寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司 楊 敏 陳竹健 陳增賢

具有自檢功能的霍爾式速度傳感器設(shè)計

寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司 楊 敏 陳竹健 陳增賢

本文介紹了一種具有自檢功能的霍爾式速度傳感器，此速度傳感器采用開關(guān)型霍爾元件實現(xiàn)測速功能，基于電流的磁效應(yīng)實現(xiàn)自檢功能。文中論述了此速度傳感器的工作原理、磁路及電路設(shè)計方案，其磁路結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。并通過工程實例驗證了其性能及自檢功能。此速度傳感器可以實現(xiàn)停車自檢功能，有助于機車運行前發(fā)現(xiàn)故障，降低了機車運行故障率。

速度傳感器；霍爾；自檢

1 引言

霍爾式速度傳感器靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠，在機車測速領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有霍爾式速度傳感器一般只具備測速功能，沒有自檢功能。機車在運行前，無法檢測速度傳感器測速功能及機車速度檢測信號鏈是否正常，如果裝配或性能有問題，機車運行前也無法發(fā)現(xiàn)。這不利于預(yù)防故障的發(fā)生，也間接增大了機車運行故障率。并且速度傳感器在使用一段時間后，如果要檢測測速功能是否正常，需要將速度傳感器送回原廠或計量檢測中心，安裝在專業(yè)的測試臺上進行功能測試，這給用戶的使用、檢測造成很大的不便。帶自檢功能的霍爾式速度傳感器實現(xiàn)了停車自檢功能，通過機車的自身系統(tǒng)即可實現(xiàn)傳感器性能檢測，不需要額外的專業(yè)測試設(shè)備，不但可以檢測速度傳感器測速功能及機車速度檢測信號鏈是否正常，有助于預(yù)防故障的發(fā)生，降低機車運行故障率；而且便于速度傳感器階段性檢測，大大降低了檢測成本。

2 基本工作原理

2.1 理論依據(jù)

2．1．1 霍爾效應(yīng)

金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流與磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)1]?；魻栃?yīng)原理如圖1所示，霍爾電動勢可以表示為式1。

圖1 霍爾效應(yīng)原理圖

式中：U—霍爾感應(yīng)電動勢；kH—靈敏度系數(shù)；I—流過金屬或半導體的電流；B—磁感應(yīng)強度。

2．1．2 電流的磁效應(yīng)

任何通有電流的導線，都可以在其周圍產(chǎn)生磁場，其中恒定的電流產(chǎn)生恒定的磁場，交變的電流產(chǎn)生交變的磁場，并且交變電流的頻率與交變磁場的頻率一致，這種物理現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng)。本設(shè)計主要應(yīng)用了帶磁性物質(zhì)的多層柱狀線圈通電后產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象，其磁場理論計算近似為通電螺線管產(chǎn)生的磁場的計算。帶磁性物質(zhì)的多層通電螺線管磁場計算比較復雜，在此不做展開討論，但其磁感應(yīng)強度與激勵電流之間的相關(guān)關(guān)系可參考多層空心螺線管軸線上磁感應(yīng)強度B與激勵電流I之間的關(guān)系，見式2[1]，多層空心螺線管模型如圖2所示。

式中：BZ0—螺線管軸線上距離中心Z處的磁感應(yīng)強度；μ0—磁導率； n1—螺線管每層單位長度上的匝數(shù)；n2—螺線管單位厚度上的匝數(shù)；l—線圈長度；I—激勵電流；r0—螺線管外徑；ri—螺線管每層到中心軸線的距離。

圖2 多層空心螺線管模型

2.2 霍爾測速原理

霍爾速度傳感器的測速功能主要由開關(guān)型霍爾元件實現(xiàn)，其測速原理如圖3所示?；魻栐糜诖配撆c測速齒輪之間，磁鋼提供恒定的磁場，隨著測速齒輪轉(zhuǎn)動，齒頂與齒底交替接近磁鋼，改變了霍爾元件周圍的磁場，霍爾元件感應(yīng)變化的磁場，輸出不同的感應(yīng)電動勢。當測速齒輪以一定的轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件便產(chǎn)生頻率f與測速齒輪轉(zhuǎn)速ω成一定比例的脈沖信號。測速齒輪旋轉(zhuǎn)一周，開關(guān)型霍爾元件輸出脈沖數(shù)等于測速齒輪的齒數(shù)N。輸出脈沖信號的頻率與測速齒輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系見式3。

