具有自检功能的霍尔式速度传感器设计

宁波中车时代传感技术有限公司 杨 敏 陈竹健 陈增贤

具有自检功能的霍尔式速度传感器设计

宁波中车时代传感技术有限公司 杨 敏 陈竹健 陈增贤

本文介绍了一种具有自检功能的霍尔式速度传感器，此速度传感器采用开关型霍尔元件实现测速功能，基于电流的磁效应实现自检功能。文中论述了此速度传感器的工作原理、磁路及电路设计方案，其磁路结构简单，便于实现。并通过工程实例验证了其性能及自检功能。此速度传感器可以实现停车自检功能，有助于机车运行前发现故障，降低了机车运行故障率。

速度传感器；霍尔；自检

1 引言

霍尔式速度传感器灵敏度高、性能稳定可靠，在机车测速领域得到越来越广泛的应用。现有霍尔式速度传感器一般只具备测速功能，没有自检功能。机车在运行前，无法检测速度传感器测速功能及机车速度检测信号链是否正常，如果装配或性能有问题，机车运行前也无法发现。这不利于预防故障的发生，也间接增大了机车运行故障率。并且速度传感器在使用一段时间后，如果要检测测速功能是否正常，需要将速度传感器送回原厂或计量检测中心，安装在专业的测试台上进行功能测试，这给用户的使用、检测造成很大的不便。带自检功能的霍尔式速度传感器实现了停车自检功能，通过机车的自身系统即可实现传感器性能检测，不需要额外的专业测试设备，不但可以检测速度传感器测速功能及机车速度检测信号链是否正常，有助于预防故障的发生，降低机车运行故障率；而且便于速度传感器阶段性检测，大大降低了检测成本。

2 基本工作原理

2.1 理论依据

2．1．1 霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流与磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应1]。霍尔效应原理如图1所示，霍尔电动势可以表示为式1。

图1 霍尔效应原理图

式中：U—霍尔感应电动势；kH—灵敏度系数；I—流过金属或半导体的电流；B—磁感应强度。

2．1．2 电流的磁效应

任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场，其中恒定的电流产生恒定的磁场，交变的电流产生交变的磁场，并且交变电流的频率与交变磁场的频率一致，这种物理现象称为电流的磁效应。本设计主要应用了带磁性物质的多层柱状线圈通电后产生磁场的现象，其磁场理论计算近似为通电螺线管产生的磁场的计算。带磁性物质的多层通电螺线管磁场计算比较复杂，在此不做展开讨论，但其磁感应强度与激励电流之间的相关关系可参考多层空心螺线管轴线上磁感应强度B与激励电流I之间的关系，见式2[1]，多层空心螺线管模型如图2所示。

式中：BZ0—螺线管轴线上距离中心Z处的磁感应强度；μ0—磁导率； n1—螺线管每层单位长度上的匝数；n2—螺线管单位厚度上的匝数；l—线圈长度；I—激励电流；r0—螺线管外径；ri—螺线管每层到中心轴线的距离。

图2 多层空心螺线管模型

2.2 霍尔测速原理

霍尔速度传感器的测速功能主要由开关型霍尔元件实现，其测速原理如图3所示。霍尔元件置于磁钢与测速齿轮之间，磁钢提供恒定的磁场，随着测速齿轮转动，齿顶与齿底交替接近磁钢，改变了霍尔元件周围的磁场，霍尔元件感应变化的磁场，输出不同的感应电动势。当测速齿轮以一定的转速ω旋转时，霍尔元件便产生频率f与测速齿轮转速ω成一定比例的脉冲信号。测速齿轮旋转一周，开关型霍尔元件输出脉冲数等于测速齿轮的齿数N。输出脉冲信号的频率与测速齿轮转速的关系见式3。

式中：f—输出信号的频率，Hz；ω—齿轮转速，r/min；N—齿轮齿数。

图3 霍尔元件测速示意图

2.3 自检功能原理

霍尔速度传感器的自检功能基于电流的磁效应，当用交变电流激励带磁性物质的多层柱状线圈时，线圈两端产生交变磁场，该磁场模拟了齿轮转动引起的磁场变化，可以实现停车自检功能。

图4 自检功能原理示意图

当传感器正常工作时，线圈中没有交流电流通过，霍尔元件感应由齿轮转动引起的交变磁场，输出的脉冲信号的频率与齿轮转速成一定比例。当需要自检时，齿轮不转动，给线圈中输入交变电流信号，使线圈产生交变磁场，霍尔元件感应后输出与交变电流信号频率一致的脉冲信号，再经信号处理电路输出方波信号，当输出方波信号的频率与输入线圈的交变电流信号频率一致时，则可确定传感器功能正常，否则传感器功能异常。

3 产品设计

3.1 总体方案

本设计的速度传感器主要由磁感应电路、自检功能模块、线路板、外壳组成。磁感应电路核心器件是开关型霍尔元件，线路板主要用于信号处理及电源防护，外壳主要用于放置以上功能模块，并方便安装。传感器功能框图如图5所示。

