基于霍爾效應(yīng)對玻璃泡殼壁厚測量的研究

1、基于霍爾效應(yīng)石英玻璃泡殼壁厚測量方法的研究1何榮開、2孟虎1東南大學(xué)電光源研究中心 南京 2100962中國船舶重工集團(tuán)公司第702研究所 無錫 214082摘要：基于霍爾效應(yīng)的霍爾傳感器在不同磁場強(qiáng)度與產(chǎn)生的霍爾電壓成正比，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理設(shè)計測量探頭用于測量金屬鹵化物燈電弧管石英玻璃泡殼壁厚。在泡殼內(nèi)部放置磁性鋼球，磁性鋼球離探頭距離為泡殼的壁厚，磁性鋼球的磁場使霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾電壓，二者數(shù)值成正比，利用單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、放大器等構(gòu)成硬件電路對霍爾電壓的進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值轉(zhuǎn)換，用液晶屏顯示泡殼壁厚值。關(guān)鍵詞：石英玻璃泡殼、壁厚測量、霍爾效應(yīng)、霍爾傳感器、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 引言金屬鹵化物燈電弧管是由石英玻璃泡殼兩端夾封二組電

6、極，并達(dá)到真空密封，在泡殼內(nèi)充入金屬鹵化物、液態(tài)汞和工作氣體等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電極兩端通電，工作氣體產(chǎn)生輝光放電，電極溫度進(jìn)一步提高，使汞汽化產(chǎn)生汞蒸汽而產(chǎn)生弧光放電，電極和電弧溫度進(jìn)一步升高，金屬鹵化物產(chǎn)生電離和汽化，并產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧放電發(fā)光。為了使電弧管的工作穩(wěn)定，石英玻璃泡殼結(jié)構(gòu)如圖2所示，泡殼必須達(dá)到耐高溫、耐高壓，石英玻璃泡殼壁厚尺寸、壁厚均勻度要達(dá)到一定要求，測量泡殼壁厚和均勻度是控制石英玻璃泡殼生產(chǎn)質(zhì)量重要手段。由于泡殼屬于薄壁球類另件，接觸式量具無法直接測量壁厚，而光學(xué)投影的方法會使玻璃泡殼的邊界模糊，測量誤差大?；诨魻栃?yīng)原理，設(shè)計專用測量探頭來測量泡殼壁厚。1 測量

7、探頭工作原理及霍爾傳感器選用所謂霍爾效應(yīng)，如圖3所示：對于磁場（B）中的導(dǎo)體（d）施加一個電流（I），該磁場的方向垂直于所施加的電流方向，那么既與磁場垂直又和施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生一個霍爾電壓（U）。其中電壓R是霍爾常數(shù)。由該公式可以看出當(dāng)給定電流I大小一定時，產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場強(qiáng)度成正比。根據(jù)霍爾效應(yīng)，用半導(dǎo)體材料制成的元件即為霍爾元件。測量探頭是根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理來設(shè)計，其工作原理由圖4所示，在霍爾元件通入給定電流大小，施加到霍爾元件的磁場強(qiáng)度大小變化與產(chǎn)生的霍爾電壓成正比，而磁場是由設(shè)置在霍爾元件外的磁鋼和磁性鋼珠所產(chǎn)生，改變磁鋼和磁性鋼珠的距離，作用到霍爾傳感器的磁場強(qiáng)度變化

8、，而霍爾電壓隨之變化，電壓值與磁鋼和磁性鋼珠的距離存在正比關(guān)系，把放有磁性鋼珠的泡殼放在測量探頭上，如圖5所示，在霍爾元件上施加一定電流，就會產(chǎn)生霍爾電壓，電壓值與施加到霍爾元件上的磁場強(qiáng)度有關(guān)，磁場強(qiáng)度和磁性鋼珠與測量探頭的距離有關(guān)，磁性鋼珠與測量探頭的距離就是泡殼壁厚值，所以測得霍爾電壓值通過數(shù)據(jù)處理后輸出泡殼壁厚的尺寸。測量探頭選用線性霍爾傳感器，由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，要求傳感器有較高的靈敏度，能夠精確的檢測極小的磁力線密度變化。輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，在測量探頭的測量范圍內(nèi)有較好的線性度。UGN3503是一種集成線性傳感器，具有高達(dá)13 mVmT的磁場靈敏度

