传感器霍尔效应分析机械应力外文翻译资料

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传感器霍尔效应分析机械应力

Jacques Cousteau da Silva Borges, Abel Cavalcante Lima Filhoz and Francisco Antonio Belo

1。物理实验室，IFRN（Instituto Federal de Educao, Ciencia a Tecnologia do Rio Grande do Norte），纳塔尔59015-000，巴西.

2。太阳能实验室， UFPB（Universidade Federal da Paraiba），若昂佩索阿，58051-000巴西.

收到：2014年11月14日/接受：2014年12月24日/出版：2015年1月25日。

摘要

测量磁场是一种常见的做法，在工业过程中。我们可以把电压测量通过PTS（电压互感器）。这是一个典型的归纳法现场测量，被测量的振荡性质预测，随着电路规模和仪器校准的50 / 60赫兹的典型频率。很长一段时间，只有二进制信息：“已知领域”和“未知领域”是必要的。例如，只有这样的信息，我们才可以识别的频率的旋转轴。目前，新技术的运用磁传感器ORS从磁场强度测量位置（距离、角度等）。感应式传感器是低效率的静态领域的测量，如磁铁，新的线性霍尔效应传感器的开放空间，在静态下可以毫无困难地处理这些情况。本研究探讨霍尔传感器的行为，进行测量来确认静磁场的强度和旋转磁铁是相同的，并验证速度在磁铁通过传感器在某些方面改变测量时的影响。结果显示效果卓越并且在许多不同的应用领域中，这些传感器的多功能性。

关键词：动态测量，霍尔效应，仪器仪表，机器人技术中的传感器和执行器。

1.简介

由于电磁场的性质，和内在的不可分割的电流和磁场之间的连接，通过麦斯威尔方程充分解释（安培定律和FA东拉定律楞），可以说测量磁场、电流测量。

因此，很快就意识到测量磁场强度的重要性。早期调频，模拟，使用一个线圈和一个磁铁（或带控制给定的其他线圈）。加强性场产生的电流进行测量，将相互作用的磁场，因此移动规模预先标定的指针。

随着电子伏特表和其他电子表的出现，逐渐被数字等值替换，由于比较器和A/D转换器，并且高效、准确，旧的方法被限制在设施的高功率，或间接测量。

这些应用的例子可以举出CT（电流互感器）和PT（电压互感器），能够提供电压和电流通过磁场的数量IES。重要的是，该系统是建立在50-60赫兹的频率范围内操作，或者至少是固定值的频率。

这些传感器通常称为电感式传感器，其工作原理是基于法拉第定律和楞次定律，这在本质上告诉我们，“在电路中产生的电动势等于连接到电路的磁通量的变化。”也就是说，当一个线圈所在磁场的强度出现变化，由此引起的电流，将是更大的幅度的变化或发生在更短的时间内。

因此，相同的磁性传感器测量电流，举个例子，如果当前电流的频率有任何显着的变化，都会提供给我们错误的值。1 A的电流，60赫兹，100以下三维感应产生的电流小于1，6千赫，虽然两者都有电流强度为1 A。

因此，在测量过程中，准确测量量值的频率是必要的，所以，在更复杂的电路和高的成本，校准校正每一个新的应用程序使用是必要的。

磁场传感器除了测量电量外，还广泛用于机械量的测量，如位置、速度和加速度等。

举例来说，测量旋转轴或齿轮的频率，使用在可动元件上的磁铁或线圈和固定元件上的传感器。对于这种应用，电路在这样一个逻辑下得出的结果：“已知领域”或“未知领域”。测量的是什么，所以是跳跃的序列，所以我们有速度，频率或加速度的值。重要的电感传感器是低效的静态磁场测量，如测量磁场的磁铁或电流。然而，一种新的测量磁场的技术已经越来越多在空间工业应用。霍尔效应传感器，特别是线性传感器，能够测量高精度的磁场强度。本文的组织如下：第2节讨论了霍尔效应传感器；第3节详细介绍了在机械变形测量方法；第4节介绍了实施和测试测量；第5节是位移测试；最后，第6节给出了结论。

2.霍尔效应传感器

第一个霍尔传感器在工业上的应用主要是用来替代传统传感器来测量和速度。每当存在磁场的最低强度，便产生一个逻辑电平（或脉冲）。这些传感器被分组有几个优点，如减少空间，更好的热稳定性和检测静态磁场的能力。但最终，霍尔效应是什么？

