基于霍尔元件的液压阀阀芯位移传感器.pdf

2 0 1 1 年 第 3 O卷 第 l 0期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 8 7 基于霍尔元件的液压 阀阀芯位移传感器 顾海东 ，聂 勇 1 ． 中国船舶重工集团公司 第七一五研 究所 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 2 ； 2 ． 浙江大学 流体动 力与机电系统国家重点实验室 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 针对液压阀阀芯位移检测问题 ， 提出了一种基于线性霍尔元件的液压阀阀芯位移传感器结构。 绍了新型耐高压霍尔传感器的结构组成和工作原理 ； 建立了传感器磁场有限元仿真模型， 仿真分析了磁 感应啦发与阀芯位置之间的关系； 最后研制了新型耐高压位移传感器 ， 并进行 了实验研究， 结果表明 在 2 m m范围内传感器的线性度为 1 ％， 可用于比例阀芯位移检测。 关键词霍尔元件； 位移传感器；液压阀；阀芯位移检测 中图分 类号 T P 3 0 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 1 1 0 - - 0 0 8 7 - 0 2 Hy dr a u l i c v a l v e s p o o l d i s p l a c e me nt s e ns o r b a s e d o n Ha l l e l e me nt GU Ha i d o ng ，NI E Yo n g 1 ． T h e 7 1 5 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C S I C， Ha n g z l t o u 3 1 0 0 1 2 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o f F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d Co n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e s o l v e t h e p r o b l e m o f h y d r a u l i c v a l v e s p o o l d i s p l a c e me n t d e t e c t i o n， a s t r u c t u r e o f s p o o l s e n s o r b a s e d o n Ha l l e l e me n t i s p r o p o s e d ． T h e o v e r a l l s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e w i t h s t a n d i n g v o l t a g e Ha l l d i s p l a c e me n t s e n s o r i s p r e s e n t e d ． T h e f i n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e s e n s o r i s mo d e l e d ． T h e r e l a t i o n b e t w e e n ma g n e t i c fl u x d e n s i t y a n d s p o o l p o s i t i o n i s a n a l y z e d ． A n o v e l d i s p l a c e me n t s e n s o r f o r s p o o l i s d e v e l o p e d， a n d t h e e x p e r i me n t i s i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l i n e a r i t y o f t h e s e n s o r i s 1％i n t h e r a n g e o f 2 mm ． t h e s e n s o r c a n b e u s e d f o r t h e p r o p o r t i o n a l v a l v e s p o o l d i s p l a c e me n t d e t e c t i o n ， Ke y wo r d s Ha l l e l e me n t ； d i s p l a c e me n t s e n s o r ；h y d r a u l i c v a l v e ；s p o o l d i s p l a e e me n t d e t e c t i o n 0 引 言 为了抑制比例电磁铁滞环 、 液动力以及摩擦力等于扰 因素的影响， 电液比例阀通常需要对阀芯位置进行闭环控 制 , 2 j 。