一种非接触式角位移传感器的设计

第27卷内蒙古民族大学学报（自然科学版）Vol.27No.6 2012年11月Journal of Inner Mongolia University for Nationalities Nov.2012

一种非接触式角位移传感器的设计

刘荣先

（扬州大学汽车工程实验总厂，江苏扬州225009）

〔摘要〕设计了一种基于霍尔原理的非接触式角位移传感器.该传感器利用霍尔元件，实现了对角位移的非接

触测量，解决了传统接触式角位移传感器有触点、可靠性差、寿命短的缺点.论文介绍了非接触式角位移传感器

的设计和制作，制作的传感器具有单信号带开关输出、双信号输出两种输出特性.

〔关键词〕角位移传感器；非接触式；霍尔效应

〔中图分类号〕TP2〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-5149（2012）06-0650-04

The Design of a Non-contact Angular Displacement Sensor

LIU Rong-xian

（Automotive Engineering Experimental Plant,Yangzhou University,Yangzhou225009,China）

Abstract：Design a non-contact angular displacement sensor based on the Hall principle.The sensor uses a Hall

element,a non-contact measurement of angular displacement,solve the shortcomings of contacts,poor reliability and

short life of the traditional contact angular displacement sensor.The paper describes the design and production of the

non-contact angular displacement sensor,making the sensor has a single signal with a switching output and two output

characteristics of the dual signal output.

Key words：Angular displacement sensor;Non-contact;Hall effect

0引言

随着科学技术的日益发展，人类对自动化要求越来越高，各种位移传感器被广泛使用〔1〕，而在角位移的测量中，目前普遍使用的是接触式角位移传感器，但该类位移传感器存在着可靠性差、使用寿命短等缺点.为了解决这个难题，非接触角位移传感器应运而生.

传统的接触式角位移传感器，由于电刷和电阻基片长期的滑动接触，这些机械部件易产生磨损，而这种磨损会产生接触不良或输出阻值的改变，最后导致输出信号无法正常输出等后果，且使用寿命受到限制〔2〕.本文利用霍尔原理，设计了一种非接触式角位移传感器.该传感器克服了传统的接触式角位移传感器的缺陷，并被广泛应用于汽车电子油门踏板位置测量、自动变速器位置测量和节气门体位置测量等.该传感器获得二项国家专利，专利号分别为：ZL200630080383、4；ZL200620068817、3.

1非接触式角位移传感器的工作原理

该非接触式角位移传感器是利用霍尔效应来实现角位移的非接触式测量.霍尔效应是指在元件的控制电流端通以电流I，并在平面导体的法线方向上，施加一磁场强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个霍尔电势V H〔3〕，数学表达式为〔4〕：

V H=f H K H IB

式中，I为通过元件的电流；K H为元件的灵敏度；B为磁感应强度；f H为形状系数，由元件的形状和霍尔角决定，一般小

于1〔5〕.

由上式可知，霍尔电势V H的大小正比于控制电流Ⅰ和磁感应强度B，当电流一定时，霍尔电势与磁感应强度B成正比.

在角位移的测量中，若被测角度为β，通过元件的电流I和磁感应强度B一定，则上式可以改写成：基金项目：扬州市—扬州大学科技合作项目（YZ2008088）

作者简介：刘荣先，扬州大学高级工程师.

V H =f H K H IB cos θ从上式可以看出：改变旋转角度β就能改变作用在元件上磁场的大小，从而就能使输出的霍尔电势V H 作出相应的改变，本文设计的角位移传感器就是基于这样的原理来达到实现非接触测量角位移的目的.

2非接式触角位移传感器的设计

2.1设计要求

通过前文了解了该非接触式角位移传感器的工作原理，但由于在实际生产操作过程中不可能实现理论上的条件，故在设计中有如下要求：

1）设计随传感器角度变化而同比例变化的磁场强度，并将此磁场强度加于霍尔元件感应点上，给霍尔元件供电，就得到霍尔元件输出电压信号随角度变化而同比例变化的信号；

2）为了保证输出信号的线性度，霍尔元件必须工作在磁场变化的线性区内，如图1；

图1霍尔旋转角度与磁通密度线性示意图

Figure 1Linear schematic diagram of the Hall angle of rotation and the magnetic flux density

图2传感器的结构示意图

Figure 2The sensor configuration diagram

1．壳体；2．内盖；3．转子；4．密封圈；5．霍尔元件；6．电路板；7．隔板；8．上腔；9．下腔；10．磁钢；11．导磁片；12．插接口；13．插针；14．连接柱；15、16．固定孔；17．连接凹槽；18．霍尔元件；19．导磁片

3）为了保护霍尔元件，

可设计一保护电路；

第6期刘荣先:一种非接触式角位移传感器的设计651