霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器檢測原理分析

孫永行

摘 要：本文對霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測量裝置的結(jié)構(gòu)原理及可能存在的失效點進(jìn)行分析，并給出可行的磁極檢查與安裝標(biāo)準(zhǔn)，同時搭建標(biāo)定裝置對傳感器進(jìn)行校驗，保證轉(zhuǎn)速測量裝置的有效性，提高設(shè)備可靠性。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng);轉(zhuǎn)速傳感器;磁極檢測;標(biāo)定裝置

引言

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器利用磁性材料感應(yīng)磁場變化獲取轉(zhuǎn)速信號，結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高。永久磁鐵隨轉(zhuǎn)子在泵殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過程中，可能受到高溫和流體撞擊等因素影響，導(dǎo)致磁性下降，且磁性材料對磁場的靈敏度有限，實際應(yīng)用中傳感器安裝位置與磁極的距離會影響傳感器的響應(yīng)情況。所以霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器測量裝置的預(yù)防性檢查和安裝都需要制定明確標(biāo)準(zhǔn)，以保證設(shè)備轉(zhuǎn)速測量的有效性。

1 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)原理

基于霍爾元件的轉(zhuǎn)速傳感器具有無觸點、可靠性高、構(gòu)造簡單、體積小、堅固、耐沖擊等優(yōu)點。工程使用的轉(zhuǎn)速傳感器基于霍爾效應(yīng)原理，采用由5～25 V直流電源供電的NPN型三極管，測量范圍為0～12000 r/min。

由于霍爾效應(yīng)，每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾元件時，霍爾元件開關(guān)導(dǎo)通和截止1次，產(chǎn)生1個方波脈沖信號（經(jīng)過信號處理電路，占空比為50%），由此將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，而脈沖信號由內(nèi)部電路采集計數(shù)，采用頻率測量法測出實際轉(zhuǎn)速。其測量原理為：在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，從而算出實際轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（1），在霍爾元件已選定的基礎(chǔ)上，霍爾電壓取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度，NPN型霍爾開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止需要足夠的磁場強(qiáng)度，所以永久磁極磁場強(qiáng)度和安裝距離2個因素決定了轉(zhuǎn)速測量的可靠性。

2 轉(zhuǎn)速測量的主要影響因素

2.1永久磁極的磁場強(qiáng)度

永久磁鐵是在沒有外加磁場下能長久保持自身磁性的物體。根據(jù)材料不同，一般可保持10年之久。永久磁鐵可用具有鐵磁性的物料（如鐵、鎳等）制成。當(dāng)受到強(qiáng)磁外力的作用或溫度超過其最高工作溫度時，永久磁鐵的磁性會變?nèi)跎踔料АＨ绻槐┞对谶@些條件下，永久磁鐵仍會失去自身磁性，但這種降解十分緩慢。

在磁體中，假設(shè)磁力線（一般為曲線）從S級出發(fā)，終止于N級。從S級至N級的磁力線是磁鐵表面空間的最短距離。當(dāng)磁鐵A的N級靠近另一磁鐵B的S級時，磁鐵A和磁鐵B的磁力線會發(fā)生變化，合成后磁力線會從磁鐵B的S級穿越磁鐵A的N級，再從磁鐵A的S級穿越回磁鐵B的N級。測量時，為得到最大的磁場強(qiáng)度，需控制探棒與被測磁極的方向，使磁力線和傳感器平面垂直，同時要保證探棒的傳感器元件位置與磁極中心接觸。

為得到磁極磁場強(qiáng)度正常與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)，使用高斯計對多個磁極備件和現(xiàn)場磁極進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)新磁極備件的磁場強(qiáng)度均在160 mT以上，而低于100 mT時傳感器可能無法感應(yīng)到交變磁場。由此制定預(yù)檢標(biāo)準(zhǔn)：

在每個循環(huán)傳感器回裝階段，檢查磁極磁場強(qiáng)度并與上個循環(huán)進(jìn)行比對，如強(qiáng)度小于130 mT則要求對磁極進(jìn)行更換;同一磁極如果在相鄰2個循環(huán)周期內(nèi)所測的磁場強(qiáng)度偏差大于15 mT，則由技術(shù)人員進(jìn)行分析和評價處理。