9、、±90 mT的線性范圍和23 kHz的帶寬，其輸出噪聲小，并且在-2+85的溫度范圍內(nèi)均具有良好的線性度，所以測量探頭選用UGN3503線性霍爾傳感器。2 測量探頭硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計測量探頭的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由于泡殼兩端管腳內(nèi)孔尺寸為3mm，磁性鋼珠的直徑必須小于2.8mm，測量泡殼的壁厚尺寸范圍在0.62mm之間，由于磁性鋼珠產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度不足，必須在霍爾傳感器的后面再增加一個磁場，在規(guī)定的測量值范圍內(nèi)，霍爾傳感器所產(chǎn)生的霍爾電壓U與距離L成線性關(guān)系。由表1的實驗數(shù)據(jù)和曲線圖可知，在距離L在3.5-5.0范圍之間，霍爾電壓U與距離L線性較好，所以L值采用3.55.0mm段，測量探頭的量

10、程范圍為0.62.1mm，滿足使用要求。表1 ：霍爾電壓U和霍爾傳感器與磁性鋼球L距離關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)（電源電壓U=5V）L(mm)U(V)L(mm)U(V)L(mm)U(V)曲線圖表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測量探頭控制電路如圖6所示，主要包括中央處理器、霍爾傳感器電壓接收電路、放大器、數(shù)據(jù)采集電路、串行通信電路、系統(tǒng)時鐘等。在測量時，把石英泡殼放置在測量探頭上，泡殼內(nèi)的磁性鋼珠靠近測頭內(nèi)的霍爾傳感器，在磁珠和測頭內(nèi)的磁鋼的磁場作用下，霍爾傳感器上產(chǎn)生霍爾電壓，電壓經(jīng)放大電路放大一定倍數(shù)后被數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號a，單片機(jī)采集到該信號，并通過預(yù)定的算法把數(shù)字信號a換算成數(shù)字信號b（b為所測量壁厚值），最后由顯示電路把b值顯示，完成測量。測量控頭微處理器選用單片機(jī)型號為STC89C58，具有超強(qiáng)的抗干擾能力，輸入電壓范圍寬，不怕電源抖動?；魻杺鞲衅饕约胺糯箅娐?/p>

12、所得到是模擬信號，而能被處理器所進(jìn)行的是數(shù)字信號，需要把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，這里選用的A/D轉(zhuǎn)換器型號為AD7705，具有分辨率高，動態(tài)范圍廣，自校準(zhǔn)等特點，適用于儀表測量等領(lǐng)域。由于AD7705基準(zhǔn)電壓是2.5V，所能轉(zhuǎn)換的最大電壓為2.5V，而霍爾傳感器輸出的最小電壓是3.6V，需把電壓進(jìn)行差分放大，把電壓微小變化放大后，可提高A/D轉(zhuǎn)化精度，選用OP07放大器，選用三個OP07放大器構(gòu)成電路，把霍爾傳感器所測電壓范圍3.603.79V經(jīng)放大電器輸出電壓為01.9V，因而在A/D轉(zhuǎn)換器所轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)。3 測量系統(tǒng)軟件總體設(shè)計和數(shù)據(jù)處理單片機(jī)STC89C58采用C語言編程，用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)

13、計思路。測量系統(tǒng)軟件總體設(shè)計用自上向下的方法，整體任務(wù)分成若干子任務(wù)，每個子任務(wù)再分若干個任務(wù)，逐層細(xì)分，每一個子程序完成規(guī)定功能，再將子程序連接構(gòu)成整體。整個程序由幾大模塊構(gòu)成，包括系統(tǒng)監(jiān)控模塊，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化模塊，存儲器模塊，液晶顯示模塊，時鐘處理模塊以及串行通信模塊。系統(tǒng)軟件的功能模塊圖7所示，每個模塊內(nèi)部獨立編程，通過編寫驅(qū)動程序使各個模塊連成一個整體。數(shù)據(jù)處理的算法是軟件設(shè)計的關(guān)鍵。電弧管泡殼內(nèi)裝有磁性鋼珠靠近探頭，能測量到輸出的霍爾電壓值，泡殼壁厚的大小會改變霍爾電壓值，而液晶顯示屏要顯示泡殼壁厚的值，所以要找出霍爾電壓與泡殼壁厚的變化關(guān)系，即找到對應(yīng)的函數(shù)變化關(guān)系。確定測量探頭一些

