霍尔式铁金属检测装置.pdf

1男巧年第5期(Nb . 5 . 1臾巧) 传感器技术 (J o 切ma l o f Tr a 在范比笼rT沈h I犯f og y ) 霍尔式铁金属检测装置 鲍鸿 王春枝 (广东工业大学) (湖北工学院) 摘要具体地分析了由线性集成霍 尔元件为测量传感 器的铁金属检测装置的 构 成方法和工作 原理 , 提出克服零点漂移的自动修正方法 . 同时 阐述用MC S一5 1单片机构 成智能检测系 统的原理 , 并给出系统的程序流程图 . 关扭词金属检测霍尔式传感器智能仪表单片机 St ady on t h e Ferr o us M et a lSu r v eyUsingt h e H all Sen s o r Ba o H ong ( G皿n g d皿gU 城粉玲it y o fT e chl lu l o g y ) W ang Chu n zhi 似 u加1 I n s t it ot eo fTe c l l如010 9 刃 A加t r a et T七ede signf ea su r ean d th e ba siepr i n eiPleofthe f e r r o 那 m e t a l s ur- v e y ar ea n a ly se din 少t a il , w h iehu se s a lin eint e grate d H al lehiP a s th e su r v ey sen so r . An d a m e thod of t h eau to一c orr eCti onofthe z er o 一v ol ta罗15Pu t f o rwa rd T he auto一e o r r e c tio n 1 5don eby a MC S 一51 single一 c h i P 而c r o c om Puter w h ic hi s th e c or e of t hi s int e llig e nt in stru 力。

en t an d the b l o c k 一diag ram s ofth esy st e m ar e giv e no ut . K ey W or ds M etals u r v e yH al ls en so r In t ell i gent in str u m e n t S in gl e一c hiP 而c r o eo mPut e r 0 引言 目前 , 金属检测 方 法有 很 多 种 , 如X射 线 、 电涡流等方法 . 它们大 多结 构复 杂 、 价格 昂 贵 , 多用于测量精度要 求 较 高的场 合 . 对于 一 般工业环境 , 我们寻求 一种 简单 、 价廉的检测方 法 . 随着大规模集成电路的发展 , 出现了集成型 的线性霍尔元件 , 它们不仅保留了霍尔 元件 原 有的优点 , 增加了抗温 漂措施 , 同时使用户使用 方便 . 采用霍尔传感器进行 铁 金属检测是一种 低成本 、 高精度的测量方法 . 本文利用线性集成霍尔元 件做为测量传感 器对铁金属进行定性和定量测量 , 其检测 的最 小物体可小 至3 n nn 钢 珠 , 测 量 距 离 范 围 为 Z a 旧 门 MC S 一51 单片机做为检测装置的运算和 控制部 件对检测结果进 行分析 , 并 按 给定的标 准显示铁金属物体的大小级 别 . 采用软 件方 法 对零点漂移误差进行 自动修正 . 解 决了霍 尔元 件零 点漂移大的问题 , 有 效地 提 高了装 置的稳 定性和准确性 。

1 粗尔式传感器 1 . 1 线性霍尔集成元件 U GN 35 0 .1是 美 国Spr agu e 公司生产的集 成型线性霍尔元件 . 它将硅霍尔元件 、 高增益线 性差动放大器 、 差动射极跟 随输出与恒 流源集 成为一体 , 为用户 提供了一个由外 电压源驱 动 、 使用方便 的磁敏元件 . 同时 , 内部的 补偿电 传感 器技术 19 96年 路和设置的外调整输入端使其温度误差和零位 误差得到较大的改善 . 图1所示为UG N350 1线性集成霍尔元件内 部框图和外 部电路典型连接图 其中 , 5 、 6 、 7端 为输出失调调零输人端 , W 的典型 值为2 0 Q , 为 提高线性测量范围及 大范围调零 , 可在5和6 端各 接人10 0 几电阻 整个调零电阻也可用一 个ZOO Q的精密可变电阻代替 根据霍尔原理和霍 尔元件的输出电压U与 于霍 尔元件 背 后 , 为霍尔 元 件 提供一偏 磁 磁 场 , N极面对霍 尔元 件的感 磁面 霍尔 元 件距 磁极3m ln 刃 当没有 铁金属通过时 , 磁路呈开放 型 , 此时霍尔元件感受到一微弱磁场 当有铁金属 通过霍尔元件上方时 , 铁金属受磁场磁化 , 感应出 上N下S的磁性 , 使通过霍尔元件 表面的磁通量 增加 , 磁场强度增加 。

