具有自檢功能的霍爾式速度傳感器設計

寧波中車時代傳感技術有限公司 楊 敏 陳竹健 陳增賢

具有自檢功能的霍爾式速度傳感器設計

寧波中車時代傳感技術有限公司 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型霍爾元件實現測速功能，基于電流的磁效應實現自檢功能。文中論述了此速度傳感器的工作原理、磁路及電路設計方案，其磁路結構簡單，便于實現。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停車自檢功能，有助于機車運行前發現故障，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、性能穩定可靠，在機車測速領域得到越來越廣泛的應用。現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現。這不利于預防故障的發生，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了停車自檢功能，通過機車的自身系統即可實現傳感器性能檢測，不需要額外的專業測試設備，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，有助于預防故障的發生，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

2．1．1 霍爾效應

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生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應1]。霍爾效應原理如圖1所示，霍爾電動勢可以表示為式1。

圖1 霍爾效應原理圖

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

2．1．2 電流的磁效應

任何通有電流的導線，都可以在其周圍產生磁場，其中恒定的電流產生恒定的磁場，交變的電流產生交變的磁場，并且交變電流的頻率與交變磁場的頻率一致，這種物理現象稱為電流的磁效應。本設計主要應用了帶磁性物質的多層柱狀線圈通電后產生磁場的現象，其磁場理論計算近似為通電螺線管產生的磁場的計算。帶磁性物質的多層通電螺線管磁場計算比較復雜，在此不做展開討論，但其磁感應強度與激勵電流之間的相關關系可參考多層空心螺線管軸線上磁感應強度B與激勵電流I之間的關系，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處的磁感應強度；μ0—磁導率； n1—螺線管每層單位長度上的匝數；n2—螺線管單位厚度上的匝數；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型霍爾元件實現，其測速原理如圖3所示。霍爾元件置于磁鋼與測速齒輪之間，磁鋼提供恒定的磁場，隨著測速齒輪轉動，齒頂與齒底交替接近磁鋼，改變了霍爾元件周圍的磁場，霍爾元件感應變化的磁場，輸出不同的感應電動勢。當測速齒輪以一定的轉速ω旋轉時，霍爾元件便產生頻率f與測速齒輪轉速ω成一定比例的脈沖信號。測速齒輪旋轉一周，開關型霍爾元件輸出脈沖數等于測速齒輪的齒數N。輸出脈沖信號的頻率與測速齒輪轉速的關系見式3。

式中：f—輸出信號的頻率，Hz；ω—齒輪轉速，r/min；N—齒輪齒數。

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，當用交變電流激勵帶磁性物質的多層柱狀線圈時，線圈兩端產生交變磁場，該磁場模擬了齒輪轉動引起的磁場變化，可以實現停車自檢功能。

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，霍爾元件感應由齒輪轉動引起的交變磁場，輸出的脈沖信號的頻率與齒輪轉速成一定比例。當需要自檢時，齒輪不轉動，給線圈中輸入交變電流信號，使線圈產生交變磁場，霍爾元件感應后輸出與交變電流信號頻率一致的脈沖信號，再經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 產品設計

3.1 總體方案

本設計的速度傳感器主要由磁感應電路、自檢功能模塊、線路板、外殼組成。磁感應電路核心器件是開關型霍爾元件，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。

測速齒輪轉動改變了霍爾元件周圍的磁場，霍爾元件感應變化的磁場，輸出不同的感應電動勢，再經過信號處理電路，輸出方波信號。由方波信號的頻率和測速齒輪齒數即可以換算出轉速，實現測速功能。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生交變磁場，模擬齒輪轉動引起的磁場變化，同樣的經霍爾元件感應、信號處理，輸出頻率與交變電流信號頻率一致的方波信號，實現自檢功能。

圖5 總體方案功能框圖

圖6 磁路設計的機-電模型

3.2 磁路設計

傳感器自檢磁路及測速磁路采用一體化設計，磁路設計的機-電模型如圖6所示。霍爾元件一側是測速齒輪，另一側裝有磁鋼，磁鋼后有鐵心，磁鋼及鐵心外側繞有線圈，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。

當測速系統工作時，線圈回路開關S需斷開，隨著測速齒輪轉動，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電動勢相應增大；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電動勢相應減小。經過霍爾半導體內部集成電路處理后輸出脈沖信號。

當自檢系統工作時，測速齒輪靜止不動，將線圈回路開關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，根據安培右手定則，可以判斷線圈兩端會產生交變的磁場，該磁場與磁鋼產生的恒定磁場疊加，霍爾元件處于交變的磁場中，霍爾半導體的感應電動勢也相應變化，經過霍爾元件內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設計到機車控制系統中，方便使用者根據需要決定是否運行速度傳感器的自檢功能。

3.3 電路設計

本設計的電路部分由電源電路、霍爾元件感應電路、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DC-DC轉換為后為霍爾元件提供電源。

霍爾元件感應電路及信號處理電路如圖8所示。霍爾元件感應電路部分主要由霍爾元件BH及去耦電容C1組成。本設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調整電路，將霍爾元件感應電路輸出的信號調整為符合出符合一定參數要求的方波信號。其輸出信號的技術指標一般要求：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，驅動能力為-10mA～10mA，占空比50%±10%。

本設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、驅動能力進行調整，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。

圖8 霍爾元件感應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二極管，將輸出信號幅值限定在-0.7V到Vcc+0.7V范圍內，當信號端有瞬態干擾時，開關二極管起作用，將干擾信號泄放。

3.4 測試結果

通過測試，本方案設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

本設計方案的速度傳感器基于霍爾效應及電流的磁效應，在測速的基礎上實現了自檢功能，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。自檢功能的成功應用有助于預防機車故障的發生，降低機車運行的故障率，也便于速度傳感器階段性檢測。經測試各項性能指標滿足要求，證明設計可靠，設計方案可行，且該方案結構簡單緊湊，便于裝配，可靠性高，可實現批量生產。

[1]唐文彥．傳感器[M]．北京:機械工業出版社出版社,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工作。

陳竹健（1985—），男，江蘇人，電子工程師，主要從事傳感器研發工作。

陳增賢（1986—），男，浙江人，結構工程師，主要從事傳感器研發工作。