14、參數(shù)，必須由實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的標(biāo)定，測量探頭的測量范圍在0.62.1mm，要求壁厚的測量精度為0.02。數(shù)據(jù)采集距離間隔為0.02mm，由于距離每增加0.1mm，輸出的霍爾電壓才變化0.01-0.02V，所以霍爾電壓應(yīng)經(jīng)過差分放大，放大后的電壓為U1，再用精度0.01V的示波器進(jìn)行測量，測量探頭頂點與磁性鋼球距離為L1，實驗記錄如表2所示。表2 ：霍爾電壓U1(V)和距離L1（mm）對應(yīng)關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)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從表2數(shù)據(jù)可以看出，在每0.1mm區(qū)段內(nèi)線性度較好，記錄的數(shù)據(jù)是摸擬量，通過A/D轉(zhuǎn)化變化數(shù)字量。而在分區(qū)段內(nèi)用一次線性方程，用每個區(qū)段內(nèi)實測的六組

17、數(shù)據(jù)，用最小二乘法求得線性方程y=ax+b，所以每一個霍爾電壓都有一個相對應(yīng)的距離L1值在液晶屏上顯示，即為泡殼壁厚值。4實驗與驗證測量探頭如圖8所示，外殼由不導(dǎo)磁金屬制成，在外殼內(nèi)前部安裝霍爾傳感器，傳感器離頂端的距離按實驗標(biāo)定的數(shù)據(jù)要求，后部安裝磁鋼，霍爾傳感器的電壓信號通過放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、中央處理器、顯示電路等。磁性鋼珠裝在電弧管泡殼內(nèi)，由于泡殼壁厚即為磁性鋼珠與傳感器之間距離，所以磁性鋼珠作用到霍爾傳感器上磁場強(qiáng)度隨泡殼壁厚而變化，輸出霍爾電壓通過信號處理，用液晶屏顯示泡殼的壁厚數(shù)據(jù)，見圖9所示。 圖8 測量探頭和測量方法 圖9 液晶顯示屏和壁厚顯示數(shù)值磁性鋼珠放在泡殼內(nèi)，一端

18、管腳用手拿著，把泡殼緊靠在測量探頭的頂部，測量探頭軸線應(yīng)與泡殼接觸點切面垂直，這樣測量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在測量探頭內(nèi)磁鋼的作用下，泡殼內(nèi)的磁珠會停留在探頭的軸線上，磁珠與探頭頂點的距離就是泡殼此點的壁厚，壁厚數(shù)值在液晶顯示屏上即時顯示，慢慢移動泡殼，可以測到泡殼每點的壁厚。用圖片中的泡殼測得壁厚顯示值在0.830.92mm之間，為了驗證測量值的準(zhǔn)確性，把泡殼沿軸線剖切開，用螺旋測微儀測量各點的厚度，測得值在0.840.93mm之間，測量精度在±0.01mm，而測量泡殼壁厚允許誤差在±0.1mm，因而本系統(tǒng)可以用于電弧管泡殼壁厚無損測量的要求。5 結(jié)論利用霍爾效應(yīng)原理，在金屬鹵化物燈電弧管泡殼內(nèi)加入磁性鋼珠，放到測量探頭上，磁性鋼珠對霍爾傳感器施加的磁場強(qiáng)度而產(chǎn)生的霍爾電壓，通過硬件電路和軟件處理，用液晶屏顯示泡殼壁厚值，實現(xiàn)金鹵燈電弧管泡殼壁厚的無損測量，對控制泡殼生產(chǎn)質(zhì)量具有實用價值。參考文獻(xiàn)：1 何榮開，趙堅玉等. 石英玻璃泡殼數(shù)控成形設(shè)備的研究J. 機(jī)械設(shè)計與制造，2010（9）：120-1222 孫學(xué)珠，錢卉，陳興梧. 測量透明管壁厚的理論研究J. 光學(xué)技術(shù)，1999（3）：