基于霍爾原理的非接觸式位置傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李志鵬　趙伊齊　邵憲友　趙楊

摘要 介紹了霍爾原理在非接觸式位置傳感器上的重要性，并與其他傳感器對比，對現(xiàn)階段主要的幾種基于霍爾原理的非接觸式位置傳感器的工作原理、研究進展以及應用情況進行分析，總結(jié)了應用于非接觸式位置傳感器上霍爾原理存在的問題，歸納分析得出霍爾原理在非接觸式位置傳感器上主要發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 霍爾原理；其他傳感器；非接觸式位置傳感器

中圖分類號 S126；U463.45 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-357-03

霍爾效應（Hall Effect）自1897年被德國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)并命名以來，便受到大量關(guān)注，經(jīng)過不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，霍爾效應在當今諸多領(lǐng)域上呈現(xiàn)了更為高效、便利的一面；利用霍爾效應的磁電轉(zhuǎn)換的性質(zhì)并具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小等諸多優(yōu)點而成為非接觸式位置傳感器的研究熱點被測量技術(shù)、電子技術(shù)以及自動化技術(shù)等所運用。

對于傳統(tǒng)的接觸式位置傳感器，存在一些接觸性問題。長時間的摩擦易導致機器磨損，致使測量的精度不能達到規(guī)定要求，從而造成壽命上的縮減，使得需要工作人員經(jīng)常修理甚至更換，實用性不強[1]，以至增大各方面的支出，經(jīng)濟性差。非接觸式位置傳感器在磁電轉(zhuǎn)換理論下利用霍爾原理能夠成功克服以上缺點并擁有精度高、低成本、方便安裝等優(yōu)點，這對非接觸式位置傳感器的研究與開發(fā)有重要意義。一般位置傳感器應用有節(jié)氣門傳感器、油門踏板傳感器、EGR閥位移傳感器、EPS扭矩傳感器以及方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。筆者針對直線位移、角位移、扭矩以及轉(zhuǎn)角4種非接觸式位置傳感器進行研究。

1 霍爾原理

1987年，霍爾在一次實驗中發(fā)現(xiàn)當一電流垂直于外磁場并流過導體時，就會在垂直于電場與磁場的方向上有電勢差產(chǎn)生，此稱為霍爾效應（Hall Effect）。所測到的電勢差稱為霍爾電壓VH，其工作原理如圖1所示。

載流子受洛倫茲力的作用向?qū)w一側(cè)偏轉(zhuǎn)，導體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，從而形成霍爾電場EH，隨著電場變強，最終洛倫茲力fL與靜電斥力fE平衡。控制電流I一定時，霍爾電壓公式為：

VH=KHIB（1）

由式（1）可得霍爾電動勢VH與外加磁場B成正比例線性關(guān)系，檢測對象本身為磁場或者以磁場為載體的非電、非磁等物理量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏俊⒋帕窟M行控制以及測量。霍爾元件、霍爾集成電路以及霍爾組件這些均由霍爾效應為原理所構(gòu)成，并統(tǒng)稱為霍爾效應磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器。

2 基于霍爾效應的非接觸式位置傳感器的研究現(xiàn)狀

目前，按工作原理的不同位置傳感器大致可分為電位計式、電阻式、電容式、霍爾式以及光電式。其中電位計式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍最高可達1～1 000 mm，但由于接觸式位置傳感器零件摩擦，會存在易磨損、壽命短、分辨率低等問題；電阻式傳感器因其彈簧帶動的懸臂梁根部的彎曲應變與所測位移成線性關(guān)系，故具有線性好、分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，其測量范圍為0.1×10-3～0.1 mm，偏小；電容式位移傳感器精確度高，可達0.005%，但受溫度、濕度等環(huán)境因素影響較大；對于光電式傳感器，其具有靈敏度高、精確度高、響應快等優(yōu)點，由于成本高，一般只應用于精密儀器中。相比于以上4種傳感器，霍爾位置傳感器擁有低成本、分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單等多種優(yōu)點，被廣泛應用。

2.1 非接觸式霍爾位移傳感器

非接觸式霍爾位移傳感器通過測量霍爾電動勢的變化來測量位移變化量。國內(nèi)最早由武新華等提出，主要由導桿、外套、預緊彈簧、霍爾元件、支撐彈簧等組成[2]。將霍爾元件置于2塊同級磁鐵磁場中間，調(diào)整位置，使初始霍爾電動勢為0，隨后提供固定電流并移動霍爾元件，根據(jù)霍爾原理可得，輸出的霍爾電動勢會隨位移變化而發(fā)生改變，輸出的霍爾電動勢可得位移量。梯度磁場越大，精度越高；梯度磁場變化越均勻，線性度越好，其結(jié)構(gòu)原理見圖2。在國內(nèi)已被廣泛生產(chǎn)并應用于電機、汽車中。

