霍爾傳感器零點(diǎn)平衡條件的研究

陳宏 郭清 石健將

摘 要 為了提高霍爾傳感器工作的工作質(zhì)量，降低零點(diǎn)漂移的影響，從霍爾傳感器的工作原理出發(fā)，提出了采用測量系統(tǒng)分析和響應(yīng)曲面法衡量研究霍爾傳感器零點(diǎn)平衡的方法。通過采集測量數(shù)據(jù)，擬合數(shù)據(jù)模型，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量水平，然后用響應(yīng)曲面法分析零點(diǎn)工作穩(wěn)定性。研究表明，霍爾傳感器在設(shè)定激勵(lì)信號(hào)的頻率在3.5KHz，電壓峰峰值在3V，位移在10mm時(shí)，達(dá)到零點(diǎn)平衡，系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性達(dá)到要求，工作穩(wěn)定。這為提高霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的質(zhì)量水平提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 霍爾傳感器 交互式測量系統(tǒng)分析 質(zhì)量水平 響應(yīng)曲面方法 等高線

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.03.015

Abstract In order to improve the working ability and decrease the zero drift impact on the hall sensor system， the zero balance of hall sensor is analyzed by Measurement System Analysis and Response Surface Methodology from the view of working principle of hall sensor. The testing data is collected， the fitting model is analyzed， the statistical characteristics are checked， the quality level is assessed， and then the zero voltage working stability is analyzed by Response Surface Methodology. It demonstrates that the hall sensor can work stable on zero voltage when the trigger signal frequency is 3.5 KHz and peak voltage is 3Vp-p with the moving dimension of 10mm and the Gage Repeatability & Reproducibility of hall sensor system meet the criteria， which provide the technical evidence to the improvement on quality of hall sensor device.

Keywords hall sensor； crossed measurement system analysis； quality level； response surface methodology； path of steepest ascent

0引言

霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的電磁場傳感器。這種傳感器結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。[1]在交流互感器[2]、照明控制[3]、氣動(dòng)健身器材[4]、間隙測量儀[5]、電氣儀表[6]、車載電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]等自動(dòng)檢測設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。由于半導(dǎo)體材料自身特性及生產(chǎn)安裝工藝水平的限制，霍爾傳感器在實(shí)際測試中，多個(gè)因素都可能會(huì)影響測量的精度[8]，通常采用電路補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)零點(diǎn)平衡，但是測量系統(tǒng)影響因素的存在，可能造成零點(diǎn)漂移偏大，嚴(yán)重時(shí)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為此非常有必要分析霍爾傳感器測量系統(tǒng)的工作質(zhì)量水平和零點(diǎn)平衡工作條件。本文從測量系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，研究霍爾傳感器工作過程，建立了研究模型，開展分析，對(duì)霍爾傳感器零點(diǎn)平衡條件開展研究，為持續(xù)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的質(zhì)量水平提供技術(shù)支持。

1霍爾元件的工作原理

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的元器件，產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是洛倫茲力的作用。 1896年物理學(xué)家洛倫茲提出洛倫茲力定律，正電荷感受到電場的作用會(huì)朝著電場的方向加速；但是感受到磁場的作用，正電荷會(huì)按照左手定則，四指為電流方向，磁感線穿過手心時(shí)，大拇指方向?yàn)槁鍌惼澚Ψ较?。洛倫茲力?duì)電荷不作功，不改變運(yùn)動(dòng)電荷的速率和動(dòng)能，只能改變電荷的運(yùn)動(dòng)方向使之偏轉(zhuǎn)?；魻栃?yīng)如圖1[9]所示。

隨著電荷運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)，多余電荷的增多，這一電場迅速增大，最后電場對(duì)電子的作用力和磁場對(duì)電子的作用力平衡，半導(dǎo)體材料a、b 側(cè)的電勢差UH就叫霍爾電壓，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。[9]

