān)鍵技術(shù)在于傳感器的結(jié)構(gòu)和精度的控制。

1 傳感器的測量原理

霍爾微位移傳感器通過檢測均勻梯度磁場中不同位置的磁通量來測得電壓的變化，進而檢測出位移量，將兩塊相同的永磁體同極對稱布設(shè)，在中間布置與兩永磁體平行的霍爾元件。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，如果垂直作用于元件平面的感應(yīng)強度為B，通過元件的電流為IH，在沒有負荷時產(chǎn)生的霍爾電壓為UH，則霍爾電壓的變化量則用下式表示[5]

(1)

ΔU=R×Δx.

(2)

由上式知，ΔU與Δx位移呈正比，如果控制IH不變，使其在一個均勻梯度磁場中移動，則霍爾元件輸出的霍爾電壓就能反映出位移，利用這一原理可以對位移進行測量。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的傳感器主要結(jié)構(gòu)有永磁體、霍爾元件、連桿系統(tǒng)、彈簧、調(diào)節(jié)螺桿和蔽磁罩，如圖1所示。其中，永磁體選用的圓柱形NdFeB系永磁材料N35，主要考慮到它有以下顯著特點：溫度系數(shù)小、極好的抗腐蝕性能力、材料的剩余磁通密度較高、磁性均勻切易于控制?；魻栐捎玫氖荢S49E，主要考慮到它在磁場中的靈敏度高，工作電壓范圍較寬，尤其是在測量微小距離時，它所輸出的電壓與位置之間有良好的線性關(guān)系。為了防止外界磁場對裝置內(nèi)磁場的影響，在裝置外部裝有蔽磁罩，有效地避免了外界的磁場干擾。在結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部和外部分別設(shè)有防撞板，是為了避免在測量中異常情況的發(fā)生致儀器的損壞。當霍爾元件在磁場中沿軸線運動時，在不同位置的磁通量不一樣，對采集的數(shù)據(jù)進行特殊算法處理，就可以得到霍爾元件在磁場中的位置，即被測對象的移動距離。該傳感器在進行調(diào)零時，先估計測量間距大小換取相應(yīng)尺寸的螺桿，然后再選用微調(diào)雙向螺母進行微調(diào)，使得殼體外防撞板右側(cè)的刻度線與殼體外側(cè)對齊，則調(diào)零完成，如圖1所示。實驗表明，該結(jié)構(gòu)的傳感器有著結(jié)構(gòu)簡單，抗磁干擾能力良好，而且測量的精度也很高。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig 1 Side view of sensor structure

3 永磁體磁場強度的仿真

ANSYS以Maxwell方程組作為電磁場分析的出發(fā)點[6]。運用該軟件可以對永磁體進行二維和三維的磁場分析與計算，考慮到三維模型對建模的復(fù)雜度和計算的時間都有較高的要求，因此，在滿足精度要求的條件下，盡可能采用二維建模，否則，建模與處理計算的“代價”太高[7]。由于圓柱永磁體的軸對稱性，本文采用二維靜態(tài)磁場分析的矢量位方法對同極對稱分布的永磁體進行建模與仿真分析，根據(jù)FLUXV宏對閉合回路進行磁通的計算，繪制不同位置磁通的分布圖。

本文創(chuàng)建的參數(shù)化模型包括永磁體單元、無限遠單元區(qū)和空氣單元區(qū)。其中永磁體材料為NdFeB系中的N35,其相對磁導(dǎo)率μr1=1.05,矯頑力HC=883 000 A/m，空氣場的相對磁導(dǎo)率μr2=1.0。永磁體的充磁方向為Y軸方向，假設(shè)其充磁飽和并被均勻磁化,這里的永磁體充磁方向有正負之分。磁鐵的尺寸、空氣場和無限遠場的大小可以調(diào)整，然后對模型進行劃分，要考慮計算精度與速度，模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。然后對模型的不同區(qū)域賦予特性，再對模型加邊界條件和載荷，最后計算得出結(jié)果。

圖2 網(wǎng)格劃分后的模型Fig 2 Model after meshing

4 霍爾傳感器精度的分析

4.1 永磁體的間距對霍爾元件的影響

圓柱永磁體之間的距離直接影響空氣場中的磁場的分布。磁場強度太小會使得傳感器的輸出信號的分辨率下降，但是磁場強度太大會導(dǎo)致傳感器輸出飽和。因此，必須在傳感器的設(shè)計中確定最佳的間距δ,由于上下永磁體對稱布置取D=δ/2進行測量。選取的霍爾元件的內(nèi)部核心薄貼片為1.2 m×1.2 mm，主要考慮到一般的霍爾元件有外部的塑料封裝厚度與霍爾元件的靈敏度，具體分析了D=2 mm，D=2.5 mm，D=3 mm，D=3.5 mm的磁場強度，在ANSYS中把薄貼片設(shè)定為1.2 m×1.2 mm的閉合回路，計算出這4種不同D的磁場強度分布如圖3。然后在對D<2 mm的情況進行計算，可以看出在D=2 mm時，霍爾元件的線性度和磁場梯度都是最好的。