最初，想象一个电流，连续的，在一个线程中的水平方向。如果一个磁场被施加在该区域的空间，这是这个线程，垂直于平面，将上升到垂直方向的磁力。这种解释经典的电磁是指只有一个驱动程序的线性，有限长度，并且它被认为是无限的空间的区域，这驱动程序可连续移动。

现在让我们变成导体薄带的形式，电流通过它从左到右（图1A）。施加一个垂直于平面的磁场时，有一个向上的链的位移，类似于我们以前的例子（图1B）。我们将有一个负的载流子积累的磁带底部，并在顶部积极。这些位移将会产生直到磁力和静电力达到平衡。

图1（a）电流的薄带和（B）磁场对电流的效果。

在1879年，博士埃德温H. Hall在亨利A.罗兰的指导下发现这种效果之后，A,B两点之间的电压就被称为霍尔电压，并且将这种效果描述为，此电压是正比于所施加的磁场，无论它是连续的或振荡。

重要的是要注意，目前有等效量子霍尔效应，这里所描述的效果也可以在文学中找到“经典霍尔效应”。

2.1线性霍尔传感器

如上所述，第一个传感器只有2个逻辑级别：有/无磁场。不久后，有传感器有多电平或轨磁/输出电压。目前，我们所拥有的传感器，输出电压是线性正比于所施加的电场，并且可以准确地测量磁场的强度或在几个应用中的变化。

每个传感器工作在预定的磁场强度范围内。在这个范围内的内部电路，主要由比较器、电流源，饱和，和输出电压恒定。作为一般规则，传感器也辨别磁场的方向（北极或南极），作为制造商，改变电压的负与正和磁场方向从北极到南极，可以找到相反的传输感应[ 2 ]。

没有磁场的存在，传感器在静止参考电压保持不变,通常为电源电压的一半，所以他们常常被称为“relaciometric”。图2说明了这种传感器的典型行为。

图2 随着应用领域的电压变化[ 2 ]。

在各种不同的应用领域中，我们可以提到的线性霍尔效应传感器：“电流传感，能量的测量，检测金属、运动件的旋转测量，水库的水平l检测、电子电位器”[ 3 ]。

一个可能的应用是传感器“接近”。我们可以测量小的距离，因为进入或者离开磁场源的时候传感器将会为我们提供一个等效的电压。

该系统利用传感器“文森半导体”的线性霍尔效应，WSH 202，它的灵敏度为20 mV/G，即为1高斯的磁场强度的增加导致在传感器的端子增加20 MV。01高斯对应T（特斯拉）。我们将用这个系统来测量磁铁之间的相对位移。最近的应用领域需要精确地测量这些条件下的磁场强度。

3.机械变形测量

两块磁铁被放置在一个结构元件上受到不同的电压。这两者之间的运动将提供所产生的磁场的变化，这将由传感器霍尔效应记录。举一个例子，由图3所提供的元件，这是最初没有负载施加（轴向力）。然后，给他施加一个张力，这会导致在整片线性变形。产生的变化在按照预计地增加。

图3 拉伸单元。

如果该元件是在一个静态的应用条件下，测量的线性变形是一个简单的任务，但如果不是在这种条件下。想象引伸计或者一个测微计在旋转过程中的变形。它显示在两块磁铁之间有一个间隙。通过测量磁场，它可以测量这种变形。我们将测量磁场中一个点在两块磁铁之间的对称性（图4）：

图4 磁场磁偶极子。

重要的是，由于电磁问题的对称性，并使一切在x-z平面，我们的磁场在x方向的z方向。在x方向的电场VANIS沿轴方向。在这个轴，用霍尔传感器测量，在垂直于磁场的分量可以表示为[6-8]：

这方程同样的也可以应用在压缩和扭转，并且扭转磁铁必须被对准轴与轴之间的。它也可以进行测量在拐度，但我们必须适应方程。

也就是说，在z（高度）和d（磁铁的距离）的变化将等效为磁场的变化。由于z（高度）保持不变，将磁性元件的受力变形和位移之间联系起来是很有可能的。

4.实施与测试

为了实现和测试，一个系统被设置成来测量机械变形的旋转系统。对信号的吸收应用平台my—DAQ（数据采集设备），美国国家仪器公司，具有16位分辨率和采样率12.5 ksls。VI（虚拟仪器）是在LabVIEW中实现。进行数据的分析和记录。