闭环控制性能很大程度上取决于阀芯位置检测的 精度， 目前 ， 阀 位置检测大多采用位移传感器， 常用的有 差动变压器式位移传感器 L V D T 与电涡流式位移传感 器。L V D T传感器次级线圈采用差动结构线性度好， 结构 简单， 抗干扰能力强； 但频响低不适合快速动态测量。电涡 流式位移传感器频响高、 分辨率高， 工作范围较宽； 但需要 持续激励信号， 后处理电路较复杂 0 。 本文提出了一种基于霍尔元件的液压阀用耐高压阀芯 位移传感器， 采用导套式隔离结构可耐高压， 仿真与试验分 析表明 该位移传感器性能良好， 可满足高压环境下检测位 移测的要求。 1 传感器结构 与工作原理 耐高压霍尔位移传感器为轴对称结构， 由前端盖 、 隔磁 收稿 日期 2 0 1 1 l 6 环、 后端盖、 连接杆 、 永磁体 、 线性霍尔元件等部分组成， 其 结构示意如图l所示。前端盖采用导磁材料 工业纯铁 ， 用于形成工作磁路与屏蔽外部磁场； 隔磁环采用非导磁材 料 黄铜 ， 用于调节磁路结构参数 ； 永磁体 钕铁硼 为工 作磁路提供磁动势； 连接杆用于连接传感器与待测物体 ； 线 性霍尔元件用于检测气隙中的轴向磁场强度。高压流体可 在连接杆与壳体之问的空腔内 自由流动， 壳体与隔磁环焊 接成一体可将内部高压流体与外部空气隔离。 阀芯位移耐高压霍尔传感器的推杆与电液比例阀的阀 芯连成 一体， 阀芯在轴向移动时通过推杆带动永磁体一起 运动 ， 永磁体在壳 体 内的 相对 位置 也 随之变 化 ， 以致前 端 盖、 永磁体、 聚磁盖、 工作气隙 、 后端盖所组成的磁路的磁阻 将发生变化， 从而使得永磁体的工作点沿退磁曲线变化， 最 终聚磁盖与后端盖之间的工作气隙的内部磁感应强度将发 生变化， 通过优化磁路的结构使得永磁体的位移与线性霍 尔元件安装处的磁感应强度呈线性 比例关系 ， 通过线性霍 8 8 传 感 器 与 微 系 统 第3 0卷 尔元件检测得到的磁感应强度可推知永磁体在导套内的位 置， 从而实现阀芯位移检测。 图 1 耐高压位移传感器 结构 Fi g 1 S t r u c t ur e o f d i s p l a c e me nt s e ns or wi t h s t a nd i n g v o l t a g e 2仿真分析 2 ． 1 数 学模型 ] 新型传感器的永磁铁在某一固定位置时， 其内部磁场 为恒定静磁 场 ， 麦克斯韦方程组可写成 以下形式 r VH l ， 1 v ． B 0’ 式 中场量 和源量 均为 不随 时间变 化 的空间 坐标 的函数 。 假设 忽略铁磁材料的磁滞效应； 铁磁材料为各向同性 ； 将 实际问题理想化为轴对称场。传感器为轴对称结构， 故计 算可将三维场问题转换为二维轴对称场。为简化计算 ， 引 入向量磁位函数A为辅助求解量， 设 J J r e ， 则A A e 。 。 采用圆柱坐标 系， 在任 意轴 对称 P， z 平 面内 向量磁 位 A 满足如下方程 专 堕 杀 一 ， c ， 式中A 为 方向的磁位， 为 方向等效传导电流密 度， 肛为磁导率。 设求解 区域为 ， 设空气与传感器外表面的边界为 ， ， 导套、 永磁体 、 后端盖与气隙的边界为 ， 。厂 ， 分别 满足第一类 、 第二类边界条件 A 0 ， 2 旦 H t,P O n 3 根据式 1 ， 式 2 ， 式 3 可建立整个 区域 内的磁场 仿真模型， 求解得到向量磁位 A。 ； 然后由A 可计算得到 B； 最后通过 曰可求解得到 H。 2 ． 2 仿真 实验 在式 1 ， 式 2 ， 式 3 基础上， 建立传感器磁场的有 限元模型， 对传感器的特性进行分析。假设 推杆为非导磁 材料， 对磁场几乎没有影响， 建模时不考虑； 前端盖与后端 盖的连接面加工精度较高 ， 连接处的气隙基本可以忽略， 建 模时将前端盖与后端盖合当做一个元件。图2为连接杆推 着永磁体在 导套内不同位置时的磁力线分布情况。随着永 磁体向右进入导套位置的增加， 永磁体 、 前端盖 、 后端盖 、 气 隙所形成的磁路的磁阻减少， 导套后端与后端盖之间的磁 力线密度增加。 a 0mli l b l 5mm c 3mm a 0mm b 1 ．