由于霍爾元件通常測量微位移，一般測量范圍在1 mm左右，且要求保持均勻梯度磁場，這樣存在測量范圍小且條件要求高的弊端。廈門大學設計出一種帶有反饋隨動機構(gòu)的霍爾位移傳感器，將被測物體與磁鋼連接在一起，當被測物體移動時，磁鋼與其運動狀態(tài)保持一致，由于霍爾元件受磁場變化而產(chǎn)生感應電動勢，電動勢通過放大器接收放大后經(jīng)過控制電路、驅(qū)動電路后驅(qū)動機械驅(qū)動機構(gòu)從而相應改變霍爾元件的位置。這種傳感器能在不要求磁場梯度是否均勻的條件下而大大增加霍爾元件的測量范圍。但實驗存在一定誤差，與磁電傳感器信號輸出之間有一定的相位差。

2.2 非接觸式霍爾角位移傳感器

作為位移傳感器的一種型號——角位移傳感器，相比于同步分析器、電位計，由于本身為非接觸式傳感器，擁有壽命長、工作可靠等優(yōu)點。按角位移工作原理可分為3類：變阻器式角位移傳感器、電容式角位移傳感器以及磁式角位移傳感器（即霍爾式以及磁阻式角位移傳感器）。結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點成為霍爾式角位移傳感器被廣泛使用的原因。

非接觸式霍爾角位移傳感器主要由永磁體、霍爾元件、屏蔽罩以及塑料殼體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3，磁體放在可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子與工作體相聯(lián)，當工作體轉(zhuǎn)動時，通過轉(zhuǎn)子的連接使得作用在霍爾元件上的磁場也發(fā)生相應變化，根據(jù)霍爾原理，霍爾輸出VH也同樣發(fā)生變化。由于霍爾元件屬磁性元件，易在強直流條件下受干擾，可利用屏蔽罩達到聚磁、屏蔽效果。當磁場強度B與霍爾元件平面的法向作用線存在夾角θ（即旋轉(zhuǎn)角度）時[3]，則霍爾電壓公式為：

VH=KHIBCOSθ（2）

為保證磁場強度與輸出電壓的線性關(guān)系，國內(nèi)先后出現(xiàn)2種解決方法：通過設計一種產(chǎn)生非均勻磁場的“V”極靴或者半圓形極靴，從而達到在±25°內(nèi)實現(xiàn)輸出線性化的目的[4]；將霍爾元件放在0磁通的位置，根據(jù)所需角度向兩側(cè)分開，經(jīng)實驗得在磁通量為-200～200 MT之間滿足霍爾電壓線性化[5]。

霍爾角位移傳感器具有靈敏度高、溫度性能好等優(yōu)點。國內(nèi)利用霍爾角度傳感器已申請非接觸式單信號、雙信號節(jié)氣門位置傳感器的專利并大量投入生產(chǎn)。在汽車電子油門踏板位置、自動變速器以及節(jié)氣門體位置測量上也大量使用霍爾角位移傳感器。目前關(guān)于非接觸式霍爾角位移傳感器只限于SSI數(shù)字輸出、0～5 V標準模擬電壓信號輸出、0～10 V標準模擬電壓信號輸出3款產(chǎn)品。在此基礎上同樣還可設計I2C開發(fā)數(shù)字輸出、4～20 mA標準模擬電流信號輸出、增量編碼器輸出，以及用于遠距離傳輸?shù)腞S422及RS485輸出等幾種類型產(chǎn)品。

2.3 非接觸式霍爾扭矩傳感器

霍爾式扭矩傳感器主要通過利用霍爾效應原理所制成，其工作原理如圖 4 所示：當方向盤轉(zhuǎn)動時，傳感器中的扭桿會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，導致磁軛和多級磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動，使得上下磁軛與多級磁鐵發(fā)生錯動，從而傳感器的磁通發(fā)生變化，其變化的磁通通過霍爾 SZ 轉(zhuǎn)換為相應的電壓或電流變化，從而測量出相應的扭矩大小和方向[6]。

這種非接觸式扭矩傳感器因霍爾元件的存在具有靈敏度較高，在一定溫度內(nèi)精度高、線性度好、動態(tài)性能強等優(yōu)點，但由于存在磁性元件，導致信號受溫度變化影響較大，傳感器結(jié)構(gòu)比較復雜。目前，日本的捷太格特公司已將霍爾式扭矩傳感器裝配于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，并增加電動助力轉(zhuǎn)向扭矩傳感器上霍爾 器件的比例配備。德國的DF 公司的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同樣采用了相應形式的霍爾效應式扭矩傳感器。