要模拟真实情况，再加上一块磁铁连接到一个电机轴上，在图5中，面对不同的转速，要检查数据采集的操作。

图5 用于测量磁场磁铁直流电动机的原型。

磁铁是永磁N48，自从构成元素被收录入周期表[ 9 ]，也称为钕铁硼磁体（钕铁硼）或“稀土”。这些磁铁是从氧化物和金属烧结而成，由于其高的氧化性，所有操作在惰性气体保护下进行。涂层采用的是金属，如锌，金，镍。现在，这些都是可以获得并且在永久磁铁中，被广泛应用在学术研究和工业产品[ 10，11 ]。他们的参考值是温度的上升值。

以前的工作已经表明传感器在不同的频率下使用稳定，灵敏，准确，平稳运行。动态场峰值，独立于频率频率一致的静态场的值，和霍尔效应传感器看似不受旋转频率所导致的霍尔电压幅值扰动的影响。该峰值仅当接近或离开整个设置磁铁时改变。

与传统方法的比较测量正在进行中，初步结果证明了使用传统方法的测量系统的效率。

5.位移测试

最初，在一个提供一种在霍尔效应传感器输出变化的磁场中验证磁铁的相对间距变化是非常有必要的，它能够被用于一个分辨率为16位，电压约相当于30mV的测量系统的数据采集单元的读取。

要有这样的理解，首先要建立起第一个磁体，借助于千分尺，而二次位移逐渐消失。测量磁场（传感器输出电压）的值，保持第在一个固定高度的平面上的磁铁，在该平面上磁铁的高度是固定的。在图6中可以看到磁铁之间位移的理论行为。

图6磁铁理论的距离上磁场的变化。

你可以看到，随着可动磁铁移动距离，磁场值减小，直到只有影响传感器的固定磁铁。以字母为代表的传感器的高度为在测量中是一个基本的角色，由于更大的电场值，因此，读取霍尔传感器的电压值的更好。

因此，可见安装系统在图7中，已经开发出附带着板的线性霍尔传感器WSH（霍尔威尔逊半导体），指定为WSH 202，连接到my-DAQ国家仪器数据，这是来自同一个公司的LabVIEW软件接口。

图7系统安装的微位移测试。

千分尺使用的是内径千分尺，卡尺的type-25-50毫米与0.01毫米的分辨率，是由精密仪器digimes公司生产。钕磁铁（他们的特点和使用在前一章）被固定在霍尔传感器的下面末端内部停止的位置。在图8中，我们可以看到装配的细节。

图8磁铁和霍尔传感器的详细位置

等所有的元素固定，进行“步进”0.05毫米的变化，记录其电压值和磁场对应进行的变化。这个过程被重复了五次，结果是表示为函数的平均值。三个不同的高度（6毫米，5毫米，7毫米）也被使用，作为理论预测图9表示，在这些较大的风险整合，场/电压高度几乎察觉不到的。同样的情况发生在磁铁大于6毫米之间的距离的时候，所以我们选择了测量到这个位置。

图9磁场测量。

6.结论

得出结论，在这里提出的磁性系统是非常先进的，展示了一个在有限的空间，较高的发动机速度和长时间没有人工检查的需要保持系统等条件下优秀的替代应用。

从电磁学的基本方程，建立的数学模型，并演变成一个复杂的解决方案，这被证明与实验结果一致，验证了理论分析系统运行的预测，包括什么是不受转速轴变化的影响，这在感应线圈或传感器上是不可能的。

霍尔效应传感器是市场上最好的，因为它具有低噪声和高灵敏度的特点。WSH 202测试过三个其它在半导体市场上的传感器但都表现出较低的性能。该传感器的制造商，“文森半导体公司”，总部设在台湾，专业从事霍尔效应传感器。

LabVIEW的接口被证明是成功的，在电压/磁场等方面，可以简单实现对数字滤波器的实时图形显示的值进行测量，从而简化电路板。模数转换器采用16位分辨率和最高采样率200 kS/s，并满足工程的需要。磁体间的线性位移测量等表明该分辨率下阅读和记录电压可能没有问题。

参考文献

[1] Filho, A. C. L，Belo, F. A., Santos, J. L. A., and Anjos, EG. 2010. 'Experimental and Theoretical Study of a Telemetric Dynamic Torque Meter.' Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering 32 (3): 241-9

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