霍爾效應(yīng)位置感測：滑動(dòng)配置的響應(yīng)線性度和斜率

霍爾效應(yīng)傳感器為位置感測提供了高效的解決方案。使用霍爾傳感器，傳感器和運(yùn)動(dòng)部件之間沒有機(jī)械連接，因此可以獲得更高的可靠性和耐用性。

霍爾效應(yīng)傳感器為位置感測提供了高效的解決方案。使用霍爾傳感器，傳感器和運(yùn)動(dòng)部件之間沒有機(jī)械連接，因此可以獲得更高的可靠性和耐用性。

有幾種不同的磁傳感器配置可用于基于霍爾效應(yīng)的位置感測應(yīng)用。在本文中，我們將研究一種可以產(chǎn)生線性高斯與距離曲線的滑動(dòng)磁配置。我們還將看到可以使用磁鐵組合來調(diào)整高斯與距離曲線的斜率。 

線性度可能是一個(gè)決定因素 

在上一篇文章中，我們研究了簡單的正面和側(cè)滑配置。這兩種布置如圖 1 所示。

圖1(a)。正面和(b)滑動(dòng)感應(yīng)。

我們看到感測場和距離之間的關(guān)系在上述安排下是非線性的。這些磁傳感器配置通常用作精度要求不是非常苛刻的應(yīng)用中的接近檢測器。

然而，當(dāng)需要沿傳感行程對位置進(jìn)行精細(xì)控制時(shí)，我們更愿意在傳感器輸出和位移之間建立線性關(guān)系。事實(shí)上，雖然我們可以使用軟件來消除傳感器線性誤差，但線性響應(yīng)是可取的，因?yàn)樗梢蕴岣邷y量精度并便于系統(tǒng)校準(zhǔn)。 

線性滑動(dòng)感應(yīng)

圖 2(a) 顯示了一種滑動(dòng)排列，它在感測磁場的 z 分量與磁體位移之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。圖 2(b) 顯示了磁通密度（在 z 軸方向）與磁體行程的關(guān)系。

圖2(a)。具有線性響應(yīng)的滑動(dòng)配置(b)磁通密度與磁鐵位置

當(dāng)磁鐵位于傳感器的左側(cè)（x<0）時(shí)，磁鐵的磁場線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與 z 軸方向相反的分量。請注意，磁力線從磁鐵的北極到南極。

圖 3 顯示了穿過傳感器的磁力線之一。

圖 3.通過霍爾效應(yīng)傳感器的磁力線方向

因此，對于 x<0，感測磁場的 z 分量為負(fù)。當(dāng)磁鐵到達(dá)中心位置時(shí)，z 方向的磁場將為零。對于正位移（x>0），磁場會(huì)產(chǎn)生z軸方向的分量（正磁場）。對于任一方向的大位移，較少數(shù)量的場線可以通過傳感器。因此，傳感器感測到的磁場減小。   

這種布置的關(guān)鍵特征之一是磁場的 z 分量與原點(diǎn)周圍的位移呈線性關(guān)系。該線性范圍如圖 2(b) 所示。線性區(qū)域的長度略小于磁體的長度。例如，對于 22 毫米的磁體，線性區(qū)域可以從大約 -10 毫米擴(kuò)展到 +10 毫米。這種線性行為使我們能夠更輕松、更準(zhǔn)確地檢測移動(dòng)物體的位置。

如果我們需要更大的線性范圍怎么辦？

我們可以使用更長的磁鐵來增加上述配置的線性范圍；但是，某些應(yīng)用無法在系統(tǒng)中容納大磁鐵。此外，對于長磁鐵，成本可能是一個(gè)限制因素。如果需要檢測比磁鐵長度更長的行程，我們可以使用傳感器陣列來擴(kuò)展測量范圍。如圖 4 所示。

圖 4.使用多個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器來增加線性范圍

在這種情況下，我們需要處理來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)以找到物體位置。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱此TI 應(yīng)用說明。

檢測物體的存在

圖 2 中的滑行配置也可用于檢測對象的存在（而不是確定對象在其行程中的位置）。假設(shè)在圖 2(a) 所示的示例中，磁鐵從左到右平行于 x 軸移動(dòng)。假設(shè)我們的數(shù)字（開/關(guān)）霍爾效應(yīng)傳感器的磁性操作點(diǎn)和釋放點(diǎn)如圖 5 所示。 

圖 5.使用滑行配置進(jìn)行開/關(guān)檢測

隨著磁鐵從左到右接近傳感器，磁場強(qiáng)度變得越來越大。在 D2 處，感測到的磁場等于開啟傳感器的磁工作點(diǎn)。將磁鐵靠近傳感器會(huì)產(chǎn)生更大的磁場并使傳感器保持開啟狀態(tài)。

現(xiàn)在，如果我們朝相反的方向（從右到左）移動(dòng)傳感器，磁場就會(huì)減弱。在 D1 處，磁場變得小于關(guān)閉傳感器的釋放點(diǎn)。這使我們能夠檢測到對象的存在。我們還可以使用此結(jié)構(gòu)在對象筆劃中定義一個(gè)參考點(diǎn)（傳感器的切換點(diǎn)）。

根據(jù)圖5中的磁通密度與距離曲線，給定的磁通密度可以由兩種不同的位移產(chǎn)生。這就是為什么上述布置通常用于機(jī)械結(jié)構(gòu)以傳感器切換只能在一個(gè)特定位移處發(fā)生的方式限制物體行程末端的應(yīng)用。這可以防止在解釋結(jié)果時(shí)出現(xiàn)任何歧義。

增加高斯與距離曲線的梯度

我們在上面討論過，數(shù)字（開/關(guān)）霍爾效應(yīng)傳感器可以與滑動(dòng)配置一起使用，以定義物體行程中的參考點(diǎn)。如果我們可以增加高斯與距離曲線的斜率，我們可以更地檢測參考點(diǎn)。

斜率越大，給定位移導(dǎo)致磁場強(qiáng)度變化越大，傳感器更容易檢測到。圖 6(a) 顯示了一個(gè)磁系統(tǒng)，其斜率大于圖 2(a) 中配置的斜率。

圖 6.使用多個(gè)磁鐵提高場強(qiáng)分辨率

在這種情況下，一對磁鐵的北極和南極相對于傳感器移動(dòng)?？偞艌鲇蓛蓚€(gè)磁鐵的磁力線決定。在這種布置中，距離是相對于磁體對的中心測量的。圖 6(b) 顯示了感應(yīng)磁場的 z 分量與距離的關(guān)系。在中心位置 (x=0)，穿過傳感器的一個(gè)磁體北極的磁力線數(shù)等于另一個(gè)磁體南極的磁力線數(shù)。因此，凈磁通密度為零。

假設(shè)我們將磁鐵從中心位置向右移動(dòng) (x>0)。這突然增加了來自南極的磁力線的數(shù)量，并產(chǎn)生了具有正 z 分量的磁場。類似地，當(dāng)我們將磁鐵從中心位置 (x<0) 向左移動(dòng)時(shí)，我們會(huì)獲得一個(gè)具有負(fù) z 分量的相對較強(qiáng)的磁場。在原點(diǎn)附近，曲線的梯度高于圖 2(a) 中的滑行配置，因?yàn)閺谋睒O到南極的過渡是突然發(fā)生的。高斯與距離曲線的這種相對較大的斜率可以幫助我們更準(zhǔn)確地定義移動(dòng)物體的參考位置。