带有两个线性传感器集成电路的30 mm位移霍尔效应系统分析
带有两个线性传感器集成电路的30 mm位移霍尔效应系统分析
作者:Andrea Foletto, Andreas Friedrich和Sanchit Gupta
雷竞技竞猜下载Allegro Microsystems，LLC
经典的霍尔传感系统使用磁铁前的单个传感器，但磁场的线性测量仅限于短位移路径，除非使用大尺寸的磁铁。某些应用不能在系雷竞技最新网址统中容纳大磁铁。为了在大位移范围内实现良好的线性响应，需要为此类系统确定一个解决方案。在本应用笔记中，我们正在研究如何通过使用两个传感器集成电路，以典型的Allegro™MicroSystems设备为例，扩展线性检测的位移范围。
图1所示。拟议的两个系统雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems A1363传感器IC和一个直径10毫米的圆柱形磁铁
介绍
所提出的系统包括两个线性霍尔传感器IC定位在彼此固定的距离，并且平行于磁体（图1）的平移路径。分离节距，P，两个传感器IC的霍尔元件之间依赖于磁体长度，L，并且独立的空气间隙，AG。这个过程称为滑动由操作。
图2。削减操作;使用单个传感器IC和圆柱形磁铁的经典配置示例
测量基于沿其极化（南北）轴的磁体的位移D，其平行于由两个IC形成的平面。这将IC暴露于磁铁的两极。图2示出了从单个传感器IC的典型磁映射，用于通过圆柱形磁体滑动。所提出的系统具有10mm长的圆柱形磁体，允许大约30mm（±15mm）的位移线性测量。从单个传感器的磁映射如图3所示。
图3.单个传感器IC检测长度10mm和直径10（滑动通过构造如在图1）的圆筒形磁体的结果的磁性映射
从图3中的映射的分析，可以观察到线性响应的区域是仅围绕从而解释了为什么只有很短的路径可以用一个传感器来测量磁铁的中心。在该映射寻找更详细地说，可以观察到，磁分布是非常类似于在大的空气间隙范围内的正弦信号。如果用于两个传感器IC的磁性定位结果被认为是正弦的，则可以当两个信号彼此90度的相位差来获得一个净最大线性范围。
具有90度相位差的两个正弦信号可以与arctan2功能，以实现最大线性处理。表达式由下式给出：
其中Hall1若要和Hall2是传感器1的输出，并分别传感器2。
要和两个传感器IC之间确定这样的最佳距离的需要，使得90度的相移，可以实现有较少的线性误差在系统中。图4报告定位以具有90度的相移2个传感器IC的映射。对于这个特定的情况下，具有直径为10毫米和10毫米的长度的磁体，7mm的传感器间距已被选定。
图4.磁通密度与磁体位移
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. ARCTAN2的最佳拟合曲线，以测量线性误差
图6。磁系统线性误差曲线
映射数据分析以最小化线性误差
在本节中，改变两个传感器IC（P在图1中）和气隙（AG）之间的间距的影响将被分析对线性误差的影响。两个传感器IC之间的最佳距离可以通过在不同的空气间隙验证线性误差曲线来确定。图7，图8和图9报告为3毫米，5.5毫米，和7.5 mm空气间隙中的精度的误差，同时改变传感器间距的3至8毫米。可以注意到的是7毫米间距整体给出最小线性误差在各个气隙。
图7。在AG = 3 mm时，各种集成电路俯仰的线性误差
图8.各种IC间距Ag = 5.5 mm的线性误差
图9。在AG = 7.5 mm时的线性误差适用于不同的集成电路节距
可以认为传感器间距与气隙无关，因此下一步绘制了3mm、5.5 mm和7.5 mm气隙下传感器IC间距为7mm的线性误差曲线(图10)。可以看出，线性误差随气隙的增大而减小。在7.5 mm的气隙中，可测量30 mm的位移，精度为±1%。
图10.线性误差与位移相比，在各种空气间隙处为7 mm传感器间距
以毫米为单位的线性误差耐受性，在图11中报告了3毫米，5.5毫米和7.5毫米的空气间隙，具有7毫米传感器间距。可以注意到，同样地，随着气隙的增加而蚀刻耐误差。
图11.线性误差容差范围（±mm）与绝对位移，在各种空气间隙处为7毫米传感器间距
通过磁模拟验证测量结果
本节对7.5 mm的气隙和7 mm的传感器间距进行了进一步分析。通过对磁系统的模拟，可以验证先前测绘的测量结果。对仿真结果进行类似的线性误差分析。磁模拟使用的工具是ANSYS®Maxwell®。
输出地块从实验（映射）和仿真结果7.5毫米气隙和传感器IC 7毫米间距的比较示于图12中可以注意到，在这两种情况下，传感器IC响应是非常类似于一个正弦信号，如所预期。
图12。霍尔输出结果为实验值和模拟值的磁体与传感器1和传感器2
使用两个真实传感器集成电路和仿真的线性误差曲线如图13所示。误差是以毫米为单位测量的。可以注意到，磁模拟的线性误差结果与这些特定尺寸磁体的映射结果非常相似。
图13. A1363用于实验和仿真值的线性误差曲线，保持7毫米传感器IC间距和气隙为7.5毫米
使用两个Allegro传感器IC的线性误差行为分析
