第七节 霍尔检测装置-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

性使它从根本上避免了其他激光干涉仪器所遇到的复杂的外部传输情况，因为其他的激光干 涉仪器需要光学元件和精密的安装结合起来才能将光束送达轴上。 相比较而言，雷尼绍的 ＲＬＥ 激光尺只需在轴上的移动元件上安装一个光学件。 为进一步简化安装，ＲＬＥ 激光尺自带 一个准直辅助镜，这样将激光准直过程简化为“即装即用”。 激光干涉位移测量为数控机床提供了一种速度快、精度高和行程长的位置反馈解决方 案，主要具有以下优点： ①高精度（１ μｍ ／ ｍ），高分辨率（可达 ０．１ ｎｍ）。 ②无热膨胀，无安装应力，运行过程中相互不接触，不会产生磨损。 ③安装时，可以尽可能地与运动方向一致，最大可能减小因测量位置和实际位置不一致 所产生的阿贝误差。 ④只需加工激光头与反射镜的安装位置，无须加工长的安装面，节省制造成本。 ⑤可满足长达 １００ ｍ 或更长的位置反馈应用需要。 ⑥在可测量的范围内，价格与测量长度无关。 ⑦信号输出为方波、脉冲、正余弦波等，与主流控制系统兼容。 近年来，随着光导纤维技术的发展，光纤干涉仪得到了广泛的应用。 其将单模光纤作为 传感元件的一部分代替原光学设计中复杂的光路，提供了与传统分立式干涉仪相比拟的性 能，又没有传统干涉仪相关的稳定性问题，使得干涉仪更加简单、紧凑，性能更加稳定。 另外，上面所述的激光干涉位移测量法都需要配备供测量反射镜移动的精密导轨，测量 过程不能中断，并且测量方式为增量式，不能测量绝对位移。 随着激光技术、红外技术的发 展，以多波长激光为基础的无导轨大长度绝对测量技术正受到越来越多的关注。 第七节　 霍尔检测装置 霍尔传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器，具有结构牢 固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 １ ＭＨｚ），耐振动，不怕灰尘、油 污、水气及烟雾等的污染和腐蚀等优点。 目前，已发展成为品种多样的磁传感器族，是全球使 用量排名第三的传感器产品。 按霍尔器件的功能可将其分为：霍尔线性传感器和霍尔开关器 件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性器件精度高、线性度好；霍尔开关器件无触 点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 μｍ 级）。 一、霍尔元件的工作原理和结构 霍尔效应是磁电效应的一种，由美国物理学家霍尔于 １８７９ 年在研究金属的导电机理时 发现。 它是指当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面 之间会出现电势差的现象，这个电势差也被称为霍尔电势差。 现以 Ｎ 型半导体为例，分析霍尔效应原理，如图 ３⁃２７ 所示。 Ｎ 型半导体在 Ｙ 方向施加电 场，当无外加磁场时电子沿电场方向移动，形成电流ＩＣ。 当与半导体平面垂直方向（即与电流 垂直方向）加一磁场 Ｂ 时，则半导体中电子受到洛仑兹力的作用，使电子运动发生偏移，并在 ５８ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ３⁃２７　 半导体的霍尔效应 图示的左侧面形成电子积累，于是在半导体两侧面的 Ｘ 方向形成电场，这个电场使电子在受到洛仑兹力作 用的同时，还受到与它相反的电场力作用。 随着电子 积累的增加，电场力逐渐增大，直到洛仑兹力和电场 力相等时，电子积累达到动态平衡。 此时，半导体两 侧面建立的电场称为霍尔电场，相应的电动势称为霍 尔电动势。 上述过程产生的现象就是霍尔效应。 在 半导体 Ｎ 方向两侧面引出电极，可以输出霍尔电动势 或霍尔电压ＵＨ。 ＵＨ ＝ １ ｄ Ｂ ＩＣ ＲＨ 式中　 Ｂ———磁感应强度； ＩＣ———控制电流； ｄ———半导体厚度； ＲＨ———霍尔常数。 该公式表明，霍尔电动势与输入电流ＩＣ、磁感应强度 Ｂ 成正比，且当 Ｂ 的方向改变时，霍 尔电动势的方向也随之改变。 若施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电 动势。 具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，由半导体材料制成，常用的材料有锗（Ｇｅ）、硅 （Ｓｉ）、锑化铟（ＩｎＳｂ）、砷化镓（ＧａＡｓ）等。 