2霍爾傳感器測量系統(tǒng)的質(zhì)量水平分析

2.1 霍爾傳感器測量系統(tǒng)的組成

霍爾傳感器能敏感感知磁場的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，借助霍爾傳感器可以實(shí)現(xiàn)包括位置、角度、速度、轉(zhuǎn)速和加速度在內(nèi)的多種機(jī)械物理量的傳感功能。[10]本文研究的霍爾元件安裝在振動(dòng)圓盤面上，兩個(gè)半圓磁鋼固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面，組成霍爾傳感器。如圖2所示?；魻栐趦蓚€(gè)半圓永久磁鋼的中間沿著垂直方向上下移動(dòng)，產(chǎn)生霍爾電壓。

霍爾元件在移動(dòng)到兩個(gè)半圓永久磁鋼內(nèi)中心位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，輸出的霍爾電壓為零。但是由于工藝水平的限制，常常使兩個(gè)霍爾電極位置不能精確同在一個(gè)等位面上，造成輸出誤差，因此要求不等位電勢愈小愈好。在制造過程中完全消除不等位電勢是非常困難的，因此有必要利用外部電路進(jìn)行補(bǔ)償。

霍爾傳感器工作電路的測量結(jié)果是輸出的電壓，測量電路按照圖3連接，由霍爾傳感器、激勵(lì)源、差動(dòng)放大器、示波器、相關(guān)的連接導(dǎo)線、測量人員和測量方法構(gòu)成了霍爾傳感器測量系統(tǒng)。

2.2 霍爾傳感器測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

在測量過程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常工作，測量人員沒有更換，可以進(jìn)行測量系統(tǒng)分析，衡量霍爾傳感器測量設(shè)備的質(zhì)量水平。按照交互式測量系統(tǒng)分析[11]的模式采集數(shù)據(jù)，如圖4所示。

首先安排3位測量人員和8個(gè)樣本設(shè)備，請測量人員分別對(duì)8個(gè)樣本設(shè)備測量，此時(shí)霍爾元件位置在7mm，激勵(lì)源電壓3V，頻率為2KHz的音頻信號(hào)，測量此時(shí)的霍爾電壓，每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測量3次，獲得24個(gè)數(shù)據(jù)，3位測量人員同時(shí)測量得到72個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3 模型的擬合

對(duì)表1的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)的重復(fù)測量結(jié)果，造成測量偏差的因素包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣本、測量人員以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)和測量人員的交互作用。分析結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)設(shè)定樣本影響的檢驗(yàn)水平為=0.05，設(shè)定原假設(shè)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)測量結(jié)果沒有顯著影響；設(shè)定備擇假設(shè)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)測量結(jié)果有顯著影響。分析表2的數(shù)據(jù)可以看到“實(shí)驗(yàn)設(shè)備”的P-Value為0.00，小于0.05，則拒絕原假設(shè)，接受備擇假設(shè)，說明實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)測量結(jié)果有顯著影響。分析表2的數(shù)據(jù)“測量人員”，可以看到“測量人員”的P-Value為0.393，大于0.05，不能拒絕原假設(shè)，說明“測量人員”對(duì)測量結(jié)果沒有顯著影響?！皩?shí)驗(yàn)設(shè)備*測量人員”的P-Value為0.948，大于0.05，說明實(shí)驗(yàn)臺(tái)和測量人員的相關(guān)作用對(duì)測量結(jié)果沒有顯著影響。由此可以看出“實(shí)驗(yàn)設(shè)備”、“測量人員”、“實(shí)驗(yàn)設(shè)備*測量人員”這三個(gè)因素中，“實(shí)驗(yàn)設(shè)備”這個(gè)因素在測量系統(tǒng)的偏差中起重要作用。

2.4 研究模型的定性和定量分析

測量系統(tǒng)分析用GR&R（Gauge Repeatability and Reproducibility）來研究和分析測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性，用%R&R來衡量，這里采用%R&R衡量霍爾傳感器測量設(shè)備的能力水平。定量分析GR&R獲得的結(jié)果如圖5所示。

