基于霍尔效应对玻璃泡壳壁厚测量的研究

1、基于霍尔效应石英玻璃泡壳壁厚测量方法的研究1何荣开、2孟虎1东南大学电光源研究中心 南京 2100962中国船舶重工集团公司第702研究所 无锡 214082摘要：基于霍尔效应的霍尔传感器在不同磁场强度与产生的霍尔电压成正比，根据霍尔效应原理设计测量探头用于测量金属卤化物灯电弧管石英玻璃泡壳壁厚。在泡壳内部放置磁性钢球，磁性钢球离探头距离为泡壳的壁厚，磁性钢球的磁场使霍尔传感器产生的霍尔电压，二者数值成正比，利用单片机、A/D转换器、放大器等构成硬件电路对霍尔电压的进行采集、数据处理、数值转换，用液晶屏显示泡壳壁厚值。关键词：石英玻璃泡壳、壁厚测量、霍尔效应、霍尔传感器、Research on

2、 Measuring Method of the Thickness of Quartz Bulb Shell Based on Hall Effect 1He Rongkai, 2Meng Hu 1School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096, China2China Ship Scientific Research Center No.702 Research Institute, Wuxi, 214082, ChinaAbstract: The hall sensor based on Ha

3、ll Effect is in direct proportional to hall voltage produced under different magnetic field intensity, and the measuring probe designed according to principle of Hall Effect is used to measure the thickness of metal halide lamp arc tube quartz bulb shell. It is required to place magnetic steel ball

4、in the bulb, the distance between the magnetic steel ball and probe is the thickness of bulb shell, which is in direct proportional to hall voltage produced by hall sensor in the magnetic field of magnetic steel ball. It is required to make use of single-chip machine, A/D converter, amplifier and ot

5、hers to constitute as a hardware circuit to conduct collection, data processing and value conversion for hall voltage and use LCD to show the thickness value of bulb shell.Keywords: Quartz Glass Bulbs, measuring the thickness of the bulb shell, Hall Effect and hall sensor0 引言金属卤化物灯电弧管是由石英玻璃泡壳两端夹封二组电

6、极，并达到真空密封，在泡壳内充入金属卤化物、液态汞和工作气体等，其结构如图1所示。在电极两端通电，工作气体产生辉光放电，电极温度进一步提高，使汞汽化产生汞蒸汽而产生弧光放电，电极和电弧温度进一步升高，金属卤化物产生电离和汽化，并产生稳定的电弧放电发光。为了使电弧管的工作稳定，石英玻璃泡壳结构如图2所示，泡壳必须达到耐高温、耐高压，石英玻璃泡壳壁厚尺寸、壁厚均匀度要达到一定要求，测量泡壳壁厚和均匀度是控制石英玻璃泡壳生产质量重要手段。由于泡壳属于薄壁球类另件，接触式量具无法直接测量壁厚，而光学投影的方法会使玻璃泡壳的边界模糊，测量误差大。基于霍尔效应原理，设计专用测量探头来测量泡壳壁厚。1 测量

7、探头工作原理及霍尔传感器选用所谓霍尔效应，如图3所示：对于磁场（B）中的导体（d）施加一个电流（I），该磁场的方向垂直于所施加的电流方向，那么既与磁场垂直又和施加电流方向垂直的方向上会产生一个霍尔电压（U）。其中电压R是霍尔常数。由该公式可以看出当给定电流I大小一定时，产生的霍尔电压与磁场强度成正比。根据霍尔效应，用半导体材料制成的元件即为霍尔元件。测量探头是根据霍尔效应的原理来设计，其工作原理由图4所示，在霍尔元件通入给定电流大小，施加到霍尔元件的磁场强度大小变化与产生的霍尔电压成正比，而磁场是由设置在霍尔元件外的磁钢和磁性钢珠所产生，改变磁钢和磁性钢珠的距离，作用到霍尔传感器的磁场强度变化