式ＵＨ ＝ １ ｄ Ｂ ＩＣＲＨ中的霍尔电动势或霍尔电压太低，无 法直接应用。 实用的霍尔元件由霍尔敏感元件、放大器和调节器等集成封装而成，称为霍尔 集成电路，有 ３ 脚、４ 脚、５ 脚等多种结构形式。 图 ３⁃２８ 为 ３ 脚霍尔集成元件的电路原理图。 霍尔元件与所需磁路结构组成的整体称为霍尔传感器，常用的霍尔传感器有位移传感器、速 度传感器、电流传感器、功率传感器、振动传感器、加速度传感器、压力传感器等。 本节将重点 介绍霍尔电流传感器和霍尔位移传感器。 图 ３⁃２８　 ３ 脚霍尔集成电路原理图 二、霍尔电流传感器 霍尔电流传感器是霍尔传感器的一种，它能测量各种波形的交直流电流，具有非接触测 量，且测量精度高，不需要切断电路电流，测量频率范围广、功耗低等优点。 ６８ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 根据安培定律，在载流导体附近会产生正比于该电流的磁场。 从式ＵＨ ＝ １ ｄ Ｂ ＩＣＲＨ可知， 霍尔电压ＵＨ与磁感应强度 Ｂ 成线性关系，而磁感应强度可利用载流导线经过集磁部分后获 得。 根据安培定律，电流与磁感应强度的关系为 Ｂ ＝ μ０ μｒ ２πＲ ＮＩ 式中　 Ｂ、 μ０、 μｒ———离通电距离 Ｒ 处的磁通、真空磁导率、相对磁导率； Ｉ、Ｎ———通电导体的电流及匝数； Ｒ———通电导体的空间垂直距离。 将该公式代入式ＵＨ ＝ １ ｄ Ｂ ＩＣＲＨ，可得 ＵＨ ＝ ＮＩ ＩＣ μ０ μｒ ＲＨ ２πＲｄ 　 　 从该公式可知，霍尔元件输出电压ＵＨ与通电导体的电流 Ｉ 正比，用霍尔元件检测这一磁 场就可以获得正比于该磁场的霍尔电动势。 通过检测霍尔电动势的大小来间接测量电流的 大小，是霍尔电流传感器的基本测量原理。 霍尔电流传感器输出信号还需要放大和补偿电路 才能提供检测信号，常用的这种电路有选频式和磁补偿式霍尔电流传感器电路，其中磁补偿 式霍尔电流传感器是一种频带宽、精度高的电流测量装置。 图 ３⁃２９ 为一种典型的磁补偿式（也称为磁平衡式或零磁通式）霍尔传感器。 霍尔传感器 放置在聚磁环气隙中，检测气隙磁通，如果磁通不为零，霍尔传感器就有电压信号输出。 图 ３⁃２９　 磁补偿式霍尔传感器电路原理图 该电压信号经高增益放大器放大后，控制相应的功率管导通，从电源获得一个补偿电流 Ｉｓ。 由于Ｉｓ要流过多匝绕线，多匝绕线所产生的磁场与主电流Ｉ０所产生的磁场相反，使霍尔电 动势输出逐渐减小，当Ｉ０Ｎ１ ＝ ＩｓＮ２，时，Ｉｓ不再增加，这时霍尔元件起到指示零磁通的作用。 上 述过程是一个动态平衡过程，建立平衡所需的时间极短（１ μｓ）。 主电流Ｉ０的任何变化都会破 坏这一平衡的磁场，一旦磁场失去平衡，霍尔元件就会有信号输出（可正可负）。 经放大后立 即有相应的电流流过次级线圈，进行补偿。 因此从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何 时候都是与主电流的安匝数相同。 只要测得补偿绕组中的小电流，就可根据匝数比推算出主 ７８ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 电流的大小，即Ｉ０ ＝ Ｉｓ（Ｎ２ ／ Ｎ１）。 磁平衡式霍尔电流传感器的主要特点是霍尔元件处于零磁通 状态，聚磁环中不会产生磁饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。 霍尔电流传感器不仅能测量静态、动态电流参数，还可测量电流波形，完全可以替代传统 的互感器和分流器，在数控机床伺服系统中，主要用于全数字伺服系统的电流环中。 三、霍尔位移传感器 霍尔直线位移传感器的原理如图 ３⁃３０ 所示。 图 ３⁃３０　 霍尔直线位移传感器 假设磁场只均匀集中在磁极气隙中，无边缘效应，如图 ３⁃３０（ａ）所示。 霍尔元件在 ｘ 方向 的长度为 ｂ，在控制电流 Ｉ 作用下，产生的霍尔电势ＵＨ与霍尔器件的位移 Δｘ 有如下关系 ＵＨ ＝ ＫＨＩＢ ｘ０ ＋ Δｘ ｂ 式中　 ｘ０———霍尔器件在极下气隙中的初始长度； ＫＨ———霍尔元件的灵敏系数。 实际使用的传感器常做成差动式结构，如图 ３⁃３０（ｂ）所示。 以霍尔元件作为变换器，配以 相应的力学机械结构，将压力、压差、加速度等参量转化为位移 Δｘ，可以构成各种非电量测量 的霍尔压力、压差、加速度等传感器。 ８８ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