CN1028055C - 耐高压隔离式霍尔效应位移传感器 - Google Patents
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Abstract
一种耐高压隔离式霍尔效应位移传感器，它包括有装在非导磁体密封隔离套内的导磁体滑动芯棒，隔离套上装有二块导磁体，在二块导磁体形成的间隙内，左、右分别安装磁钢和霍尔元件、放大器电路板，芯棒在封闭式的隔离套内作轴向运动，改变霍尔元件表面磁感应强度，输出信号经放大后，输出正比于位移的电压值，因此具有强的抗干扰能力、高频响、高精度，并且结构简单，使用可靠，适用于高压容器内的液面、大位移检测。
Description
本发明涉及一种能直接测量位移的可变磁阻传感器。
在国内外现有技术领域中，同类型位移传感器有耐高压差动变压器式位移传感器和滑杆式位移传感器。耐高压差动变压器式位移传感器，其密封性能虽好，但其体积大，制造工艺复杂，后处理电路复杂，制造调试较为困难;滑杆式位移传感器虽结构简单，无需后处理电路，但因存在摩擦，触点和碳膜片寿命较短，故可靠性差，而且由于引线和密封问题较难解决，因此该传感器在重要场合使用以及使用频繁的场合必须定期进行更换。
本发明的目的是在于，采用导磁体芯棒在封闭式外导磁体隔离罩内作轴向运动，从而改变线性霍尔电路表面的磁感应强度来测量位移，解决在高压、大位移环境下，具有高频响、高精度、结构简单，克服现有技术中存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，它有装在非导磁体密封隔离套内的导磁体滑动芯棒，在非导磁体外壳内的隔离套上装有二块导磁体，在二块导磁体下端形成的间隙内，左、右分别装有磁钢和霍尔元件、放大器电路，测量位移时，导磁体滑动芯棒在封闭式非导磁体隔离套内作轴向移动，从而改变线性霍尔元件表面磁感应强度，霍尔元件输出电压的变化量与表面磁感应强度变化量成正比，输出电压经放大器电路放大后，输出正比于位移的电压值。
本发明与现有技术相比其优点是，由于芯棒在封闭式的隔离套内作轴向运动，改变霍尔元件表面磁感应强度，输出信号经放大后，输出正比于位移的电压值，因此具有强的抗干扰能力、高频响、高精度，并且结构简单，使用可靠，适用于高压容器内的液面、大位移检测。
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1.本传感器的结构示意图;
图2.芯棒未进入隔离套孔内时的磁回路;
图3.单霍尔元件磁场分布;
图4.双霍尔元件磁场分布;
图5.芯棒进入隔离套孔内时的磁回路;
图6.单霍尔元件放大器电路原理图;
图7.双霍尔元件放大器电路原理图。
如图1所示，非导磁体密封隔离套2内装有导磁体滑动芯棒1，非导磁体外壳4内的隔离套2上装有二块导磁体6，在二块导磁体6下端形成的间隙内，左、右分别装有磁钢5，和霍尔元件7（可用单霍尔元件7′或双霍尔元件7′、7″），放大器电路（可用放大器电路9或再加前置放大器电路8），并用左、右端盖3、10封住，引出线12安装在右端盖10上，用硅橡胶等粘合剂粘合。外壳4通过紧固螺钉13通过在二块导磁体上端形成的间隙将隔离套2固定。放气塞11用于初装时使隔离套2内气体排出，该塞也可不用。
由于芯棒1与霍尔元件完全隔离，所以在高压环境下，传感器本身不存在密封、泄漏问题，而且位移量范围很大;如图2所示，当芯棒1处于最左端时，磁钢5、二块导磁体6、霍尔元件7形成封闭磁路，磁钢5N极经导磁体6（前）、霍尔元件7和间隙B、导磁体6（后）、磁钢S极形成回路，此时φA≈0，霍尔元件表面磁通密度最大，φH≈φt-φB，霍尔元件处于一个预置的磁场之中，式
中：φA-轴孔处的磁通量;φB-二块导磁体上端间隙B处的磁通量;φH-通过霍尔元件处的磁通量;φt-磁钢表面处的磁通量。