8、，而霍尔电压随之变化，电压值与磁钢和磁性钢珠的距离存在正比关系，把放有磁性钢珠的泡壳放在测量探头上，如图5所示，在霍尔元件上施加一定电流，就会产生霍尔电压，电压值与施加到霍尔元件上的磁场强度有关，磁场强度和磁性钢珠与测量探头的距离有关，磁性钢珠与测量探头的距离就是泡壳壁厚值，所以测得霍尔电压值通过数据处理后输出泡壳壁厚的尺寸。测量探头选用线性霍尔传感器，由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，要求传感器有较高的灵敏度，能够精确的检测极小的磁力线密度变化。输出电压与外加磁场强度呈线性关系，在测量探头的测量范围内有较好的线性度。UGN3503是一种集成线性传感器，具有高达13 mVmT的磁场灵敏度

9、、±90 mT的线性范围和23 kHz的带宽，其输出噪声小，并且在-2+85的温度范围内均具有良好的线性度，所以测量探头选用UGN3503线性霍尔传感器。2 测量探头硬件结构设计测量探头的结构如图5所示，由于泡壳两端管脚内孔尺寸为3mm，磁性钢珠的直径必须小于2.8mm，测量泡壳的壁厚尺寸范围在0.62mm之间，由于磁性钢珠产生的磁场强度不足，必须在霍尔传感器的后面再增加一个磁场，在规定的测量值范围内，霍尔传感器所产生的霍尔电压U与距离L成线性关系。由表1的实验数据和曲线图可知，在距离L在3.5-5.0范围之间，霍尔电压U与距离L线性较好，所以L值采用3.55.0mm段，测量探头的量

10、程范围为0.62.1mm，满足使用要求。表1 ：霍尔电压U和霍尔传感器与磁性钢球L距离关系的实验数据（电源电压U=5V）L(mm)U(V)L(mm)U(V)L(mm)U(V)曲线图表1.04.313.33.814.43.671.54.283.43.804.53.662.04.193.53.794.63.652.54.013.63.784.73.632.63.983.73.764.83.622.73.943.83.754.93.612.83.923.93.745.03.602.93.904.03.725.13.603.03.884.13.715.23.603.13.854.23.705.33.6

11、03.23.824.33.68测量探头控制电路如图6所示，主要包括中央处理器、霍尔传感器电压接收电路、放大器、数据采集电路、串行通信电路、系统时钟等。在测量时，把石英泡壳放置在测量探头上，泡壳内的磁性钢珠靠近测头内的霍尔传感器，在磁珠和测头内的磁钢的磁场作用下，霍尔传感器上产生霍尔电压，电压经放大电路放大一定倍数后被数据采集电路转化为相应的数字信号a，单片机采集到该信号，并通过预定的算法把数字信号a换算成数字信号b（b为所测量壁厚值），最后由显示电路把b值显示，完成测量。测量控头微处理器选用单片机型号为STC89C58，具有超强的抗干扰能力，输入电压范围宽，不怕电源抖动。霍尔传感器以及放大电路

12、所得到是模拟信号，而能被处理器所进行的是数字信号，需要把模拟信号转化成数字信号，这里选用的A/D转换器型号为AD7705，具有分辨率高，动态范围广，自校准等特点，适用于仪表测量等领域。由于AD7705基准电压是2.5V，所能转换的最大电压为2.5V，而霍尔传感器输出的最小电压是3.6V，需把电压进行差分放大，把电压微小变化放大后，可提高A/D转化精度，选用OP07放大器，选用三个OP07放大器构成电路，把霍尔传感器所测电压范围3.603.79V经放大电器输出电压为01.9V，因而在A/D转换器所转换的范围内。3 测量系统软件总体设计和数据处理单片机STC89C58采用C语言编程，用结构化程序设

13、计思路。测量系统软件总体设计用自上向下的方法，整体任务分成若干子任务，每个子任务再分若干个任务，逐层细分，每一个子程序完成规定功能，再将子程序连接构成整体。整个程序由几大模块构成，包括系统监控模块，数据采集转化模块，存储器模块，液晶显示模块，时钟处理模块以及串行通信模块。系统软件的功能模块图7所示，每个模块内部独立编程，通过编写驱动程序使各个模块连成一个整体。数据处理的算法是软件设计的关键。电弧管泡壳内装有磁性钢珠靠近探头，能测量到输出的霍尔电压值，泡壳壁厚的大小会改变霍尔电压值，而液晶显示屏要显示泡壳壁厚的值，所以要找出霍尔电压与泡壳壁厚的变化关系，即找到对应的函数变化关系。确定测量探头一些