5mm c 3fi l m 图 2 永磁体在不 同位置 时的磁力线分布图 Fi g 2 Di s t r i b u t i o n o f ma g ne t i c f o r c e l i ne s o f pe r m a n e nt m a g n e t i n d i ffe r e nt p o s i t i o n 图 3为导套 中心线上线性霍尔元件安 装处 的磁感应强 度与永磁体位置之间的关系， 由图可知， 在 0 ． 9- 3 ． 6 r n m的 范围内磁感应强度与永磁体位置之间的线性度好， 0 ． 9 m il l 之前与 3 ． 6 m m之后曲线的线性度较差； 实际工作时取线性 度好 的中间部分作为传感器 的有效测量范 围。 0 ＼ 盟 氆 挺 推 杆 位 置 ／ mm 图3磁感应强度与永磁体位置关 系 Fi g 3 Re l a t i o n be t we e n ma g n e tic i nd u c t i o n W t he p e r ma ne n t ma g n e t p o s i t i o n 3实验研究 3 ． 1 实验 系统 实验系统结构如图4所示 ， 进给机构提供轴向位移， 带 动霍尔位移传感器上的推杆一起运动； 光栅尺精确检测位 移传感器推杆的实际位置 传感器精度 ； 数字式电液控制 器实时采集霍尔线性位移传感器的输出电压与光栅尺输出 的位移信号。 ＼ 实物 图 图 4 霍尔位移传感器特性测试 系统 示意图 Fi g 4 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f Ha l l d i s p l a c e me n t s e n s o r t e s t i n g s y s t e m 3 ． 2 实验 结果 首先进给机构将推杆移至零点位置 ， 然后 进给机构带 下转第 9 2页 l 传 感 器 与 微 系 统 第3 O卷 来越大。传感器的感知距离的距离普遍偏小， 沿铅垂方向 的实际距离与传感器的感知距离之间的偏差比较大， 且斜 面呈现的角度越大 ， 偏差越大， 而与最近的距离的偏差比较 小 ， 且对斜面的角度 的变 化敏感 。可 以用 最近 距离加 以误 差补偿， 获得相对精确的数字量。 ． 根据传感器的测量的数据 ， 取出斜坡段的数据， 拟合出 最佳曲线 ， 求得曲线的斜率， 再利用斜率求出角度。选取了 在斜面呈现2 。 ， 4 ． 5 。 和 7 ． 6 。 时， 将不同传感器之间作对比， 如表 3 。 表 3 不同传感器感知的角度误差 Ta b 3 An g l e e r r o r s e n s e d by di ffe r e n t s e n s o r s 由表3可知， 波束角较小的传感器其误差也较小， 波束 角为5 。 的传感器所感知的斜面角度与实际最为接近。当斜 面的角度较小时， 所有的传感器的误差均较小， 随着角度的 增大， 误差有明显增大的趋势。超声波传感器在校准后， 测 量过程中的误差， 只能通过软件补偿。对斜面的测量中， 误 差补偿可以取误差最小的点， 统一补偿以固定的值 ， 斜面坡 度越大 ， 这一数值应越大 。 4结论 1 超声波传感器与被测面不垂直时， 传感器感知的距 离比实际距离小， 角度越大， 实际距离与检测距离的偏差越 大 。 0； t； ≯ ， 0 t≥ 、 ； 、 0j 上接第8 8页 动推杆从左 向右移动 3 m m， 期 间每隔 0 ． 1 mm记 录一次 阀 芯位移的耐高压霍尔位移传感器 的输出电压。由图 5可 知 ， 在0- 3 ． 5 mm范围量程内， 传感器的输出电压随位移的 增加单调增大； 在 0 2 ． 0 mm测量范围内， 传感器的电压输 出值与理论值的最大误差为 0 ． 0 2 m m， 线性度为 l％； 当测 量范围大于2 ． 0 ra m时， 传感器的非线性误差急剧增大。实 验结果表明 该传感器可直接用于测试行程在2 [ 1 l m内的比 例 阀的阀芯位移 。 图 5 耐高压位移传感器的输出电压 与位置关 系曲线 Fi g 5 Th e s p o o l d i s pl a c e m e nt t he o u t p u t v o l t a g e o f d e t e c t i n g d e v i c e 4 结论 本文分析了新型耐高压位移传感器的结构和工作原 2 超声波传感器的波束角会影响测距， 当超过临界角 后， 传感器已经不能正确感知出被测平面。波束角越大， 临 界角越小。 3 对于同一检测面， 不同超声波传感器在检测时， 波束 角较大的传感器误差相对较大。 4 对于弧形检测面， 超声波传感器在检测时有较大误 差 ， 对表面的变化不甚敏感。 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