两个线性传感器IC的霍尔效应系统分析30 mm位移
两个线性传感器IC的霍尔效应系统分析30 mm位移
由Andrea Foletto，Andreas Friedrich和Sanchit Gupta
雷竞技竞猜下载Allegro微系统有限责任公司
经典霍尔传感系统使用磁体前面的单个传感器，但是磁场的线性测量仅限于短位移路径，除非使用具有大尺寸的磁体。某些应用不能容纳雷竞技最新网址系统中的大磁铁。需要确定该系统的解决方案，以便通过大的位移范围实现良好的线性响应。在此应用中，我们正在研究如何使用两个传感器IC来扩展线性检测的位移范围，使用典型的Allegro™Microsystems设备作为示例。
图1.两个具有两个的提出系统雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems A1363传感器集成电路和10毫米直径的圆柱形磁铁
介绍
所提出的系统包括两个线性霍尔传感器IC，其定位在彼此固定距离，并平行于磁体的翻译路径（图1）。两个传感器IC的霍尔元件之间的分离间距P取决于磁体长度L，并且与空气间隙，Ag无关。该过程称为逐个操作。
图2.按操作滑动;使用单个传感器IC和圆柱形磁体的经典配置示例
测量基于磁铁沿其极化方向（南北）的位移D轴，平行于两个IC形成的平面。这将IC暴露在磁铁的两极。图2显示了单个传感器IC的典型磁映射，用于使用圆柱形磁铁进行滑动操作。建议的系统具有10 mm长的圆柱形磁铁，允许通过30 mm的位移进行线性测量（±15 mm）约。单个传感器的磁映射如图3所示。
图3.单个传感器IC的结果的磁映射检测10mm长度为10 mm长度和10mm直径（如图1中的载玻片）的圆柱形磁体
根据图3中的映射的分析，可以观察到线性响应区域仅围绕磁体的中心，从而解释为什么只能用单个传感器测量短路径。在映射中更详细地看，可以观察到磁性分布非常类似于在大气隙范围内的正弦信号。如果两个传感器IC的磁映射结果被认为是正弦的，则当两个信号彼此处于90度相位差时，可以获得净最大线性范围。
可以用ARCTAN2功能处理具有90度相位差的两个正弦信号，以实现最大线性。表达式：
其中Hall1和Hall2分别是传感器1和传感器2的输出。
因此，在两个传感器IC之间需要确定最佳距离，使得可以实现90度相移，并且系统中存在较少的线性误差。图4报告了定位的两个传感器IC的映射，以便具有90度的相移。对于该特定情况，具有10mm直径为10mm长度的磁体，已经选择了7mm的传感器间距。
图4.磁通密度与磁铁位移
图5报告了代表位移运动的壁故应和最佳线性拟合。可以计算线性误差与线性曲线进行比较。线性误差曲线如图6所示。
图5。用于测量线性误差的arctan2结果的最佳拟合曲线
图6.磁系统的线性误差曲线
最小化线性误差的映射数据分析
在该部分中，将对在线性误差的影响，分析改变两个传感器IC（图1中的P）和气隙（AG）之间的间距的效果。可以通过在各种空气间隙处验证线性误差曲线来确定两个传感器IC之间的最佳距离。图7,8和9分别报告了3毫米，5.5毫米和7.5毫米的空气间隙的精度误差，同时改变3至8mm的传感器间距。可以注意到，7 mm间距在各种空气间隙处总体上总线误差给出了最小的线性误差。
图7.各种IC间距Ag = 3 mm的线性误差
图8.各种IC间距在AG=5.5 mm时的线性误差
图9.各种IC间距Ag = 7.5 mm的线性误差
可以认为传感器间距独立于气隙，因此下一步，传感器IC间距为7毫米的线性误差曲线已经绘制了3毫米，5.5毫米和7.5毫米的空气间隙（图10）。可以注意到，随着气隙的增加，线性误差会减少。在7.5mm的气隙下，可以测量30mm位移，精度为±1％。
图10。不同气隙下7 mm传感器间距的线性误差与位移
对于3mm、5.5mm和7.5mm的气隙，以及7mm的传感器间距，图11中报告了以毫米表示的线性误差公差与位移的关系。可以注意到，类似地，误差容限随着气隙的增大而减小。
图11.不同气隙下7mm传感器间距的线性误差公差范围（±mm）与绝对位移
通过磁模拟验证测量值
本节呈现出进一步的分析，该分析已经进行了7.5毫米，传感器间距为7毫米。通过磁系统的模拟可以验证映射的先前测量。将使用模拟结果进行类似的线性误差分析。用于磁模拟的工具是ANSYS®Maxwell®。
从实验（映射）和仿真结果的输出图的比较7.5 mm气隙和7mm的传感器IC间距为7mm。可以注意到，在这两种情况下，传感器IC响应非常相似于a正弦信号如预期的那样。
图12.具有传感器1和传感器2的磁体的实验和模拟值的霍尔输出结果
使用两个真实传感器IC和模拟的线性误差曲线如图13所示。错误已按毫米测量。可以注意到，磁模拟的线性误差结果非常相似，因为通过映射磁体的这些特定尺寸的结果给出的那些。
图13:A1363保持7 mm传感器IC间距和7.5 mm气隙的实验和模拟值的线性误差曲线
使用两个Allegro传感器IC的线性误差行为分析
在本节中，将考虑偏移和灵敏度误差的影响，因为这些误差在每个传感器中都是内在的。为此目的，将分析两个线性传感器IC的组合。使用7.5毫米的气隙和7mm的传感器间距。将使用一对的Allegro设备进行分析，首先使用A1363，然后是A1324。