14、参数，必须由实验数据进行参数的标定，测量探头的测量范围在0.62.1mm，要求壁厚的测量精度为0.02。数据采集距离间隔为0.02mm，由于距离每增加0.1mm，输出的霍尔电压才变化0.01-0.02V，所以霍尔电压应经过差分放大，放大后的电压为U1，再用精度0.01V的示波器进行测量，测量探头顶点与磁性钢球距离为L1，实验记录如表2所示。表2 ：霍尔电压U1(V)和距离L1（mm）对应关系的实验数据ULULULULULULULUL0.601.900.801.601.001.401.201.111.400.801.600.601.800.302.000.110.621.890.821.581.

15、021.351.221.081.420.781.620.581.820.282.020.090.641.870.841.561.041.311.241.061.440.751.640.561.840.262.040.070.661.840.861.541.061.281.261.041.460.731.660.541.860.242.060.040.681.820.881.521.081.241.281.021.480.721.680.511.880.212.080.030.701.800.901.511.101.201.301.001.500.701.700.491.900.202.100.

16、010.721.740.921.481.121.181.320.941.520.681.720.441.920.170.741.710.941.451.141.161.340.901.540.651.740.401.940.150.761.670.961.431.161.151.360.871.560.631.760.371.960.140.781.630.981.411.181.131.380.841.580.611.780.331.980.12从表2数据可以看出，在每0.1mm区段内线性度较好，记录的数据是摸拟量，通过A/D转化变化数字量。而在分区段内用一次线性方程，用每个区段内实测的六组

17、数据，用最小二乘法求得线性方程y=ax+b，所以每一个霍尔电压都有一个相对应的距离L1值在液晶屏上显示，即为泡壳壁厚值。4实验与验证测量探头如图8所示，外壳由不导磁金属制成，在外壳内前部安装霍尔传感器，传感器离顶端的距离按实验标定的数据要求，后部安装磁钢，霍尔传感器的电压信号通过放大电路、数据采集电路、中央处理器、显示电路等。磁性钢珠装在电弧管泡壳内，由于泡壳壁厚即为磁性钢珠与传感器之间距离，所以磁性钢珠作用到霍尔传感器上磁场强度随泡壳壁厚而变化，输出霍尔电压通过信号处理，用液晶屏显示泡壳的壁厚数据，见图9所示。 图8 测量探头和测量方法 图9 液晶显示屏和壁厚显示数值磁性钢珠放在泡壳内，一端

18、管脚用手拿着，把泡壳紧靠在测量探头的顶部，测量探头轴线应与泡壳接触点切面垂直，这样测量的数据更加准确。在测量探头内磁钢的作用下，泡壳内的磁珠会停留在探头的轴线上，磁珠与探头顶点的距离就是泡壳此点的壁厚，壁厚数值在液晶显示屏上即时显示，慢慢移动泡壳，可以测到泡壳每点的壁厚。用图片中的泡壳测得壁厚显示值在0.830.92mm之间，为了验证测量值的准确性，把泡壳沿轴线剖切开，用螺旋测微仪测量各点的厚度，测得值在0.840.93mm之间，测量精度在±0.01mm，而测量泡壳壁厚允许误差在±0.1mm，因而本系统可以用于电弧管泡壳壁厚无损测量的要求。5 结论利用霍尔效应原理，在金属卤化物灯电弧管泡壳内加入磁性钢珠，放到测量探头上，磁性钢珠对霍尔传感器施加的磁场强度而产生的霍尔电压，通过硬件电路和软件处理，用液晶屏显示泡壳壁厚值，实现金卤灯电弧管泡壳壁厚的无损测量，对控制泡壳生产质量具有实用价值。参考文献：1 何荣开，赵坚玉等. 石英玻璃泡壳数控成形设备的研究J. 机械设计与制造，2010（9）：120-1222 孙学珠，钱卉，陈兴梧. 测量透明管壁厚的理论研究J. 光学技术，1999（3）：