式中：f—輸出信號的頻率，Hz；ω—齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；N—齒輪齒數(shù)。

圖3 霍爾元件測速示意圖

2.3 自檢功能原理

霍爾速度傳感器的自檢功能基于電流的磁效應(yīng)，當用交變電流激勵帶磁性物質(zhì)的多層柱狀線圈時，線圈兩端產(chǎn)生交變磁場，該磁場模擬了齒輪轉(zhuǎn)動引起的磁場變化，可以實現(xiàn)停車自檢功能。

圖4 自檢功能原理示意圖

當傳感器正常工作時，線圈中沒有交流電流通過，霍爾元件感應(yīng)由齒輪轉(zhuǎn)動引起的交變磁場，輸出的脈沖信號的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速成一定比例。當需要自檢時，齒輪不轉(zhuǎn)動，給線圈中輸入交變電流信號，使線圈產(chǎn)生交變磁場，霍爾元件感應(yīng)后輸出與交變電流信號頻率一致的脈沖信號，再經(jīng)信號處理電路輸出方波信號，當輸出方波信號的頻率與輸入線圈的交變電流信號頻率一致時，則可確定傳感器功能正常，否則傳感器功能異常。

3 產(chǎn)品設(shè)計

3.1 總體方案

本設(shè)計的速度傳感器主要由磁感應(yīng)電路、自檢功能模塊、線路板、外殼組成。磁感應(yīng)電路核心器件是開關(guān)型霍爾元件，線路板主要用于信號處理及電源防護，外殼主要用于放置以上功能模塊，并方便安裝。傳感器功能框圖如圖5所示。

測速齒輪轉(zhuǎn)動改變了霍爾元件周圍的磁場，霍爾元件感應(yīng)變化的磁場，輸出不同的感應(yīng)電動勢，再經(jīng)過信號處理電路，輸出方波信號。由方波信號的頻率和測速齒輪齒數(shù)即可以換算出轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)測速功能。激勵信號是交變的電流信號，由其激勵自檢功能模塊即可產(chǎn)生交變磁場，模擬齒輪轉(zhuǎn)動引起的磁場變化，同樣的經(jīng)霍爾元件感應(yīng)、信號處理，輸出頻率與交變電流信號頻率一致的方波信號，實現(xiàn)自檢功能。

圖5 總體方案功能框圖

圖6 磁路設(shè)計的機-電模型

3.2 磁路設(shè)計

傳感器自檢磁路及測速磁路采用一體化設(shè)計，磁路設(shè)計的機-電模型如圖6所示。霍爾元件一側(cè)是測速齒輪，另一側(cè)裝有磁鋼，磁鋼后有鐵心，磁鋼及鐵心外側(cè)繞有線圈，通過線圈的兩根引線給其提供交變電流信號i，該通路有開關(guān)S。磁鋼給霍爾元件提供恒定的磁場，通過外加直流電源E給霍爾元件提供一定的工作電流，霍爾元件內(nèi)部集成了霍爾半導體、小信號放大電路、電壓比較電路，可直接輸出脈沖信號。測速齒輪一般為標準漸開線齒輪，材料為低碳導磁鋼。

當測速系統(tǒng)工作時，線圈回路開關(guān)S需斷開，隨著測速齒輪轉(zhuǎn)動，齒頂與齒底交替接近磁鋼，當齒頂接近磁鋼時，起到磁力線聚攏作用，穿過霍爾元件的磁通增大，霍爾元件中霍爾半導體的感應(yīng)電動勢相應(yīng)增大；當齒底接近磁鋼時，相對齒頂接近磁鋼時磁力線比較分散，穿過霍爾元件的磁通減小，此時霍爾元件中霍爾半導體的感應(yīng)電動勢相應(yīng)減小。經(jīng)過霍爾半導體內(nèi)部集成電路處理后輸出脈沖信號。