采用单霍尔元件7′放置在N→S磁场之中，如图3所示，当N磁通密度增加时，霍尔元件7′输出电压增加，反之输出电压减小，用图3放置霍尔元件，温度补偿仅在放大器电路中进行，若采用双霍尔元件磁极对置法，则此时霍尔元件输出最大电压值，因将霍尔元件7″S极和7′N极置于N→S磁场之中，如图4所示，当N磁通密度增加时，霍尔元件7″S极输出电压减小，霍尔元件7′N极输出电压增大，差值电压△V增大，如N极磁通密度减小时，霍尔元件7″S极输出电压值增加，霍尔元件7′N极输出电压值减小，差值电压△V减小，温度补偿还能在霍尔元件电路中进行。
当芯棒1由左向右移动时，芯棒进入导磁体6之后，通过霍尔元件7的磁通发生变化，即φH≈φt-φB-φA，磁通路如图5所示，因φA正比与芯棒1横截面积，而横截面积S＝φ×L，式中：φ为芯棒1直径，L为进入导磁体6圆孔内的长度（即位移量）。由此可得霍尔元件表面磁通密度与L成正比，而霍尔元件输出电压与φA成正比，即得到输出电压与芯棒1位移成正比关系。
为了使得传感器输出电压由OV开始，即当芯棒1在最左端时输出电压为OV，当芯棒由左向右移动时，输出电压逐渐增大，达到最右端时输出电压为最大，因此需增加后续放大电路。
如图6所示，霍尔元件7′输出端经电阻R1接集成放大器A2的反相端，电阻R8、R9、电位器RP2构成串联回路，由RP3活动端经电阻R4接放大器A2的同相端，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、温度补偿电阻R7、增益调节电位器RP1、集成放大器A2、积分电容C1、组成放大器电路9，R8、R9、RP2、R4组成调零电路，使放大器在初始位置时输出为OV，R1、R2、R3值决定放大器最小增益。该电路采用单霍尔元件，其输出幅度较小，温度补偿效果不理想，电路增益较大，电路稳定性相应也较差。若采用双霍尔元件磁极对置法如图7所示，霍尔元件7′、7″，其输出端分别经电阻R10、R3接放大器A1的反相端、同相端，电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、温度补偿电阻R16、增益调节电位器RP3、集成放大器A1、积分电容C2组成前置放大器电路8，其输出端经电阻R1与放大器电路9连接。C2用于滤除高频杂波，若调节增益RP3时不影响放大器输出零点，R10、R11、R12值决定放大器最小增益。采用双霍尔元件对置法，两块霍尔元件相互之间也具有温度补偿作用。
由霍尔元件输出的差动信号经差动放大器放大，因霍尔元件性能不可能绝对一致，因此可通过调节放大倍数来加以补偿。第二级放大器带有输出零点调节并反相。放大器零点也可以通过机械调零，即松开紧固螺钉13用改变芯棒1与导磁体6相对位置。
Claims (3)
1、一种耐高压隔离式霍尔效应位移传感器，它包括非导磁体外壳、隔离套、导磁体活动芯棒、导磁体、磁钢和霍尔元件，本发明的特征是：在非导磁体外壳[4]内的隔离套[2]上装有两块能够成封闭磁场的导磁体[6]，在两块导磁体[6]下端形成的间隙内，左、右分别装有磁钢[5]和霍尔元件、放大器电路。
2、根据权利要求1所述的霍尔效应位移传感器，其特征是：霍尔元件[7′]输出端经电阻R1接集成放大器A2的反相端，电阻R8、R9、电位器RP2构成串联回路，由RP2活动端经电阻R4接放大器A2的同相端，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、温度补偿电阻R7、增益调节电位器RP1、集成放大器A2、积分电容C1组成放大器电路[9]。
3、根据权利要求1所述的霍尔效应位移传感器，其特征是：它包括霍尔元件[7′]、[7″]其输出端分别经电阻R10、R13接放大器A1的反相端、同相端，电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、温度补偿电阻R16、增益调节电位器RP3、集成放大器A1、积分电容C2组成前置放大器电路[8]，其输出端经电阻R1与放大器电路[9]连接。
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