圖3 磁場強度在不同距離上的分布Fig 3 Magnetic field intensity distribution at different distances

4.2 霍爾元件在磁場的位置對測量精度的影響

磁場在空氣中的分布是非線性的，在兩個永磁體間磁場的分布和磁體外徑向磁場的分布都是不同的，為了了解永磁體在空氣中磁場分布情況和哪些區(qū)域或者位置會使霍爾元件的測量精度提高，進行了下面的數(shù)據(jù)測量，由于模型軸對稱，霍爾元件初始位置分別放置在模型中間與軸中心線垂直的平面上，沿半徑方向向外移動，然后再沿著軸向方向移動，測得了下面一組數(shù)據(jù)。從圖3上設(shè)初始坐標(x1,x2),單位為mm，則B0(-0.6,0.6)，C0(0.6,1.8)D0(1.8,3.0)，E0(3.0,4.2)，F(xiàn)0(3.2,4.4)，如圖4所示，以便選出最好的配選案。

圖4 磁場強度在不同位置上的分布Fig 4 Magnetic field intensity distribution at different locations

從圖4可知，為了獲得高的均勻梯度磁場位置，還要在C—D之間進行選優(yōu)，從C點到D點處向半徑外方向，以步長為0.2 mm進行移動得到了如下測量數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 磁場強度在C—D間上的分布Fig 5 Magnetic field intensity distribution between C and D

經(jīng)圖4和圖5比較分析可知，在布置霍爾元件時放在圖4中D位置，即在XOY平面內(nèi)，霍爾元件的兩邊長端點落在X軸的3.0 mm和4.2 mm處，移動方向為Y軸方向的磁場梯度和線性度最好。

5 實驗結(jié)果分析

本文將霍爾片的微小位移作為輸入量，當發(fā)生位移時，霍爾片的磁感應(yīng)強度發(fā)生變化，霍爾電壓作為輸出量，通過測量系統(tǒng)處理，然后在LCD上顯示。最后，對200組實驗與仿真的數(shù)據(jù)進行了對比，如圖6所示，實驗研究與理論計算表明:該傳感器在0～2 mm范圍內(nèi)有很好的線性度，分辯率可以達到0.001 mm。

6 結(jié) 論

本文應(yīng)用ANSYS仿真軟件對同極對稱布置的兩個圓柱形永磁體間進行了磁場分析。實驗結(jié)果表明：尺寸為Ф 8 mm×5 mm的圓柱體永磁體N35，磁體間距為4 mm時，傳感器布置在離軸中心線2.4 mm處，用本傳感器測量曲軸臂距差數(shù)據(jù)的精度最高；在此基礎(chǔ)上進一步的改進，可以在測量和工程應(yīng)用上得到拓展。

圖6 實驗/仿真對比Fig 6 Experiment / simulation comparison

[1] Do-Hyun Jung，Hong-Jin Kim，Young-Shik Pyoun，et al.Reliabi-lity prediction of the fatigue life of a crankshaft[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2009,23:1071-1074.

[2] 傅作人.曲軸臂距差的測量與檢測[J].機車車輛工藝，1985(2):13-19.

[3] 鄭和東，林金表，蔡振雄，等.船舶柴油機曲軸臂距差電子測量儀的研制[J].集美大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,15(5):369-371.

[4] 劉伯運，朱寶成，李發(fā)光,等.線陣 CCD 在機械微變距離測量中的應(yīng)用[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2002,14(2):85-92.

[5] 何希才，薛永毅.傳感器及其應(yīng)用實例[M].北京:機械工業(yè)出版，2004.

[6] 胡仁喜,孫明禮.ANSYS 13.0電磁學(xué)有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：12.

[7] 王春蘭，張 鋼，董魯寧，等.電渦流傳感器的有限元仿真分析與研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(2):41-46.

Design and application of new type crank deflection sensor

WANG Yong, LIN Jin-biao

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Design a new type sensor using Hall effect to measure crank deflection,through finite element analysis method to calculate magnetic field distribution of space around cylindrical permanent magnet,study on influence of the two permanent magnets with location of symmetrical arrangement and relative position of Hall element and permanent magnet on micro displacement measurement precision of sensor,the optimal selection scheme are obtained.Experiment shows relationship between output and displacement is linear in the range of 0～2 mm,measurement precision of the system can achieve 0.001 mm,which is suitable for measurement of micro-displacement of crank deflection measurement.

sensor; crank deflection measurement; finite element analysis; magnetic field analysis

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0079—03

2014—04—14

U 664.21

A

1000—9787(2014)12—0079—03

王 勇(1989-)，男，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代輪機管理工程研究。