在圖5（a）圖是測量數(shù)據(jù)的偏差柱狀圖，圖5（b）圖是不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備測量的數(shù)據(jù)圖，圖5（c）是極差控制圖，圖5（d）是不同測量人員的測量結(jié)果比較圖，能夠代表再現(xiàn)性，圖5（e）是平均值控制圖，表明測量系統(tǒng)本身引起的變差范圍，圖5（f）是實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測量人員之間交互作用圖。在定量分析中得到的具體數(shù)值如表3所示，其中%R&R=22.22%，有6個(gè)區(qū)別分類數(shù)。

根據(jù)測量系統(tǒng)分析的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)%R&R在10%至30%之間的測量系統(tǒng)可以接受，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量水平。

2.5 分析的結(jié)果

從上面的分析可以知道，霍爾傳感器測量系統(tǒng)%R&R為22%，說明霍爾傳感器具有良好的工作質(zhì)量水平，不等位電勢、環(huán)境溫度誤差和零位誤差造成的輸出誤差沒有影響霍爾傳感器測量系統(tǒng)的工作質(zhì)量，可以穩(wěn)定工作。

3霍爾傳感器測量系統(tǒng)工作的穩(wěn)定條件分析

3.1 霍爾傳感器測量系統(tǒng)工作的條件

從圖3霍爾傳感器測量系統(tǒng)的工作原理圖可以看出，輸入信號(hào)是激勵(lì)源和霍爾元件的位移，具體包括交流電壓信號(hào)、頻率信號(hào)和霍爾元件位移3個(gè)變量。建立響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)20次實(shí)驗(yàn)，輸出霍爾電壓隨著3個(gè)輸入變量變化而變化，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，得到模型的分析報(bào)告如表4所示。

根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)設(shè)定原假設(shè)“該因子不是顯著影響因子”，備擇假設(shè)“該因子是顯著影響因子”，設(shè)定檢驗(yàn)水平為=0.05，從表4可以看到影響因子P-Value全部都<0.05，拒絕原假設(shè)，接受備擇假設(shè)，可以得出表4中所有的因子都是顯著影響因子。在表4中的 R2=99.9%，R2adj=99.7%，兩者很接近，而且都接近1，說明統(tǒng)計(jì)模型接近真實(shí)測量結(jié)果。接著對(duì)統(tǒng)計(jì)模型做擬合分析，得到表5的結(jié)果。

同樣根據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)設(shè)定原假設(shè)“該來源不顯著”，備擇假設(shè)“該來源顯著”，設(shè)定檢驗(yàn)水平為=0.05，可以看到表5影響來源中，只有“擬合不良”的P-Value>0.05，不能拒絕原假設(shè)“該來源顯著”，說明統(tǒng)計(jì)模型擬合良好。其他來源的P-Value全部都<0.05，拒絕原假設(shè)，接受備擇假設(shè)，說明統(tǒng)計(jì)模型的“線性度”、“平方項(xiàng)”、“交互作用”都顯著。接著查驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型的殘差，得到圖6的殘差分析報(bào)告。

從圖6（a）可以看出殘差是正態(tài)分布的；圖6（b）殘差隨擬合值隨機(jī)分布在均值的左右，圖6（c）可以看出殘差柱狀圖是均勻分布，沒有異常點(diǎn)，圖6（d）表明殘差隨機(jī)分布，沒有隨著測量次數(shù)持續(xù)增大或者持續(xù)減小的趨勢。

從以上對(duì)統(tǒng)計(jì)模型的分析報(bào)告可以得出統(tǒng)計(jì)模型擬合良好，可以作為分析霍爾傳感器測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模塊，研究霍爾傳感器測量系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件。

