专利名称：对称互补结构的霍尔差分式测力方法
技术领域：
本发明涉及一种对称互补结构的霍尔差分式测力方法，属传感器与测量技术领 域，主要用于力的非接触式测量。
背景技术：
常用的测力传感器大都采用应变片作为敏感元件，其方法是将多个应变片固定 在弹性体上，应变片构成惠斯登电桥电路，当应变片随弹性体形变时，应变片的电 阻数值发生变化，实现力学量到电学量的转换。这种应变式的方法应用已久，目前 力传感器主要采用这种方法。应变式的缺点是敏感元件与弹性体直接接触，弹性体 变形较大时会造成应变片永久性损坏，因lt树弹性体的变形有较高要求，属接触式 的测力方法。
专利号为200320131487. 4，名称为"霍尔式力传感器"的专利文件中公开了采 用单个线性霍尔元件来实现须糧力的方法，禾拥霍尔元件能进行微小位移观糧的优 点，以霍尔元件代替应变片，领糧弹性体的形变从而实现力的测量。分析发现，这 种方法有很大的局限性，对磁体的尺寸要求高，尤其是当磁体或霍尔元件旋转时， 不能消除非线性因素的影响，因此只适应于弹性体的小位移的线性变化。另外霍尔 元件固定在弹性体上，没有真正实现非接触式测量，应用受到限制。
发明内容
本发明采用了两个线性霍尔元件作为敏感元件，用来取样圆柱形磁体的磁场变 化获取信号。霍尔元件由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器 组成，输出电压与磁感应强度B成正比。因霍尔电压经放大器处理，静态输出电压 (B二0mT， Vf5V) U。为电源电压的一半。S磁极作用霍尔元件字符标志面时，输出 电压高于U。； N磁极作用霍尔元件标志面时输出电压低于U。。设霍尔元件的电压输 出系数为KH，根据霍尔效应和霍尔元件的设计特点，霍尔元件输出特性可表示为
3磁感应强度"方向与标志面相反时 "="。+《^万 (1)，
磁感应强度"方向与标志面相同时 《h万 (2)。
根据(l)、 (2)两式，若两个霍尔元件对称置于圆柱形永磁体两端面的外侧时，
磁场变化时其输出电压将发生变化，变化规律与霍尔元件标志面的方向相关。
本发明目的是提供一种以非接触式精确测量力的方法，该方法具有良好的线性
度和较高的灵敏度。
为了实现本发明的目的，本发明所提供的对称互补结构的霍尔差分式测力方法 包括下述步骤
(1) 取一圆柱形永磁体，把圆柱形永磁体固定于一弹性体上；以圆柱形永磁
体的中心为对称点，将两个线性霍尔元i牛对称置于圆柱形永磁体的两端面的外侧且 不随弹性体移动，使两个线性霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁
体的两个端面，然后把两个线性霍尔元件J妾入到测量电路中；
(2) 对(1)中的弹性体施加力F，使圆柱形7lc磁体产生位移变化，记录两个
线性霍尔元件的输出电压差值，电压差值以AU表示；
(3) 将(2)中得到的AU的数值代入公式Al^AU。+2KF中就可求得所施加的力 F的数值，式中AU。为两线性霍尔元件的静态输出电压差值，K为线性系数。
两个线性霍尔元件的敏感中心位于圆柱形永磁体的轴线上。 所述弹性体为在力的作用下发生弹性形变，并遵循胡克定律的任意弹性体。 所述圆柱形永磁体的端面的面积大于或等于线性霍尔元件的字符标志面的面积。
对称互补结构的霍尔差分式测力方纟去，采用对，尔置于圆柱形永磁体的两端面的 外侧,两个线性霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面， 两个线性霍尔元件的敏感中心最好位于圆柱形永磁体的轴线上。
圆柱形永磁体固定在弹性体上，并在力的作用下随弹性体产生位移变化，使圆 柱形永磁体与两霍尔元件之间产生相对位移，测量系统失去对称性，引起磁场的变 化， 一个霍尔元件与圆柱形7JC磁体的一个端面距离加大，即作用该霍尔元件的磁感 强度削弱，霍尔元件的输出电压将减小。而另一个霍尔元件与圆柱形永磁体的另一个端面距离减小，即作用该霍尔元件的磁感强度增强，霍尔元件的输出电压将增大。 作用于霍尔元件的有效磁感强度发生变化，霍尔元件产生的霍尔电压就发生变 化，艮卩力一位移变化一磁感应强度变化一霍尔电压变化的转换，实现力的非接触 式测量。