A1363设备结果
Allegro A1363是一种低噪声，高精度，可编程的线性霍尔效应传感器IC，具有高带宽（120 kHz）模拟输出。对于该分析，使用7.5mm和7mm间距在两个A1363器件之间的气隙。
需要考虑固有的传感器错误来实现现实场景。通过完整的汽车温度范围，A1363器件的灵敏度和偏移误差是：
- A1363传感器计算的灵敏度误差= 2.68％
- 为A1363传感器计算偏移误差= 4.44g
错误编号基于设备数据表参数的最坏情况统计计算。
两个传感器IC的最糟糕的误差组合已用于分析。在等式2中，传感器1中，灵敏度误差和偏移误差已经被添加到了理想霍尔输出传感器1.对于传感器2（方程3），灵敏度的极性和偏移误差已经反向：
传感器1和传感器2的霍尔电压输出在图14中示出，并且由于偏移和灵敏度误差而没有移动。线性误差曲线如图15所示，考虑和没有灵敏度和偏移误差。图16中报告了7.5mm气隙和7mm传感器间距的可接受误差和7mm传感器间距。
图14:A1363霍尔输出结果，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
图15:A1363线性误差曲线，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
图16。A1363线性误差公差范围（±mm）与绝对位移的关系，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
A1324设备结果
Allegro A1324是一款具有模拟输出的低噪声线性霍尔效应传感器IC。在本分析中，两个A1324设备之间使用了7.5 mm的气隙和7 mm的间距。
需要考虑固有的传感器错误来实现现实场景。A1324设备的灵敏度和偏移误差通过完整的汽车温度范围：
- A1324传感器计算的灵敏度误差= 13.61％
- 为A1324传感器计算偏移误差= 27.10g
错误编号基于设备数据表参数的最坏情况统计计算。
已使用两个传感器IC的最差误差组合进行分析。在方程式4中，对于传感器1，灵敏度误差和偏移误差已添加到传感器1的理想霍尔输出中。对于传感器2（方程式5），灵敏度和偏移误差的极性已颠倒：
传感器1和传感器2的霍尔电压输出如图17所示，有无偏移和灵敏度误差引起的位移。线性误差曲线如图18所示，有无灵敏度和偏移误差都考虑在内。7.5 mm气隙和7 mm传感器节距的可接受误差是位移的函数t如图19所示。
图17. A1324线性误差曲线用于实验和仿真值，保持7毫米的传感器间距和气隙为7.5mm
图18:A1324霍尔输出结果，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
图19:A1324线性误差公差范围（±mm）与绝对位移的关系，考虑和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
用其他磁铁配置进行分析
通过另外两个圆柱形磁体配置进行进一步分析：
- 圆柱形磁铁直径为5mm和长度10 mm，这将被称为磁铁1
- 圆柱形磁铁直径为10 mm和长度为20 mm，这将被称为磁铁2
在前面章节中分析的直径为10 mm、长度为10 mm的圆柱形磁铁称为磁铁3。
在磁体1上执行的分析，与磁体3的前一部分中描述的分析表明，传感器IC之间的间距相同，7mm。直径差异不会影响传感器间距。
可以注意到，在磁体1的情况下，直径小于磁体3，减小了检测到的磁场强度。这意味着系统更容易受到传感器IC的敏感性和偏移误差。磁体2具有比磁体3更大的长度，并且为了使两个正弦信号偏移90度，两个传感器IC应具有12mm间距。
可以注意到，利用较长的磁体（磁体2），可以用较少的线性误差测量较大的位移。例如，可以以±0.03％的精度或60mm位移测量30mm位移，精度为±0.5％（图20）。通过应用后处理线性化可以更加提高结果（图21）。
图20.对于各种磁体配置，线性误差容差范围（±mm）与绝对位移的比较
图21.角膜误差曲线线性化的影响减少线性误差
结论
通过使用直径为10mm和长度10mm（称为磁体3）的两个理想的传感器IC和圆柱形磁体，可以以±1％的精度测量30mm位移。
两个传感器IC以90度相位差产生两个正弦信号的方式定位;在这种情况下，在7 mm间距。
磁体的直径不会使用理想传感器影响最大位移，如磁体1所示，但是，在这种情况下，当传感器IC公差（偏移和精度）具有时，预期检测的磁场强度降低和更高的误差被考虑在内。
通过增加磁铁的长度为1-20mm，如磁铁2的情况下，也可以测量具有±0.03％的精确度，或60毫米位移的±0.5％的精度30mm的位移。在这种情况下，应调整传感器IC的间距，以便在90度相差处具有两个正弦信号。
当包括传感器IC的灵敏度和偏移误差时，线性误差受到轻微影响。增加的线性误差取决于传感器IC的类型和磁场强度。对于非常精确的系统，可使用以下技术进一步降低线性误差：
- 使用两个以上的传感器IC
- 使用大尺寸的磁铁
- 使用后处理补偿，例如线性化以纠正残余错误
从上述分析中可以看出，在位移范围测量和误差容限方面，磁模拟结果与各种磁铁的经验测量结果具有很好的相关性。因此，可以采用经验方法和模拟方法。