本发明专利技术属于传感测量技术领域，涉及一种基于霍尔效应的差动角位移传感器及感应方法。包括转轴(6)、转子铁心(3)、永磁磁钢(2)、左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)、左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)等。本发明专利技术提出了一种新结构的基于霍尔效应的差动式角度传感器，属于直接测量方法的范畴，可以保证传感器的输出电压信号在一定的角度范围内能够线性地反映转子的旋转角度，无需复杂的信号调理电路，具有结构简单、成本低、抗干扰能力强等优点。抗干扰能力强等优点。抗干扰能力强等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于霍尔效应的差动角位移传感器及感应方法
[0001]本专利技术属于传感测量
，涉及一种基于霍尔效应的差动角位移传感器及感应方法。
技术介绍
[0002]角度测量广泛用于军事、工业、航天、汽车和船舶等多个领域。例如对于舵机角度采集系统，其角度的采集精度和稳定性对飞机和船舶自动舵性能的发挥具有非常重要的影响，车辆的方向角与倾斜度测量可以为车辆提供多种信息，随着建筑业的不断发展，对建筑角度测量仪的要求也不断提升，在汽车工业中，经常需要对其发动机的扭角进行测量。
[0003]目前常用的角度传感器包括光电式、电容式、磁电式和霍尔式。除此之外，很多新型的角度传感器和角度测量方法也在展开研究，如索引式绝对位置角度编码器、新型光纤FBG角度传感器、基于永磁体在磁性液体中悬浮原理的新型一维倾角传感器以及一种利用图像测量角度的方法。
[0004]其中常用的霍尔式角度传感器，输出多为正弦信号，需要通过信号调理电路及分析电路的线性化才能达到测量目的。针对这一问题，本专利技术提出了一种新结构的基于霍尔效应的差动式角度传感器，属于直接测量方法的范畴，可以保证传感器的输出电压信号在一定的角度范围内能够线性地反映转子的旋转角度，无需复杂的信号调理电路，具有结构简单、成本低、抗干扰能力强等优点。
技术实现思路
[0005]为了解决上述问题，具体涉及一种新型差动式霍尔角度传感器。本专利技术提供了一种基于霍尔效应的差动角位移传感器及感应方法，工作稳定可靠，而且实施方便，经济效益好。
[0006]技术方案
[0007]一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，包括转轴(6)、转子铁心(3)、永磁磁钢(2)、左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)、左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)。转轴(6)穿过转子铁心(3)的中心孔后与转子铁心(3)固定；永磁磁钢(2)为瓦片状，圆心角为180
°
，固定在转子铁心(3)的外侧；左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)为左、右对称两段，同心地固定在永磁磁钢(2)的外侧，并与永磁磁钢(2)之间存在间隙，左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)的每段定子磁轭的首端为弧状，与永磁磁钢(2)同心，左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)的尾部均为弯状，另一侧弯状突起部分与转子铁心(3)接近；在左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)的尾部分别与转子铁心(3)接近处的间隙中，分别粘贴左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)。
[0008]进一步的，左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)两片霍尔元件的输出端子，通过外部测量电路按照差动方式连接。
[0009]进一步的，瓦片状的永磁磁钢(2)为径向磁极，外侧为N极和内测为S极，
[0010]进一步的，永磁磁钢(2)材料为NdFeB或SmCo中的一种，输入场强45～75mT。
[0011]进一步的，转轴(6)带动转子铁心(3)和永磁磁钢(2)转动，形成角度变化并通过左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)两片霍尔元件的输出端子完成角度测量，测量范围：
‑
90
°
＜θ＜+90
°
。
[0012]进一步的，左定子磁轭(1)、右定子磁轭(7)与永磁磁钢(2)之间的间隙，应与左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)分别与转子铁心(3)之间的间隙保持一致。
[0013]进一步的，所述左定子磁轭(1)与右定子磁轭(7)上下两端存在的间隙，应保持一致。
[0014]进一步的，间隙具体为0.2mm
‑
0.5mm。
[0015]一种基于霍尔效应的差动角位移传感器的感应方法：传感器工作时，固定在转子铁心外侧的永磁磁钢产生磁场，根据磁力线的基本性质，可知磁力线分为左、右两部分，分别穿过左、右定子磁轭、空气隙、霍尔元件和转子铁心后形成闭合回路。当传感器的转子位于初始位置时，左、右定子磁轭与永磁磁钢的相互覆盖角度相同。
[0016]传感器转子在初始位置时，左、右两段磁轭中的磁场在空间上对称分布，幅值相同。当转子转动时，假设逆时针转过某空间角，则左、右定子磁轭与永磁磁钢的相互覆盖面积不相同，由此可知，此时永磁磁钢产生的左、右两段磁路中的磁通量不再相等。
