專利名稱：耐高壓隔離式霍爾效應(yīng)位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能直接測(cè)量位移的可變磁阻傳感器。
在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中，同類型位移傳感器有耐高壓差動(dòng)變壓器式位移傳感器和滑桿式位移傳感器。耐高壓差動(dòng)變壓器式位移傳感器，其密封性能雖好，但其體積大，制造工藝復(fù)雜，后處理電路復(fù)雜，制造調(diào)試較為困難;滑桿式位移傳感器雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需后處理電路，但因存在摩擦，觸點(diǎn)和碳膜片壽命較短，故可靠性差，而且由于引線和密封問(wèn)題較難解決，因此該傳感器在重要場(chǎng)合使用以及使用頻繁的場(chǎng)合必須定期進(jìn)行更換。
本發(fā)明的目的是在于，采用導(dǎo)磁體芯棒在封閉式外導(dǎo)磁體隔離罩內(nèi)作軸向運(yùn)動(dòng)，從而改變線性霍爾電路表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量位移，解決在高壓、大位移環(huán)境下，具有高頻響、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，它有裝在非導(dǎo)磁體密封隔離套內(nèi)的導(dǎo)磁體滑動(dòng)芯棒，在非導(dǎo)磁體外殼內(nèi)的隔離套上裝有二塊導(dǎo)磁體，在二塊導(dǎo)磁體下端形成的間隙內(nèi)，左、右分別裝有磁鋼和霍爾元件、放大器電路。測(cè)量位移時(shí)，導(dǎo)磁體滑動(dòng)芯棒在封閉式非導(dǎo)磁體隔離套內(nèi)作軸向移動(dòng)，從而改變線性霍爾元件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，霍爾元件輸出電壓的變化量與表面磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量成正比，輸出電壓經(jīng)放大器電路放大后，輸出正比于位移的電壓值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其優(yōu)點(diǎn)是，由于芯棒在封閉式的隔離套內(nèi)作軸向運(yùn)動(dòng)，改變霍爾元件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出信號(hào)經(jīng)放大后，輸出正比于位移的電壓值，因此具有強(qiáng)的抗干擾能力、高頻響、高精度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，適用于高壓容器內(nèi)的液面、大位移檢測(cè)。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。


圖1.本傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2.芯棒未進(jìn)入隔離套孔內(nèi)時(shí)的磁回路;
圖3.單霍爾元件磁場(chǎng)分布;
圖4.雙霍爾元件磁場(chǎng)分布;
圖5.芯棒進(jìn)入隔離套孔內(nèi)時(shí)的磁回路;
圖6.單霍爾元件放大器電路原理圖;
圖7.雙霍爾元件放大器電路原理圖。
如圖1所示，非導(dǎo)磁體密封隔離套2內(nèi)裝有導(dǎo)磁體滑動(dòng)芯棒1，非導(dǎo)磁體外殼4內(nèi)的隔離套2上裝有二塊導(dǎo)磁體6，在二塊導(dǎo)磁體6下端形成的間隙內(nèi)，左、右分別裝有磁鋼5，和霍爾元件7(可用單霍爾元件7′或雙霍爾元件7′、7″)，放大器電路(可用放大器電路9或再加前置放大器電路8)，并用左、右端蓋3、10封住，引出線12安裝在右端蓋10上，用硅橡膠等粘合劑粘合。外殼4通過(guò)緊固螺釘13通過(guò)在二塊導(dǎo)磁體上端形成的間隙將隔離套2固定。放氣塞11用于初裝時(shí)使隔離套2內(nèi)氣體排出，該塞也可不用。
由于芯棒1與霍爾元件完全隔離，所以在高壓環(huán)境下，傳感器本身不存在密封、泄漏問(wèn)題，而且位移量范圍很大;如圖2所示，當(dāng)芯棒1處于最左端時(shí)，磁鋼5、二塊導(dǎo)磁體6、霍爾元件7形成封閉磁路，磁鋼5N極經(jīng)導(dǎo)磁體6(前)、霍爾元件7和間隙B、導(dǎo)磁體6(后)、磁鋼S極形成回路，此時(shí)φA≈0，霍爾元件表面磁通密度最大，φH≈φt-φB，霍爾元件處于一個(gè)預(yù)置的磁場(chǎng)之中。式中φA-軸孔處的磁通量;φB-二塊導(dǎo)磁體上端間隙B處的磁通量;φH-通過(guò)霍爾元件處的磁通量;φt-磁鋼表面處的磁通量。
采用單霍爾元件7′放置在N→S磁場(chǎng)之中，如圖3所示，當(dāng)N磁通密度增加時(shí)，霍爾元件7′輸出電壓增加，反之輸出電壓減小。用圖3放置霍爾元件，溫度補(bǔ)償僅在放大器電路中進(jìn)行。若采用雙霍爾元件磁極對(duì)置法，則此時(shí)霍爾元件輸出最大電壓值，因?qū)⒒魻栐?″S極和7′N極置于N→S磁場(chǎng)之中，如圖4所示，當(dāng)N磁通密度增加時(shí)，霍爾元件7″S極輸出電壓減小，霍爾元件7′N極輸出電壓增大，差值電壓△V增大。如N極磁通密度減小時(shí)，霍爾元件7″S極輸出電壓值增加，霍爾元件7′N極輸出電壓值減小，差值電壓△V減小。溫度補(bǔ)償還能在霍爾元件電路中進(jìn)行。