增加的大小与铁金属物质与 磁极相对表面的面积有关 , 且与铁 金属物 质距 磁极的距离有关 当限定 该距离后 , 磁 场的变化 就取决于铁金属物质的大小 最 终 , 导致霍尔元 件输出电压的变化 ⋯ 酉徘仁 l {军打司燮黔川 ’ 犷_ { ‘- - - 一一一一 4GND 七 _________________________________ _ ___‘ 测量点 霍尔 元件 图1 霍尔元件内部框图 其通过的电流I和感受的磁场强度B成正比 对于集成 霍尔元 件 , 当外 加电压源电压 一 定 时 , 通过的 电流I为一恒 值 , 此 时输出U只与 加在霍尔元件上的磁场 B 大小成正比 , 即 : U=KB 因此 , 任何引起磁场强度变化的物理量 都将引 起霍尔输出电压的变化 1 . 2 霍尔式传感器 图2为用于检测铁金属的霍尔式传感器结 构示 意图 将 一块磁场强度为0 .09T的永久 磁铁置 图2 霍尔式传感器结构示意图 表1为不 同铁金属试样置于霍尔元件上方 测量点所测得 的磁场强度值 表l试样磁场 强度值表(单位 : 10 一‘T ) 试样 场强 空 1号2号3号4号5号 2 75 夕X】47 04303和32 0 UGN3 50 1 的输出 、电 压为差动形式 。

通过 调整W O, 可在0 .0 25 一0. 0 9T范围内得到差动 输出电压V + 一V _ 在0 一O. g V范围 为了获 得 较大的输出增益 , 用线性 放大 器OPO7组 成两 级差动放大电路 , 如图3所示 其输出 玖一 会 (会+ ‘ )贪(F一 F 一, 一0 · 6 +一 VV 图3 差动放大器电路图 第5期 鲍鸿等:霍尔式铁金属检测装置 总放 大倍数 选 为2 0 x ll二22 0 只为 分 压电 位器 , 分压比设定为1 :1 . 4 . 三极管90 14组成 射 极跟随器起到改善分压电路 输出的作用 . 表2为不同铁金属试样 置于测量点时霍尔 式铁金属传感 器放大电路的输出值 . 表 2 试样输出电压值表 (单位 : V ) 1号2号3号 4 .67 3 . 73 4号5号 1 .7 6 1 . 01 2 零位误差的自动修正方法 当用 W 0 对霍尔 传感 器零点调 整后 , 由于 环境温度 、 湿度变化和霍 尔元件 自身的零点 漂 移 , 以及磁场环境和磁滞等原因 , 可能使输出电 压偏 移零位 , 产生零位误差 该误差有较大 的随 机性 , 是造成系统测量误差的主要原因 。