两霍尔元件的输出电压差值作为信号输出，因此具有差分输出的特点，不仅能 够抵消直流成分和零点温度漂移，还能抑制共模干扰，提高测量的精度。
对称互补结构不仅能够抵消转角非线性变量的影响，还能提高输出信号的幅度， 这种测量方法能够改善输出信号的线性度和灵敏度。
由于圆柱形7，磁体固定在弹性体上，随弹性体运动，霍尔元件固定不动，以磁 敏式获取力的信息，因此属于非接触式的力测量，可靠性高。对称互补结构的设计， 能够适应目前应用的各种类型的弹性体。
从以上叙述中不难得出本发明有以下优点
(1) 具有良好的线性度和较高的灵敏度；
(2) 器材造价低、应用方便、接口简单，便于与各种弹性体构成力传感器。
图1是对称互补结构的霍尔差分式测力方法测量模型示意图，虚线框内的模型
结构部分简称为M。其中l为霍尔元件Hn 2为霍尔元件H2; 3为圆柱形7乂磁体；霍
尔元件ft和H2分别固定于支撑件(4、 5)上。霍尔元件K和霍尔元件H2均为线性霍 尔元件，以圆柱形7乂磁体的中心为对称点，将霍尔元件H,和霍尔元件H2对称置于圆 柱形永磁体3的两端面的外侧，霍尔元件a和霍尔元件H2的标志面均朝下，霍尔元 件H,和霍尔元件H2的标志面平行于圆柱形7JC磁体3的两个端面，两个线性霍尔元件 的敏感中心均位于圆柱形永磁体3的轴线上。圆柱形永磁体3的端面的面积大于任 一个霍尔元件标志面的面积，当然也可以等于标志面的面积。x-y为正交坐标系， 圆柱形7乂磁体3的中心位于坐标原点，y轴垂直于霍尔元件H，和霍尔元件H2的标志 面；霍尔元件H、霍尔元件H2到磁体中心的距离均为Y; B表示圆柱形永磁体3的 磁感应强度。
图2是消除转角非线性因素影响的原理图，圆柱形7乂磁体3在y轴方向未发生位移，仅磁感应强度B的方向相对于y轴旋转9角度。
图3是测量方法原理示意图，在M的基础上增加弹性体和力传递装置，图中6 为力传递装置；7为弹簧弹性体；F为施加的作用力。圆柱形永磁体3固定于力传 递装置6上，弹簧弹性体7的一端固定于支撑件5上，另一端固定于力传递装置6 上。假设圆柱形永磁体3在力F的作用下仅随弹性沿y轴方向移动，位移的大小为 yc
图4是圆柱形永磁体同时发生位移和偏转时力的测量方法原理图，图中AP为等 截面的弹性体，A端固定、P端自由，7jC平放置，构成一长度为L的弹性悬臂梁系 统。M与悬臂梁系统构成一力测量装置，圆柱形永磁体3固定于梁上C点，C点到P 端的距离为/，在P端施加的垂直向下的作用力F。在力F作用下，悬臂梁将发生弹 性弯曲，圆柱形7乂磁体将在垂直方向发生位移，同时磁感应强度B的方向会发生偏 转。
图5是测量电路的原理图，图中a、 H2为线性霍尔元件，1、 2、 3为引脚序号； Ec为5V直流电源，霍尔元件ft和霍尔元件ft的1脚连接电源正极，霍尔元件比和 霍尔元件H2的2脚连接电源负极；霍尔元件H和霍尔元件H2的3脚为信号电压输出 端，信号电压分别用比、1]2表示；AU为差分信号输出。
具体实施例方式
1、力的测量模型结构与工作原理
参见附图l，对称互补结构的霍尔差分式测力方法模型结构如图M部分，霍尔 元件压和霍尔元件H2对称置于圆柱形永磁体3的两端面的外侧，霍尔元件H)卩霍尔 元件H2的敏感中心与圆柱形永磁体3的中心在同一轴线上，霍尔元件Hi和霍尔元件 H2的字符标志面朝向一致，都朝向y轴反方向且与y轴垂直。圆柱形7JC磁体3的中 心位于坐标原点上，y轴与圆柱形永磁体3的轴线一致，初始状态下，霍尔元件& 和霍尔元件H2与坐标原点的距离均为Y。霍尔元件Hi和霍尔元件比分别固定于支撑 件(4、 5)上，设作用于霍尔元件H,和霍尔元件H2的有效磁感应强度为B，霍尔元 件&和霍尔元件H2的电压系数为Kn，考虑霍尔元件的静态输出的差异，霍尔元件
6ft的静态输出电压为U。"霍尔元件H2的静态输出电压为U。2，由于霍尔元件的标志
面均与磁场方向相反，根据(1)式，
霍尔元件H2的输出电压方程为 ^"/。,+7^5 (3);
霍尔元件H,的输出电压方程为 仏=^+^,^ (4);
霍尔元件H2和霍尔元件H,输出电压差为df/=^—〃, = c^-"。,=d〃。 (5)。
