[发明专利]对称互补结构的霍尔差分式测力方法

说明书

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，因此对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测量力的方法，利用霍尔元件能进行微小位移测量的优点，以霍尔元件代替应变片，测量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＝0mT，V_CC＝5V)U₀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U₀；N磁极作用霍尔元件标志面时输出电压低于U₀。设霍尔元件的电压输出系数为K_H，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：

磁感应强度B方向与标志面相反时U=U0+KHB---(1),]]>

磁感应强度B方向与标志面相同时U=U0-KHB---(2).]]>

根据(1)、(2)两式，若两个霍尔元件对称置于圆柱形永磁体两端面的两侧时，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，并使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，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。

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。