2.4 非接觸式霍爾角度傳感器

利用霍爾原理，根據(jù)霍爾器件的性能可將霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器以及開關(guān)型霍爾傳感器。其中線性型霍爾傳感器適用于對電壓或者電流等物理量的測量；開關(guān)型霍爾傳感器適用于對位移、角度以及轉(zhuǎn)速等物理量的測量。

對于霍爾角度傳感器，為了精確旋轉(zhuǎn)角度，放置2個開關(guān)型傳感器于信號齒輪盤的兩側(cè)，如圖5所示：當用鐵磁材料制成的被檢測齒輪從霍爾傳感器以及固定在霍爾背后的永久磁鐵近旁經(jīng)過時，通過磁場的變化從而霍爾傳感器產(chǎn)生電壓，電壓隨被檢齒輪上齒的不同而改變，從而得到檢測物體的運動參數(shù)。為了確定齒輪旋轉(zhuǎn)方向，將2個霍爾傳感器呈90°放置，如圖6所示：當被測齒輪經(jīng)過霍爾傳感器就有脈沖輸出，H1與H2為2個變化且相差1/4個周期得脈沖序列，通過判斷2個電平順序來確定旋轉(zhuǎn)方向，假設順時針為

正，在t1～t4時段中若H1高→H2高→H1低→H2低→為正轉(zhuǎn)向，若H2高→H1高→H2低→H1低→則為反轉(zhuǎn)向[7]。

利用霍爾角度傳感器的磁場敏感、使用面積小、感應能力強等多項優(yōu)點而在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、汽車方向盤以及節(jié)氣門傳感器等多方面都有所應用。國內(nèi)生產(chǎn)出最高精度可達0.089°并且工作溫度寬的霍爾角度傳感器，未來在精度以及環(huán)境上應用將有更大進展。

非接觸位置傳感器大部分被德國、美國、日本、意大利以及一些全球合資公司所壟斷。德國BOSCH公司在1996年通過利用徑向充磁的環(huán)形磁鐵和被測物體的一起轉(zhuǎn)動從而獲得大于的線性范圍而研制出基于霍爾原理的角度位置測量裝置[8]；日本DENSO利用傳統(tǒng)平面線性霍芯片從而開發(fā)磁感非接觸式電子節(jié)氣門位置傳感器[9]，同樣的，意大利的Maerli通過平面線性霍爾芯片MLX90215得接觸式節(jié)氣門位置傳感器；2006年韓國控制與測量系統(tǒng)公司研制出基于霍爾原理的非接觸式旋轉(zhuǎn)位置傳感器；目前國內(nèi)許多汽車零部件企業(yè)以及科研院校也將霍爾元件用于汽車位置傳感器中[10]。在2009年聯(lián)合汽車電子設計出線性范圍廣而且線性度良好的基于霍爾原理角度傳感器測量裝置[11]，四川紅光電子機同樣也開發(fā)出基于霍爾原理的非接觸式智能電子油門傳感器以及電子油門踏板總成。

3 發(fā)展趨勢

以往的霍爾芯片由于采用平面設計，會產(chǎn)生溫漂以及易受外界磁場干擾等缺點而不被廣泛采用。近幾年霍爾技術(shù)逐漸成熟，奧地利的Austriamicrosystems、Melexis以及Micronas等公司已研發(fā)出三軸霍爾芯片（不僅可以測量垂直于測量元件的磁場也能測量到平行于被測元件的磁場），從而提高了工作效率并在很大程度上克服了溫漂等缺點[10]。BOSCH、DENSO以及、Mareli 已研發(fā)出基于霍爾原理的非接觸式位置傳感器并已在進口車和合資車上大量生產(chǎn)，國內(nèi)化未能實現(xiàn)。對于國內(nèi)，只有少量的大客車（如北汽福田）采用非接觸式油門踏板位置傳感器配套裝車，而對于銷量最廣的轎車而言，基于霍爾原理的非接觸式位置傳感器沒有可實用產(chǎn)品。未來幾年，基于快速發(fā)展的科技發(fā)展力，霍爾技術(shù)也會向高效、安全、方便的方向更邁進一步。

4 結(jié)語

該研究從工作原理、應用情況以及研究進展等幾方面對國內(nèi)外幾種主要的基于霍爾原理的非接觸位置傳感器的利用進行論述。

隨著對霍爾元件研究技術(shù)日趨成熟，對滿足易操作、高精度、低成本、工作可靠性好的非接觸式霍爾位置傳感器的研究成為必然。

參考文獻

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責任編輯 徐麗華 責任校對 李巖