2.2 傳感器安裝位置

除永久磁極自身磁場強(qiáng)度外，傳感器與磁極的安裝距離也會影響轉(zhuǎn)速測量。傳感器和磁極間隙距離A要求在（0.635±0.320）cm范圍內(nèi)。在永久磁極正常的情況下，該標(biāo)準(zhǔn)是廠家根據(jù)NPN型霍爾開關(guān)導(dǎo)通/截止所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度制定的。如果間隙過大或磁極磁性較弱，都有可能導(dǎo)致無法產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。

3 標(biāo)定裝置

在確保磁場和安裝可靠的情況下，如果能保證傳感器的可靠性，就可以確保整個轉(zhuǎn)速測量裝置的可靠性。

3.1標(biāo)定裝置方案分析

如果對轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行標(biāo)定則需提供交變磁場，使傳感器產(chǎn)生脈沖信號以驗證傳感器的可用性。主要可以通過以下幾種方式實現(xiàn)：

（1）利用交變磁場發(fā)生器直接產(chǎn)生調(diào)頻交變磁場。如果對轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行標(biāo)定，則需提供頻率在0～200 Hz（頻率精確到0.02 Hz）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的交變磁場發(fā)生器，對電源和變頻技術(shù)要求較高，儀器采購成本高、設(shè)計難度大，可操作性不強(qiáng)。

（2）通過電機(jī)帶動磁極旋轉(zhuǎn)模擬現(xiàn)場轉(zhuǎn)子和傳感器的結(jié)構(gòu)。已有的轉(zhuǎn)速校驗臺轉(zhuǎn)速可達(dá)到5000～6000 r/min，如果再增大轉(zhuǎn)速，校驗臺振動將明顯增加，設(shè)備將處于不安全狀態(tài)。由于該校驗臺含有變速接口，所以可通過變極和多極磁極在低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)高頻交變磁場。轉(zhuǎn)速傳感器備件一般附有多極磁盤，如果將該磁盤裝在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，可滿足變極和多極磁極的條件，此方案簡單易行。

3.2 標(biāo)定裝置搭建

整套轉(zhuǎn)速傳感器標(biāo)定裝置主要包括轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置、電機(jī)、校驗磁盤、TR400和測量傳感器5個部分，電機(jī)轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置設(shè)定，帶動磁盤旋轉(zhuǎn)，測量傳感器感應(yīng)的脈沖信號送往TR400處理和顯示，同時TR400由轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置供電。多極磁盤使電機(jī)不需要高速旋轉(zhuǎn)就可滿量程準(zhǔn)確檢測傳感器。

根據(jù)校驗磁盤和校驗臺接口情況，設(shè)計加工1個連接部件，能將磁盤和轉(zhuǎn)速校驗臺組裝起來。經(jīng)過驗證，在電機(jī)高速轉(zhuǎn)動過程中，校驗磁盤被帶動高速旋轉(zhuǎn)，振動較小，可接受。ASG汽動給水泵轉(zhuǎn)速傳感器測量范圍為0～12000 r/min，由于校驗磁盤旋轉(zhuǎn)1周可使傳感器產(chǎn)生10轉(zhuǎn)信號，達(dá)到滿量程只需將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1200 r/min。由于磁力線方向垂直于磁盤盤面，通過傳感器自帶的支架，可將傳感器正對磁盤，實現(xiàn)傳感器的檢查標(biāo)定。

3.3 標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)制定

根據(jù)故障歷史和檢修周期，在每個循環(huán)傳感器回裝階段增加傳感器轉(zhuǎn)速檢查內(nèi)容，即使用轉(zhuǎn)速標(biāo)定裝置對傳感器進(jìn)行全量程檢查。通過轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置設(shè)定轉(zhuǎn)速（0、3000、6000、9000、12000 r/min），記錄TR400的顯示值并與設(shè)定值進(jìn)行比較，要求偏差在±0.1%范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對轉(zhuǎn)速測量傳感器的研究分析，得出影響霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測量有兩個主要因素是：永久磁極磁場強(qiáng)度和安裝距離。針對上述影響因素可制定出一套針對磁極狀態(tài)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和安裝標(biāo)準(zhǔn)，并制作出一套針對霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的標(biāo)定裝置，可有效提高設(shè)施的可靠性。且該標(biāo)定裝置具有通用性，可應(yīng)用于其它類似的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。

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