本装置为了解决零位误差 , 采用 不断更新 零位记录值的方法来 实现自动校正零位误差 当装置测量点为 “空” 时 , 首先 , 测量此 时的 输出值 , 记为V 0 , 并保存在单 片机 内 . 假 设测量 铁金属物体 时测量值为 U , 由铁金属物体 引起 的输出值的变化量V = K 一砚 当发生零 点漂 移时 , 假设零点漂移为△K , 此时测量值 丫 二 K 十△气 多了一项△K , 而引起误差 为了修正 由此引起 的误差 , 应 及 时地测 取零位 值代 , 代 二 代+ △K , 并用新的零 位值嵘取代旧的兀存人 单 片机指定单元 这时与原数据相同 , 即自动地修 正了由零漂引起 的误差 V ’=代一砚=K 十△V 0一(V 0十△气) = K 一 K =v 零位值的不断获取在工程上可采用定时采 样和人为强制采样等方 法 本 装置中采用人 为 强制采样法 软件自动校正零位误差的方法简单可靠 , 且不需要增加其它硬件 设计 , 是一 种较为实用 的好方法 3 系统测量原理 图4为霍尔式铁金属检测装置系统原理框 图 74LS37327 16 DA卜-一」A O一7 U Z ST eKEN P I . 6PO U - PI . 7 A I 曰E RD P 2 . 0一2 1名EN P 10一3 A S一10 石百 L E D 显示器 D C K 图4系统原理框图 U l 、 U 3、 认构成 8031最小系统 。

U Z 为8位 逐次逼近型A妇转换器A D C O80 9 . 由803 1通 过P I .7 启 动A/ D转 换器 , 同 时查询 转换结 束 信号EOC . 当转 换完 成后 , 单 片机读出转换 数 据K , 并 对读人的数据进行分析 、 处理 、 判 断 , 最后将结果通过P , 口送到L ED 显示器显示 根据实际要求 , 待测铁金属物按大小分成 n 个等 级 , 其对应的数据值分别 为A l、 人 、 ⋯ 、入 将测量 值V与A ‘ 进 行比较 , 可判断 该测量 值落在第几个级别上 , 即可对 铁金属物质 作出 定量的测量 图5为系统软件流程 图 4 结束语 4 . 1 多头传感器 一个霍尔元件的可 测范围是很 小的 在 实 际应用中 , 用多个霍尔元件并排放置(达到一定 传 感 器技术 1男6年 的宽度)形成多头传感 器 测量时 , 分别 读取 各 个传感器的测量值 , 用单片机进行 综合分 析 、 判 断 这种多头传感器的运算和零位 误差自动 修 正都较上述的方法复杂 , 此处不作阐述 4 .2 有关测量距离的考虑 由于霍尔元件表面的磁通量增加的大小 不仅与铁金 属物 质 、 磁 极相对 表面的面积有 关 , 而且与铁金属物质与传感 器 之间的距离有 开始 初始化 采样 v 0 ? \) 刀 启 动 八旧 启动 A/ D 等待转换完毕 等待转换完毕 读取玖 读取 矶 数 据平滑滤波 V= K 一 V 0 V 0 V 0 限? 测量点不空 v一A ‘比较分 报警 保存 坑二V 0送显示 图5系统软件流程图 一定的要求 。

在正常的检测中 , 传感器上方为一 传送带 , 待测物体 放在传送带上 , 基本上可以保 证对距离的要求 但 在一些特殊的场合 , 如检测 棉纱中的铁纱等 , 可能出现 铁金属物质远离传 感器的情况 当偏 离Z c f n 以上时 , 传感器将无 法或不能正 确的进行测量 在这种情况下 , 需要 增加一些辅助设备 如在棉 纱上 方增加一条 传 送带 , 使两传送带之间距离小于 s c l n , 同时在上 传送带上方 对称放置一个 霍尔传感器 这样 挤 压棉 纱 在s c l n 范围 , 使待测铁金属物体与上 下两个传感器距离不超过系统的距离要 求 在测 量中同时读取 两侧的传感器的数据进行综合分 析 , 从而保证测量的正确性 参考 文 献 l 黄得星 , 等 . 磁敏感器件及其 应用 . 科学出版社 , 198 7 2 高联辉 . 磁路和铁磁 器件 . 高等教育出版社 , 198 2 3 刘恩生 , 等 . 霍尔传感 器的应用 . 仪表技术与传感 器 , 19 93 , (3): 14 · 作者简介 · 鲍鸿 , 女 , 1 96 3年生 , 198 7 年毕业于华 中理。