當(dāng)芯棒1由左向右移動(dòng)時(shí)，芯棒進(jìn)入導(dǎo)磁體6之后，通過(guò)霍爾元件7的磁通發(fā)生變化，即φH≈φt-φB-φA，磁通路如圖5所示，因φA正比與芯棒1的橫截面積，而橫截面積S＝φ×L，式中φ為芯棒1直徑，L為進(jìn)入導(dǎo)磁體6圓孔內(nèi)的長(zhǎng)度(即位移量)。由此可得霍爾元件表面磁通密度與L成正比，而霍爾元件輸出電壓與φA成正比，即得到輸出電壓與芯棒1位移成正比關(guān)系。
為了使得傳感器輸出電壓由0V開始，即當(dāng)芯棒1在最左端時(shí)輸出電壓為0V，當(dāng)芯棒由左向右移動(dòng)時(shí)，輸出電壓逐漸增大，達(dá)到最右端時(shí)輸出電壓為最大。因此需增加后續(xù)放大電路。
如圖6所示，采用霍爾元件7′和電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、溫度補(bǔ)償電阻R7、增益調(diào)節(jié)電位器RP1、電阻R8、R9、零位調(diào)節(jié)電位器RP2、集成放大器A2、積分電容C1組成的放大器電路9，R8、R9、RP2、R4組成調(diào)零電路，使放大器在初始位置時(shí)輸出為0V，R1、R2、R3值決定放大器最小增益。該電路由于采用單霍爾元件，其輸出幅度較小，溫度補(bǔ)償效果不理想，電路增益較大，電路穩(wěn)定性相應(yīng)也較差。若采用雙霍爾元件磁極對(duì)置法如圖7所示，霍爾元件7′、7″經(jīng)電阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、溫度補(bǔ)償電阻R16、增益調(diào)節(jié)電位器RP3、集成放大器A1、積分電容C2組成的前置放大器電路8。C2用于濾除高頻雜波，若調(diào)節(jié)增益RP3時(shí)不影響放大器輸出零點(diǎn)，R10、R11、R12值決定放大器最小增益。該前置放大器電路8與放大器電路9連接，采用雙霍爾元件對(duì)置法，兩塊霍爾元件相互之間也具有溫度補(bǔ)償作用。
由霍爾元件輸出的差動(dòng)信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大器放大，因霍爾元件性能不可能絕對(duì)一致，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來(lái)加以補(bǔ)償。第二級(jí)放大器帶有輸出零點(diǎn)調(diào)節(jié)并反相。放大器零點(diǎn)也可以通過(guò)機(jī)械調(diào)零，即松開緊固螺釘13用改變芯棒1與導(dǎo)磁體6的相對(duì)位置。
權(quán)利要求
1.一種耐高壓隔離式霍爾效應(yīng)位移傳感器，本發(fā)明的特征是，它包括裝在非導(dǎo)磁隔離套[2]內(nèi)的導(dǎo)磁體滑動(dòng)芯棒[1]，在非導(dǎo)磁體外殼[4]內(nèi)的隔離套[2]上裝有二塊導(dǎo)磁體[6]，在二塊導(dǎo)磁體[6]下端形成的間隙內(nèi)，左、右分別裝有磁鋼[5]和霍爾元件、放大器電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應(yīng)位移傳感器，其特征是，它包括霍爾元件7′和由電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、溫度補(bǔ)償電阻R7、增益調(diào)節(jié)電位器RP1、電阻R8、R9、零位調(diào)節(jié)電位器RP2、集成放大器A2、積分電容C1組成的放大器電路〔9〕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應(yīng)位移傳感器，其特征是，它包括霍爾元件7′、7″、經(jīng)電阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、溫度補(bǔ)償電阻R16、增益調(diào)節(jié)電位器RP3、集成放大器A1、積分電容C2組成的前置放大器電路〔8〕，并與放大器電路〔9〕連接。
全文摘要
一種耐高壓隔離式霍爾效應(yīng)位移傳感器，它包括有裝在非導(dǎo)磁體密封隔離套內(nèi)的導(dǎo)磁體滑動(dòng)芯棒，隔離套上裝有二塊導(dǎo)磁體，在二塊導(dǎo)磁體形成的間隙內(nèi)，左、右分別安裝磁鋼和霍爾元件、放大器電路板，芯棒在封閉式的隔離套內(nèi)作軸向運(yùn)動(dòng)，改變霍爾元件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出信號(hào)經(jīng)放大后，輸出正比于位移的電壓值，因此具有強(qiáng)的抗干擾能力、高頻響、高精度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，適用于高壓容器內(nèi)的液面、大位移檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B7/02GK1074034SQ9211233
公開日1993年7月7日 申請(qǐng)日期1992年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月22日
發(fā)明者趙國(guó)軍, 楊華勇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)