磁敏元件在智能燃气表上的应用方案

冯宏法

杭州先锋电子技术股份有限公司 浙江杭州 310052

我在《NB-IoT通信技术在智能燃气表上的应用》中有提到，燃气表从1983年日本推出的低功耗控制表开始，到现在无线智能燃气表，智能燃气表发展已经有30多年历史，干簧管计量原理在智能燃气表中一直得到广泛应用。从简化质量控制、优化生产工艺和提高生产效率等方面出发，干簧管计量方案逐步的被霍尔方案所替代。本文重点从原理和功能方面讲解干簧管传感器与霍尔传感的优缺点。

1 智能燃气表基本原理

智能燃气表由膜式燃气表、计量单元、阀门控制器、微处理器（MCU）、显示单元、时钟电池、无线通信模块和IC卡接口等附加装置组成，具有燃气计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息远程交互和安全管理等功能，如图1、2。

图2

图1

智能燃气表将基表的机械传动，由数轮上的磁钢对计量传感器（干簧管、霍尔或磁阻磁敏元件等）磁感应作用下，计量传感器产生相应触发信号，一个触发信号循环产生一个计数脉冲，从而形成燃气表计量循环过程。一个最小计量循环过程即为脉冲当量，常规脉冲当量有0.01m3、0.1m3、和1m3等。

2 干簧管原理

干簧管由两片可磁化的双金属簧片，密封于一玻璃管中，两簧片分隔的距离约几个µm，玻璃管体内装填有高纯度的惰性气体，正常状态时，两片簧片并未接触，如图3。当外加的磁场作用时，两片簧片端点位置附近产生不同的极性，当吸引力大于簧片的弹力时，常开接点就会吸合，如图4；当磁力减小到一定程度时，接点被簧片的弹力打开。采用永久磁铁的方位和方向对干簧管作用，以实现电路的通断，从而形成计数的过程。

图3

图4

3 霍尔原理

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，见图5、6。

4 磁敏元件的设计应用

基于磁场与磁敏元件之间开关点（吸合与断开极限点）的三维模型，根据磁敏元件的灵敏度误差，再结合磁钢的强度衰退率和结构装配的误差，在确保磁敏元件处于安全可靠的磁感应强度范围内，完成磁敏元件、磁钢和结构装配选型设计。

图6

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

图5

5 计量单元生产加工

由磁敏元器件、PCB板、电阻和连接线等组成计量单元模块。使用专用成型设备对干簧管加工，通过手动焊接或SMT自动贴片等加工成计量单元。再对功能进行检测，最后做相应的三防处理，完成计量单元的生产，如图2。

6 干簧管与霍尔优缺点

霍尔它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。

类型 干簧管 霍尔 备注灵敏度 低 高结构设计 简单 复杂电路设计 简单 较复杂抗振动干扰 差 好应用制造过程 高 简单抗静电能力 强 弱外形体积 大 小使用寿命（动作次数）（工作6h/d，30年）以G4膜式燃气表为例

7 结语

随着电子科学技术时代的发展，传感器技术更新迭代，新的传感传感器技术越来越成熟，但是在发展过程中，由于不同应用场景和成本因素的需要，干簧管传感器会在很长一段时间，一定程度上得以应用。