在本节中，偏移和灵敏度误差的影响将被考虑，因为这些误差在每个传感器本征的。为了这个目的，两个线性传感器IC的组合进行分析。为7.5mm的空气间隙和7毫米传感器间距已被使用。将通过Allegro设备对第一使用来进行该分析，A1363，其次是A1324。
A1363设备结果
Allegro A1363是一款低噪声、高精度、可编程线性霍尔效应传感器IC，具有高带宽(120khz)模拟输出。在这个分析中，两个A1363设备之间使用了7.5 mm的气隙和7 mm间距。
固有传感器误差需要考虑到一个现实的场景。A1363装置在全汽车温度范围内的灵敏度和偏移误差为:
- A1363传感器计算的灵敏度误差= 2.68%
- A1363传感器计算的偏移误差= 4.44 G
中的错误编号基于设备数据表参数的最差情况统计计算。
两个传感器IC的错误的最坏组合已被用于该分析。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的霍尔电压输出如图14所示，带有或不带有由于偏移和灵敏度误差而产生的位移。考虑灵敏度和偏置误差，线性误差曲线如图15所示。图16报告了7.5 mm气隙和7 mm传感器螺距作为位移函数的可接受误差。
图14. A1363霍尔输出结果与不考虑传感器IC偏移和敏感性误差
图15. A1363线性误差曲线，而不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
图16. A1363线性误差容差范围（±mm）与绝对位移，有和不考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
A1324设备结果
Allegro A1324是具有模拟输出的低噪声线性霍尔效应传感器IC。对于该分析，使用7.5mm和7mm间距在两个A1324器件之间的气隙。
固有传感器误差需要考虑到一个现实的场景。A1324装置在整个汽车温度范围内的灵敏度和偏移误差为:
- A1324传感器计算的灵敏度误差= 13.61%
- 对于A1324传感器= 27.10ģ计算出的偏移误差
中的错误编号基于设备数据表参数的最差情况统计计算。
两个传感器IC的错误的最坏组合已被用于该分析。在等式4中，对于传感器1，感应误差和偏移误差已被添加到传感器1的理想霍尔输出中。对于传感器2（方程5），敏感性和偏移误差的极性已经反转：
传感器1和传感器2的霍尔电压输出如图17所示，带有或不带有由于偏移和灵敏度误差而产生的位移。考虑灵敏度和偏置误差，线性误差曲线如图18所示。图19报告了7.5 mm气隙和7 mm传感器螺距作为位移函数的可接受误差。
图17。A1324线性误差曲线的实验和模拟值保持7mm传感器间距和空气间隙7.5 mm
图18. A1324霍尔输出结果与不考虑传感器IC偏移和敏感性误差
图19. A1324线性误差容差范围（±mm）与绝对位移，而无需考虑传感器IC偏移和灵敏度误差
分析与其他磁体配置
对另外两种圆柱形磁铁结构进行了进一步分析:
- 直径为5mm，长度为10mm的圆柱形磁铁，称为磁体1
- 圆柱形磁体具有10mm直径和长度为20毫米，这将被称为磁铁2
在前一部分10mm和长度10mm的前一部分中分析的圆柱形磁体将被称为磁体3。
对磁体1所做的分析，与前面章节对磁体3所做的分析相同，表明传感器ic之间的间距是相同的，为7毫米。直径的差异并不影响传感器的节距。
值得注意的是，当磁体1直径小于磁体3时，探测到的磁场强度会降低。这意味着系统更容易受到传感器集成电路的灵敏度和偏移误差的影响。磁铁2的长度比磁铁3要长，为了使两个正弦信号偏移90度，两个传感器ic的间距应为12毫米。
值得注意的是，使用较长的磁体(磁体2)，可以以较小的线性误差测量较大的位移。例如，30mm位移的测量精度为±0.03%，60mm位移的测量精度为±0.5%(图20)。通过应用后处理线性化(图21)，结果可以得到进一步改善。
线性误差容许范围的图20的比较（±毫米）对绝对位移，关于各种磁体构造
图21。arctan误差曲线的线性化对减小线性误差的影响
结论
通过使用两个理想的传感器集成电路和一个直径为10毫米、长度为10毫米的圆柱形磁铁(称为磁铁3)，可以以±1%的精度测量30毫米的位移。
两个传感器集成电路的定位方式是产生90度相位差的两个正弦信号;在这种情况下，相当于7毫米间距。
磁体的直径并不影响理想传感器的最大位移，如磁体1所示，但在这种情况下，检测到的磁场强度降低，当考虑到传感器IC公差(偏移和精度)时，预期会有更高的误差。
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，传感器IC的间距应以具有两个正弦信号以90度的相位差进行调整。
当包括传感器IC的灵敏度和偏移误差时，线性误差会略微影响。增加的线性误差取决于传感器IC的类型和磁场强度。在非常精确的系统的情况下，可以使用例如以下技术进一步减少线性误差：
- 使用两个以上的传感器ic
- 使用具有大尺寸的磁铁
- 使用后处理的补偿，如线性化，以正确的残差
根据上述分析，可以注意到，对于位移范围测量和误差，磁模拟结果与各种磁体的经验测量相比非常好。因此，可以遵循经验和模拟方法。