霍尔式转速传感器检测原理分析

孙永行

摘 要：本文对霍尔式转速传感器测量装置的结构原理及可能存在的失效点进行分析，并给出可行的磁极检查与安装标准，同时搭建标定装置对传感器进行校验，保证转速测量装置的有效性，提高设备可靠性。

关键词：霍尔效应;转速传感器;磁极检测;标定装置

引言

霍尔式转速传感器利用磁性材料感应磁场变化获取转速信号，结构简单、准确度高。永久磁铁随转子在泵壳内旋转的过程中，可能受到高温和流体撞击等因素影响，导致磁性下降，且磁性材料对磁场的灵敏度有限，实际应用中传感器安装位置与磁极的距离会影响传感器的响应情况。所以霍尔式转速传感器测量装置的预防性检查和安装都需要制定明确标准，以保证设备转速测量的有效性。

1 霍尔式转速传感器结构原理

基于霍尔元件的转速传感器具有无触点、可靠性高、构造简单、体积小、坚固、耐冲击等优点。工程使用的转速传感器基于霍尔效应原理，采用由5～25 V直流电源供电的NPN型三极管，测量范围为0～12000 r/min。

由于霍尔效应，每当转子磁极经过霍尔元件时，霍尔元件开关导通和截止1次，产生1个方波脉冲信号（经过信号处理电路，占空比为50%），由此将转速信号转变为脉冲信号，而脉冲信号由内部电路采集计数，采用频率测量法测出实际转速。其测量原理为：在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。

根据式（1），在霍尔元件已选定的基础上，霍尔电压取决于磁感应强度，NPN型霍尔开关元件的导通和截止需要足够的磁场强度，所以永久磁极磁场强度和安装距离2个因素决定了转速测量的可靠性。

2 转速测量的主要影响因素

2.1永久磁极的磁场强度

永久磁铁是在没有外加磁场下能长久保持自身磁性的物体。根据材料不同，一般可保持10年之久。永久磁铁可用具有铁磁性的物料（如铁、镍等）制成。当受到强磁外力的作用或温度超过其最高工作温度时，永久磁铁的磁性会变弱甚至消失。如果不暴露在这些条件下，永久磁铁仍会失去自身磁性，但这种降解十分缓慢。

在磁体中，假设磁力线（一般为曲线）从S级出发，终止于N级。从S级至N级的磁力线是磁铁表面空间的最短距离。当磁铁A的N级靠近另一磁铁B的S级时，磁铁A和磁铁B的磁力线会发生变化，合成后磁力线会从磁铁B的S级穿越磁铁A的N级，再从磁铁A的S级穿越回磁铁B的N级。测量时，为得到最大的磁场强度，需控制探棒与被测磁极的方向，使磁力线和传感器平面垂直，同时要保证探棒的传感器元件位置与磁极中心接触。

为得到磁极磁场强度正常与否的判断标准，使用高斯计对多个磁极备件和现场磁极进行检测，发现新磁极备件的磁场强度均在160 mT以上，而低于100 mT时传感器可能无法感应到交变磁场。由此制定预检标准：

在每个循环传感器回装阶段，检查磁极磁场强度并与上个循环进行比对，如强度小于130 mT则要求对磁极进行更换;同一磁极如果在相邻2个循环周期内所测的磁场强度偏差大于15 mT，则由技术人员进行分析和评价处理。

2.2 传感器安装位置

除永久磁极自身磁场强度外，传感器与磁极的安装距离也会影响转速测量。传感器和磁极间隙距离A要求在（0.635±0.320）cm范围内。在永久磁极正常的情况下，该标准是厂家根据NPN型霍尔开关导通/截止所需的磁感应强度制定的。如果间隙过大或磁极磁性较弱，都有可能导致无法产生转速信号。

3 标定装置

在确保磁场和安装可靠的情况下，如果能保证传感器的可靠性，就可以确保整个转速测量装置的可靠性。

3.1标定装置方案分析

如果对转速传感器进行标定则需提供交变磁场，使传感器产生脉冲信号以验证传感器的可用性。主要可以通过以下几种方式实现：

（1）利用交变磁场发生器直接产生调频交变磁场。如果对转速传感器进行标定，则需提供频率在0～200 Hz（频率精確到0.02 Hz）范围内连续可调的交变磁场发生器，对电源和变频技术要求较高，仪器采购成本高、设计难度大，可操作性不强。

（2）通过电机带动磁极旋转模拟现场转子和传感器的结构。已有的转速校验台转速可达到5000～6000 r/min，如果再增大转速，校验台振动将明显增加，设备将处于不安全状态。由于该校验台含有变速接口，所以可通过变极和多极磁极在低转速下实现高频交变磁场。转速传感器备件一般附有多极磁盘，如果将该磁盘装在旋转设备上，可满足变极和多极磁极的条件，此方案简单易行。

3.2 标定装置搭建

整套转速传感器标定装置主要包括转速设定装置、电机、校验磁盘、TR400和测量传感器5个部分，电机转速由转速设定装置设定，带动磁盘旋转，测量传感器感应的脉冲信号送往TR400处理和显示，同时TR400由转速设定装置供电。多极磁盘使电机不需要高速旋转就可满量程准确检测传感器。

根据校验磁盘和校验台接口情况，设计加工1个连接部件，能将磁盘和转速校验台组装起来。经过验证，在电机高速转动过程中，校验磁盘被带动高速旋转，振动较小，可接受。ASG汽动给水泵转速传感器测量范围为0～12000 r/min，由于校验磁盘旋转1周可使传感器产生10转信号，达到满量程只需将电机转速设定为1200 r/min。由于磁力线方向垂直于磁盘盘面，通过传感器自带的支架，可将传感器正对磁盘，实现传感器的检查标定。

3.3 标定标准制定

根据故障历史和检修周期，在每个循环传感器回装阶段增加传感器转速检查内容，即使用转速标定装置对传感器进行全量程检查。通过转速设定装置设定转速（0、3000、6000、9000、12000 r/min），记录TR400的显示值并与设定值进行比较，要求偏差在±0.1%范围内。

4 结论

通过对转速测量传感器的研究分析，得出影响霍尔式转速传感器转速测量有两个主要因素是：永久磁极磁场强度和安装距离。针对上述影响因素可制定出一套针对磁极状态的监测标准和安装标准，并制作出一套针对霍尔式转速传感器的标定装置，可有效提高设施的可靠性。且该标定装置具有通用性，可应用于其它类似的霍尔转速传感器。

参考文献

[1]宋海明.工业电气自动化仪器仪表控制[J].装饰装修天地.2019（05）

[2]吴军.工业电气自动化仪器仪表控制研究[J].信息系统工程.2019（01）

[3]喻文焜，宋刚.工业电气自动化仪器仪表控制策略研究[J].中国房地产业.2019（03）