(5)式说明，初始状态下测量模型的输出电压等于霍尔元件的静态输出电压之 差AU。，与磁感应强度无关。这种对称互补结构能够消除直流成分，具有差分的特征。
2、 磁体仅发生偏转时，非线性变量消除原理
参见附图2，假设圆柱形7乂磁体3仅以对称中心相对X轴偏转角度6，在y轴
方向未产生位移。磁感应强度B在y轴方向的分量为By， By为作用于霍尔元件^和 霍尔元件H2的有效磁感应强度，则B, B C0S6，根据(3)、 (4)两式， 霍尔元件H2的输出电压方程为^=~+a、&。w (6); 霍尔元件H,的输出电压方程为仏+7^&。w (7): 霍尔元件H2和霍尔元件^输出电压差为zW^^-t/,f^-(8)。
(8)式与(5)式相同，表明输出电压差与转角9无关，尽管By呈非线性变 化，但这种对称互补结构的差分式输出能够抵消转角的非线性影响。
3、 磁体仅发生位移时力的测量方法原理
参见附图3，在M的基础上增加弹性体7和力传递装置6，设弹性体7的弹性系 数为Ky，力F通过力传递装置6作用于弹性体7，沿y轴在力F的方向上产生的位 移量为y，则圆柱形永磁体3与霍尔元件H,和霍尔元件H2的距离分别变为Y+y、 Y-y ， 根据对称性和电磁学的理论，磁感应强度的变化量为AB，作用于霍尔元件H2有效磁 感应弓鹏为(B+AB)，作用比有效磁感应强度为(B-AB)，根据(3)、 (4)式，
霍尔元件H2的输出电压方程为^ = c/股+ atw (s + d巧； 霍尔元件H,的输出电压方程为"，=〃。,+《//(s-zl场；
霍尔元件H2和霍尔元件K输出电压差为zlt^^-",l'。 + !^S (9)。
根据电磁学的理论，离开磁体表面一定距离范围，磁场存在线性区域，磁感应强度的变化量可表示为 /li =A> (10)，
(10)式中K,为线性系数，y为位移变化量。由(9)、 (10)两式得
=」f/。十i7^/^, (11)。 (11)式表明，AU与位移的大小成正比，为线性关系，能够实现位移与电压 的统性变换，说明对称互补结构的测量模型能够进行小位移的测量。 根据胡克定律，弹性体发生弹性形变时，力F与位移y的关系为
F4,y (12)，
将(12)式代入(11)式得 zlf/ =df/。+2^^F (13)。
〖，
(13) 式表明，AU与弹性系数Ky成反比，改变弹性系数的大小可以改变力的 测量范围。因Kh、 1d、 Ky均为常数，若令^=^1，则电压差与力的关系为
〖y
zic/ =甜。(14)。
(14) 式表明，AU与待测F的大小成正比，为线性关系，实现了力与电压的 线性变换，这就是测量方法的原理根据；同时也说明电压变化量是单个霍尔元件输 出电压变化的两倍，对称互补结构能够提高输出信号电压幅度，有利于提高测量系 统的灵敏度。
4、磁体同时发生位移和偏转时力的测量方法原理
参见附图4， M与悬臂梁系统构成一力测量装置，在P端施加的垂直向下的待测 F。在力F作用下，悬臂梁将发生弹性弯曲，圆柱形7乂磁体3将在垂直方向发生位 移y，同时磁场方向相对垂直方向产生偏转，设转角为9。
根据工程力学对悬臂梁的分析，AP弯曲构成一挠曲线，设悬臂梁的冈岐为EI，
在小转角情况下，C点产生的位移等于挠曲线的挠度y =(」L+ 1)F ，对确定
6EI 2EI 3EI
点C和等截面悬臂梁，式中L、 /、 EI均为常数，令Kp-^-^+i^，贝陏
6EI 2EI 3EI
j"(五77 (15)。转角也会引起磁场方向变化，磁感应强度B在垂直方向的分量为B, B cose，
因位移产生磁感应强度变化量为AB = Id y，作用ft的有效磁感应强度为By-AB，作 用H2的有效磁感应强度为By+AB，根据(3)、 (4)两式， 霍尔元件H2的输出电压方程为￡/2 = 〃氾+《w (S, + ，
艮卩"2 = Z7氾+ (Scos(9 +《,"； 霍尔元件a的输出电压方程为仏=〃 +&、，,，/1^ ,
艮卩+^^(^0 ^ —《,力； 霍尔元件H2和霍尔元件^输出电压差为」f/ =JZ7。+2Z^w《,7 (16)。
根据(15)、 (16)两式得Zl〃 -Zlt^ + ^^wfr^^F,因Kh、 K,、 Ke均是常 数，令《=^&& ，则电压差与力的关系为
