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霍尔液位测量传感器的设计与应用

作者：单丹日期：2015-12-14 10:35 来源：未知

【文章摘要】
针对电阻式液位传感器的不足之处，我们设计了一种利用霍尔器件作为传感元件的液位测量传感器，对霍尔式液位传感器的设计做了简单的介绍，对霍尔式液位传感器的工作过程和工作原理进行了讨论。
【关键词】
霍尔；液位；传感器
前言
一般的液位传感器部件是采用“浮子杠杆机械+电刷接触+厚膜印刷电阻”的解决方案，其等效作用是一个可调电阻，它的阻值变化对应液位状况，为保证电阻的精度，在制作工艺上要从严控制；为保证接触的有效性，电极材料的选取，机械电刷材质及与电极磨擦压力，燃油等对触点、电极的腐蚀，机械接触寿命等有众多考量。鉴于传统液位传感器采用机械接触的方案，往往造成在现实环境中使用一段时间后，液位传感总存在失效个案(接触失效：电极，触头腐蚀或接触压力降低)。基于这种情况，以非接触器件取代机械电阻将是必然的趋势，采用霍尔效应进行非接触测量的霍耳传感器比现在颇具竞争力的光电技术更能较好地适用于一些较恶劣的环境，如：在受灰尘、温度、振动及其它与环境相关因素影响的场合。而霍尔式液位传感器是利用霍尔效应实现液位的测量。将液位的下降位移转化为磁场的变化，变化的磁场作用与霍尔元件，产生霍尔电压输出。霍尔传感器的无接触测量弥补了机械接触测量的摩擦失效，实现无寿命，高精度和可靠性，耐恶劣环境等优势。
1 霍尔元器件的选择
我们采用 austriamicrosystems 公司的AS5040霍尔集成片上系统。它能提供0～360度的角度输出，能提供绝对角度输出模式，采用10位编码，达到每步0.35 度的精度，采用 3.3V 或 5V 供电，能工作在-40℃～125℃的工作范围内。整个芯片尺寸为 5.3mm×6.2mm。由于测量精确，可靠性高，并能在恶劣环境下工作，AS5040在汽车工业市场也得到认可，被应用于方向盘角度探测、变速箱位置传感和反向电刷控制等设备中。

2 磁铁选取与安装
使用直径为6mm，高为3mm的永磁铁，最大磁感应强度在 45mT 到 75mT 之间。磁铁的旋转轴与浮子杠杆机械的输出轴相连接。为提高输出的线性度，转轴中心落在芯片中心附近半径为0.25mm的圆内。磁铁与芯片间距为 0.5mm到 1mm。
3 霍尔传感器的工作原理
液位霍尔传感器的原理图如图3所示，整个传感器是一个曲柄滑块机构，机构在同一平面（x-y 平面）内，其中：

（1）1为浮子杠杆机械，随着油位作升降运动。
（2）a、b、c、d 及霍尔元件组成曲柄滑块机构，其中a、b和c组成曲柄机构，d与霍尔元件组成滑块机构。机构间的连接副为：a与浮子杠杆机械1为转动副连接；a与b为一体结构且相互垂直，在拐角处有一转动副，转动副将整个机构固定；b与c、c与d均采用转动副连接且 b=c，d 与霍尔元件连接为一体。
（3）磁铁3和6的N、S极相反，置于两边固定，用磁导率优良的电工纯铁制成磁路2和4。在气隙中形成左右两半方向相反的强磁场。
（4）霍尔元件5置入气隙中间，元件呈长方片形，再其四个边上有四个电极，其中一对电极上通以直流电流，另一对电极为输出端。
4 霍尔传感器的工作过程
被测位移作用在霍尔元件上，初始位置时霍尔元件处于气隙的几何中心，左右两半边的磁场方向相反且对霍尔元件的作用面积相等，输出端的电势为零。当发生位移Δx后，输出的电动势EH 与位移x之间在距起始位置左右约2mm的范围内有很好的线性关系。在此范围内一般可以有大于 3×10-2T/mm的磁感应强度梯度，因此，位移产生的霍尔电势可达30mV/mm上。我们在实际操作中可以将位移控制在0.5mm到 1.5mm之间。
5 结论
霍尔液位传感器是利用霍尔效应实现液位的测量。将液位的下降位移转化为磁场的变化，变化的磁场作用与霍尔元件，产生霍尔电压输出。霍尔传感器的无接触测量弥补了机械接触测量的摩擦失效，实现无寿命，高精度和可靠性，耐恶劣环境等优势。霍尔器件以其“无接触检测”正以高可靠性、高精度、长寿命、耐恶劣环境等极大的优势得到电子业界的推崇，并在未来必将成为无接触检测式传感器的主流。
【作者简介】
单丹（1982-），男，江苏泰州人，扬州工业职业技术学院，讲师/工程师，南京大学电子科学与技术专业在读博士，主要研究方向：电子科学与技术