[0017]在霍尔元件通以电流I，由于永磁磁钢的磁力作用，霍尔元件的两端截面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电势U
H
。若磁场的磁感应强度为B，则霍尔电势为:
[0018]U
H
＝K
H
IB
[0019]式中:K
H
为霍尔元件的灵敏度系数，B为磁场的磁感应强度，I为与磁场垂直的霍尔元件上的通电电流。
[0020]磁力线经过空气隙、左右定子磁轭、霍尔元件和永磁磁钢内部后形成闭合回路，根据磁路的欧姆定律，穿过两片霍尔元件的磁通分别为:
[0021][0022][0023]式中:R
m
为永磁磁钢的磁阻，F1和F2分别为两段磁路的磁动势。
[0024]由于磁场在永磁磁钢的表面均匀分布，设永磁磁钢产生的总磁动势为F，则F＝F1+F2。
[0025]当转子位于初始位置时，与左、右定子磁轭相互覆盖的永磁磁钢的角度相同，则F1＝F2。由于磁路对称，磁阻相同，则Φ1＝Φ2，因此穿过两片霍尔元件的磁场幅值相同，则此时U
H1
＝U
H2
。
[0026]当转子转过角度θ时，与左、右定子磁轭相互覆盖的永磁磁钢的角度发生变化，则F1≠F2。则:
[0027][0028][0029]根据磁路的欧姆定律，穿过两片霍尔元件的磁通分别为:
[0030][0031][0032]单位面积的磁通为磁感应强度。两片霍尔元件的面积相同，设为S，得到此时两片霍尔元件的霍尔电势分别为：
[0033][0034][0035]两片霍尔元件的输出端差动连接，则总的输出霍尔电势为:
[0036][0037]由此可知，总的差动输出霍尔电势与转子转过的角度成正比。
[0038]技术效果
[0039]角度测量广泛用于军事、工业、航天、汽车和船舶等多个领域。例如对于舵机角度采集系统，其角度的采集精度和稳定性对飞机和船舶自动舵性能的发挥具有非常重要的影响，车辆的方向角与倾斜度测量可以为车辆提供多种信息，随着建筑业的不断发展，对建筑角度测量仪的要求也不断提升，在汽车工业中，经常需要对其发动机的扭角进行测量。
[0040]目前常用的角度传感器包括光电式、电容式、磁电式和霍尔式。除此之外，很多新型的角度传感器和角度测量方法也在展开研究，如索引式绝对位置角度编码器、新型光纤FBG角度传感器、基于永磁体在磁性液体中悬浮原理的新型一维倾角传感器以及一种利用图像测量角度的方法。
[0041]其中常用的霍尔式角度传感器，输出多为正弦信号，需要通过信号调理电路及分析电路的线性化才能达到测量目的。针对这一问题，本专利技术提出了一种新结构的基于霍尔效应的差动式角度传感器，属于直接测本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，包括转轴(6)、转子铁心(3)、永磁磁钢(2)、左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)、左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)；转轴(6)穿过转子铁心(3)的中心孔后与转子铁心(3)固定；永磁磁钢(2)为瓦片状，圆心角为180
°
，固定在转子铁心(3)的外侧；左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)为左、右对称两段，同心地固定在永磁磁钢(2)的外侧，并与永磁磁钢(2)之间存在间隙，左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)的每段定子磁轭的首端为弧状，与永磁磁钢(2)同心，左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)的尾部均为弯状，另一侧弯状突起部分与转子铁心(3)接近；在左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)的尾部分别与转子铁心(3)接近处的间隙中，分别粘贴左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)两片霍尔元件的输出端子，通过外部测量电路按照差动方式连接。3.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，瓦片状的永磁磁钢(2)为径向磁极，外侧为N极和内测为S极。4.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，永磁磁钢(2)材料为NdFeB或SmCo中的一种，输入场强45～75mT。5.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，转轴(6)带动转子铁心(3)和永磁磁钢(2)转动，形成角度变化并通过左霍尔元件(4)和右霍尔元件(5)两片霍尔元件的输出端子完成角度测量，测量范围：
‑
90
°
＜θ＜+90
°
。6.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，左定子磁轭(1)、右定子磁轭(7)与永磁磁钢(2)之间的间隙，应与左定子磁轭(1)和右定子磁轭(7)分别与转子铁心(3)之间的间隙保持一致。7.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，所述左定子磁轭(1)与右定子磁轭(7)上下两端存在的间隙，应保持一致。8.根据权利要求7所述的一种基于霍尔效应的差动角位移传感器，其特征在于，间隙具体为0.2mm
‑
【专利技术属性】
技术研发人员：施文斌，周伟云，勾佳乐，
申请(专利权)人：武汉航空仪表有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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