當自檢系統(tǒng)工作時，測速齒輪靜止不動，將線圈回路開關(guān)S閉合，用交變電流信號i激勵線圈，由于交變電流有正有負，根據(jù)安培右手定則，可以判斷線圈兩端會產(chǎn)生交變的磁場，該磁場與磁鋼產(chǎn)生的恒定磁場疊加，霍爾元件處于交變的磁場中，霍爾半導體的感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化，經(jīng)過霍爾元件內(nèi)部集成電路處理后輸出脈沖信號。通過比較輸出脈沖信號的頻率是否與交變電流信號的頻率一致，判斷傳感器性能是否正常。

可以將線圈回路的開關(guān)設(shè)計到機車控制系統(tǒng)中，方便使用者根據(jù)需要決定是否運行速度傳感器的自檢功能。

3.3 電路設(shè)計

本設(shè)計的電路部分由電源電路、霍爾元件感應(yīng)電路、信號處理電路及輸出防護電路組成。電路原理框圖如圖7所示。

圖7 電路原理框圖

電源電路實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換為后為霍爾元件提供電源。

霍爾元件感應(yīng)電路及信號處理電路如圖8所示?；魻栐袘?yīng)電路部分主要由霍爾元件BH及去耦電容C1組成。本設(shè)計采用的霍爾元件輸出級為集電極開路輸出，需要在其輸出端接上拉電阻，信號處理電路主要包含滯回比較器電路及參數(shù)調(diào)整電路，將霍爾元件感應(yīng)電路輸出的信號調(diào)整為符合出符合一定參數(shù)要求的方波信號。其輸出信號的技術(shù)指標一般要求：高電平≥0.8Vcc（Vcc為電源電壓），低電平≤1V，上升時間和下降時間≤10μs，驅(qū)動能力為-10mA～10mA，占空比50%±10%。

本設(shè)計選用一款軌到軌輸出運放，供電范圍4.5V～36V，輸出短路電流-30mA～36mA，壓擺率20V/μs，帶寬10MHz。一方面該運放組成滯回比較器，使輸出信號穩(wěn)定，提高電路抗干擾性能；另一方面對輸出方波信號的高低電平、上升下降時間、驅(qū)動能力進行調(diào)整，使各項激素還指標滿足要求。滯回比較器的回差電壓主要與R2和R3有關(guān)。

圖8 霍爾元件感應(yīng)電路及信號處理電路

輸出防護電路一般采用在輸出端到兩個供電端分別接一個開關(guān)二極管，將輸出信號幅值限定在-0.7V到Vcc+0.7V范圍內(nèi)，當信號端有瞬態(tài)干擾時，開關(guān)二極管起作用，將干擾信號泄放。

3.4 測試結(jié)果

通過測試，本方案設(shè)計的傳感器主要性能指標如表1所示，自檢性能如表2所示。自檢功能測試波形如圖9所示。

表1 傳感器性能測試

表2 傳感器自檢性能

圖9 自檢功能測試波形

4 總結(jié)

本設(shè)計方案的速度傳感器基于霍爾效應(yīng)及電流的磁效應(yīng)，在測速的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了自檢功能，建立了自檢功能磁路的機-電模型，為帶自檢功能的霍爾式速度傳感器的研究提供了科學依據(jù)。自檢功能的成功應(yīng)用有助于預(yù)防機車故障的發(fā)生，降低機車運行的故障率，也便于速度傳感器階段性檢測。經(jīng)測試各項性能指標滿足要求，證明設(shè)計可靠，設(shè)計方案可行，且該方案結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于裝配，可靠性高，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

[1]唐文彥．傳感器[M]．北京:機械工業(yè)出版社出版社,2006:90-94．

[2]王華軍,李宏福．螺線管中磁場的計算[J]．四川化工學院學報,1999,12(04):23-25．

楊敏（1989—），女，山西人，電子工程師，主要從事傳感器研發(fā)工作。

陳竹健（1985—），男，江蘇人，電子工程師，主要從事傳感器研發(fā)工作。

陳增賢（1986—），男，浙江人，結(jié)構(gòu)工程師，主要從事傳感器研發(fā)工作。