zlZ7 = ，。 (17)。
(14)与(17)两式具有相同的 式，以上分析结论是AU与待测F的大 小成正比，为线性关系。说明圆柱形永磁体3同时发生位移和偏转时，转角因素不 会影响线性度，这种对称互补结构的测量模型和霍尔差分式输出，适应发生弹性形 变的任意弹性体，这种测量方法具有适应面广的特点，不仅可用于力的测量，还可 用于位移的测量，可与各种弹性体结合设计不同类型的力传感器。 5、测力方法电路原理
测量电路原理参见附图5，图中H,、 H2为线性霍尔元件，l为霍尔元件的电源正 引脚，2为霍尔元件电源负引脚、3为霍尔元件的信号电压输出引脚；K为5V直流 电源，霍尔元件比、霍尔元件H2的1脚连接电源正极，2脚连接电源负极；霍尔元 件H:、霍尔元件H2的输出信号电压分别用仏、U2表示；AU为模型的差分电压信号
9输出。
根据(14)、 (17)两式，差分电压信号输出方程为4"=」"。+2/<F ，力F
与AU的关系为,，-气式中AU。为F=0时的初始输出电压；K为常数，可
通过实验计算得到其数值， 一旦测量系统确定，两者均为常数。因此只要测出AU
的数值就能确定F的大小，实现力的测量。
对称互补结构的霍尔差分式测力方法，是一种非接触式测力方法，对称互补结 构的测量模型适应遵循胡克定律的任意弹性体，测量方法具有应用范围广的优点， 不仅可用于力的测量，还可用于小位移的测量。差分式电压输出不仅能够抑制共模 干扰和零点温漂，还能直接与测量放大器接口，方便二次开发。本方法涉及的电路 系统仅由两片线性霍尔元件构成，可与各种弹性体组合，以位移作参变量实现力的 非接触式测量。
权利要求
1.一种对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于包括下述步骤(1)取一圆柱形永磁体，把圆柱形永磁体固定于一弹性体上；以圆柱形永磁体的中心为对称点，将两个线性霍尔元件对称置于圆柱形永磁体的两端面的外侧且不随弹性体移动，使两个线性霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面，然后把两个线性霍尔元件接入到测量电路中；(2)对(1)中的弹性体施加力F，使圆柱形永磁体产生位移变化，记录两个线性霍尔元件的输出电压差值，电压差值以ΔU表示；(3)将(2)中得到的ΔU的数值代入公式ΔU＝ΔU0+2KF中就可求得所施加的力F的数值，式中ΔU0为两线性霍尔元件的静态输出电压差值，K为线性系数。
2. 根据权利要求1所述的对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于 两个线性霍尔元件的敏感中心位于圆柱形永磁体的轴线上。
3. 根据权利要求1所述的对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于 所述弹性体为在力的作用下发生弹性形变，并遵f盾胡克定律的任意弹性体。
4. 根据权利要求1所述的对称互补结构的霍尔差分式测力方法，其特征在于 所述圆柱形永磁体的端面的面积大于或等于线性霍尔元件的字符标志面的面积。
全文摘要
本发明公开了一种对称互补结构的霍尔差分式测力方法，包括下述步骤(1)取一圆柱形永磁体固定于一弹性体上，将两个线性霍尔元件对称置于圆柱形永磁体两侧且不随弹性体移动，使两个霍尔元件的字符标志面朝向一致且平行于圆柱形永磁体的两个端面，然后把两个霍尔元件接入到测量电路中；(2)对(1)中的弹性体施加力F，使圆柱形永磁体产生位移变化，记录两个线性霍尔元件的输出电压差值，电压差值以ΔU表示；(3)将(2)中得到的ΔU的数值代入公式ΔU＝ΔU<sub>0</sub>+2KF中就可求得所施加的力F的数值，式中ΔU<sub>0</sub>为两线性霍尔元件的静态输出电压差值，K为线性系数。该方法具有良好的线性度和较高的灵敏度。
文档编号G01L9/14GK101539463SQ20091002070
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者邱召运 申请人:邱召运