测速齿轮转动改变了霍尔元件周围的磁场，霍尔元件感应变化的磁场，输出不同的感应电动势，再经过信号处理电路，输出方波信号。由方波信号的频率和测速齿轮齿数即可以换算出转速，实现测速功能。激励信号是交变的电流信号，由其激励自检功能模块即可产生交变磁场，模拟齿轮转动引起的磁场变化，同样的经霍尔元件感应、信号处理，输出频率与交变电流信号频率一致的方波信号，实现自检功能。

图5 总体方案功能框图

图6 磁路设计的机-电模型

3.2 磁路设计

传感器自检磁路及测速磁路采用一体化设计，磁路设计的机-电模型如图6所示。霍尔元件一侧是测速齿轮，另一侧装有磁钢，磁钢后有铁心，磁钢及铁心外侧绕有线圈，通过线圈的两根引线给其提供交变电流信号i，该通路有开关S。磁钢给霍尔元件提供恒定的磁场，通过外加直流电源E给霍尔元件提供一定的工作电流，霍尔元件内部集成了霍尔半导体、小信号放大电路、电压比较电路，可直接输出脉冲信号。测速齿轮一般为标准渐开线齿轮，材料为低碳导磁钢。

当测速系统工作时，线圈回路开关S需断开，随着测速齿轮转动，齿顶与齿底交替接近磁钢，当齿顶接近磁钢时，起到磁力线聚拢作用，穿过霍尔元件的磁通增大，霍尔元件中霍尔半导体的感应电动势相应增大；当齿底接近磁钢时，相对齿顶接近磁钢时磁力线比较分散，穿过霍尔元件的磁通减小，此时霍尔元件中霍尔半导体的感应电动势相应减小。经过霍尔半导体内部集成电路处理后输出脉冲信号。

当自检系统工作时，测速齿轮静止不动，将线圈回路开关S闭合，用交变电流信号i激励线圈，由于交变电流有正有负，根据安培右手定则，可以判断线圈两端会产生交变的磁场，该磁场与磁钢产生的恒定磁场叠加，霍尔元件处于交变的磁场中，霍尔半导体的感应电动势也相应变化，经过霍尔元件内部集成电路处理后输出脉冲信号。通过比较输出脉冲信号的频率是否与交变电流信号的频率一致，判断传感器性能是否正常。

可以将线圈回路的开关设计到机车控制系统中，方便使用者根据需要决定是否运行速度传感器的自检功能。

3.3 电路设计

本设计的电路部分由电源电路、霍尔元件感应电路、信号处理电路及输出防护电路组成。电路原理框图如图7所示。

图7 电路原理框图

电源电路实现DC-DC转换为后为霍尔元件提供电源。

霍尔元件感应电路及信号处理电路如图8所示。霍尔元件感应电路部分主要由霍尔元件BH及去耦电容C1组成。本设计采用的霍尔元件输出级为集电极开路输出，需要在其输出端接上拉电阻，信号处理电路主要包含滞回比较器电路及参数调整电路，将霍尔元件感应电路输出的信号调整为符合出符合一定参数要求的方波信号。其输出信号的技术指标一般要求：高电平≥0.8Vcc（Vcc为电源电压），低电平≤1V，上升时间和下降时间≤10μs，驱动能力为-10mA～10mA，占空比50%±10%。

本设计选用一款轨到轨输出运放，供电范围4.5V～36V，输出短路电流-30mA～36mA，压摆率20V/μs，带宽10MHz。一方面该运放组成滞回比较器，使输出信号稳定，提高电路抗干扰性能；另一方面对输出方波信号的高低电平、上升下降时间、驱动能力进行调整，使各项激素还指标满足要求。滞回比较器的回差电压主要与R2和R3有关。

图8 霍尔元件感应电路及信号处理电路

输出防护电路一般采用在输出端到两个供电端分别接一个开关二极管，将输出信号幅值限定在-0.7V到Vcc+0.7V范围内，当信号端有瞬态干扰时，开关二极管起作用，将干扰信号泄放。

3.4 测试结果

通过测试，本方案设计的传感器主要性能指标如表1所示，自检性能如表2所示。自检功能测试波形如图9所示。

表1 传感器性能测试

表2 传感器自检性能

图9 自检功能测试波形

4 总结

本设计方案的速度传感器基于霍尔效应及电流的磁效应，在测速的基础上实现了自检功能，建立了自检功能磁路的机-电模型，为带自检功能的霍尔式速度传感器的研究提供了科学依据。自检功能的成功应用有助于预防机车故障的发生，降低机车运行的故障率，也便于速度传感器阶段性检测。经测试各项性能指标满足要求，证明设计可靠，设计方案可行，且该方案结构简单紧凑，便于装配，可靠性高，可实现批量生产。

[1]唐文彦．传感器[M]．北京:机械工业出版社出版社,2006:90-94．

[2]王华军,李宏福．螺线管中磁场的计算[J]．四川化工学院学报,1999,12(04):23-25．

杨敏（1989—），女，山西人，电子工程师，主要从事传感器研发工作。

陈竹健（1985—），男，江苏人，电子工程师，主要从事传感器研发工作。

陈增贤（1986—），男，浙江人，结构工程师，主要从事传感器研发工作。