3.2 穩(wěn)定工作的條件

采用響應(yīng)曲面來得到最速上升的等高線，如圖7所示。

從圖7可以分別看出固定頻率時(shí)，位移和電壓峰峰值為坐標(biāo)的等高線圖；固定電壓峰峰值時(shí)，位移和頻率的等高線圖；固定位移時(shí)，頻率和電壓峰峰值的等高線圖。從圖上可以看出霍爾電壓隨著位移和頻率存在線性變化關(guān)系，霍爾電壓隨著位移和電壓峰峰值存在線性變化關(guān)系，霍爾電壓隨著電壓峰峰值和頻率存在交互變化的關(guān)系。接著分析響應(yīng)曲面，如圖8所示。

從圖8的響應(yīng)曲面中可以看出，激勵(lì)信號(hào)的頻率在3.5KHz，電壓峰峰值在3V時(shí)，霍爾電壓隨位移線性變化好，當(dāng)位移在10mm時(shí)，有明顯的零點(diǎn)電壓，霍爾傳感器測量系統(tǒng)達(dá)到0V的電壓輸出，此時(shí)補(bǔ)償電路消除了不等位電勢，達(dá)到電位平衡。

3.3 驗(yàn)證

采用響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)定激勵(lì)信號(hào)的頻率在3.5KHz，電壓峰峰值在3V，位移在10mm時(shí)，測量零點(diǎn)電壓，霍爾傳感器輸出0V的電壓，說明霍爾傳感器具備穩(wěn)定工作的條件。

4 結(jié)語

霍爾傳感器是一種典型的非接觸式電流檢測元件，近年來在電氣測量領(lǐng)域備受青睞。[12]實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的質(zhì)量狀況直接影響教學(xué)效果，本文通過對(duì)霍爾傳感器測量系統(tǒng)分析，研究零點(diǎn)漂移對(duì)霍爾傳感器質(zhì)量水平的影響。采用交互式測量系統(tǒng)分析質(zhì)量水平，采用響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析零點(diǎn)平衡的穩(wěn)定工作條件，研究表明，當(dāng)設(shè)定激勵(lì)信號(hào)的頻率在3.5KHz，電壓峰峰值在3V，位移在10mm時(shí)，霍爾傳感器測量系統(tǒng)工作達(dá)到零點(diǎn)電位平衡，系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性達(dá)到實(shí)驗(yàn)室工作運(yùn)行的要求，霍爾傳感器能夠穩(wěn)定工作。這項(xiàng)研究對(duì)于維護(hù)霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能，提高霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量水平，具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 時(shí)圣利，鐘貽兵，王昱皓，等.淺談霍爾傳感器及在軍工的應(yīng)用[J].新型工業(yè)化，2015.5（2）：44-47.

[2] 武金玲，于紅，艾樹峰.基于霍爾傳感器的高壓電流測量方法與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2003.3：116-118.

[3] 韓建寧，董建龍.基于霍爾傳感器的全自動(dòng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]，紅外，2009.30（7）：32-36.

[4] 趙瑩瑩，余紅英，劉寅，等. 霍爾傳感器在氣動(dòng)健身器材中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014.33（1）：154-156.

[5] 任世有.霍爾速度傳感器安裝間隙測量儀不確定度評(píng)定[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2017.45（11）：14-15，53.

[6] 虞日升，肖云鵬.分析霍爾傳感器在電氣儀表中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2012.3：54-55.

[7] 張瑋，張鳳登.基于霍爾傳感器的車載電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2013.32（3）：97-99，103.

[8] 王鋒，劉美全，范江瑋.提高霍爾傳感器測量精度的方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015.23（2）：60-62，66.

[9] 王昱皓，鐘貽兵，時(shí)圣利.高可靠霍爾電流傳感器的研究和應(yīng)用[J].新型工業(yè)化，2015.11：8-12.

[10] 黃樂，張志勇，彭練矛.高性能石墨烯霍爾傳感器[J].物理學(xué)報(bào)，2017.66（21）218501：01-18.

[11] HAN Ya-juan，HE Zhen，etc. An Applied Study of Destructive Measurement System Analysis[C]，2007 Second IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications：30-34.

[12] 曹青松，向琴，熊國良.基于霍爾傳感器的電磁激振器電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014.11：76-78，81.