面向工业应用的Micronas 3D霍尔传感器第二代产品

概况

Micronas在3D霍尔技术平台上开发了第二代传感器产品。新的HAL 37xy产品系列有卓越的温度稳定性，能高水平地经受气隙和磁场范围变化，具有多种诊断功能和有效的保护电路。该种产品可以在汽车和工业应用中用来进行旋转运动和角度测量，可以在严酷环境中替代电位计、电阻式线性位移传感器和光学线性编码器。产品是无磨损的，具有高可靠性和高测量精度，并且可以进行绝对位置测量。

1. 介绍-Micronas第二代3D霍尔产品

传统的霍尔传感器只能感应于芯片表面垂直的磁场。而Micronas的HAL 37xy系列产品带有斩波偏置补偿的两块垂直霍尔片和一块水平霍尔片以探测X、Y、Z磁场分量。一个信号调节器和一个信号处理器能够读取三个磁场分量中的任意两个，并且计算出上至40毫米的绝对线性位置和360度以内的角度。通过一个系统自带的标定功能，系统设计者们可以把标定信息储存在芯片上的EEPROM里来改善某个特定系统的性能表现。，所有HAL37xy产品都可以通过调制输出电压编程，因此不需要额外的编程引脚。

除在Z方向上测量磁场的霍尔元件以外，该产品还在X和Y方向有垂直霍尔元件。如果用一个附加的磁通量收集器来在X和Y方向收集磁场分量，Micronas的独立垂直霍尔元件能够消除通量收集器造成的场线扭曲，并且改进传感器的动态范围和表现。垂直霍尔元件的改进也将改进偏置补偿和提高精确性，同时降低能耗。

2. 3D霍尔原理的测量方案

角度测量

HAL 37xy系列产品同样适用于360度内的角度测量。产品可以在轴端或轴侧适用（图2）。如图3所示，一个360的旋转就带来在Bx和By或者Bx和Bz的一个正弦和一个余弦输出，通过传感器里的DSP就能通过反正切函数计算角度。输出电压是和测量的角度直接成比例。

Micronas 3D传感器的优势有

•   真正的单芯片360度角度测量

•   在整个温度范围内精度优于+/- 1.5°

•   可扩展至多圈旋转

•   优异的表现

•   没有通量集中器导致的磁场干扰

•   不需要开始点参考来进行线性化

•   在整个磁场范围内表现高度线性

•   对气隙变化不敏感

产品在从零下40摄氏度到170摄氏度的整个温度范围内保持精度。这让系统标定更简单，更有空间。

线性位置测量

使用Micronas 3D传感器来测量线性位置的原理，是基于传统二维磁场测量和垂直，用一个传统霍尔片和两片合适的垂直霍尔片来分别测量两个方向上的磁场。因为磁场是由不同的霍尔片感应的，两个磁场的正交关系可以被降级。Micronas的33点标定算法可以去除这一扭曲并且在40毫米范围内达到1.5%以下误差的良好精度。图5显示了使用Micronas线性选法的线性结果。这证明了正弦和余弦信号扭曲导致的非线性错误可以由改进的算法大大消除。

与寻常的霍尔传感器相比，新一代的3D霍尔产品有下列优势：

•   对温度变化和其他大气因素不敏感

•   对气隙变化不敏感

•   可以使用小40%的磁铁

3 典型的工业应用

集成了3D霍尔传感器传感模块可以适用于汽车和工业上的多种应用，可以代替旋转电位计、线性电位计和光学编码器。

3.1 非接触式角度位置传感器

3D霍尔传感器适合于非接触式角度位置探测，可在很多工业应用取代旋转电位计，比如运送机械、生产性机械，或者消费类产品，诸如摇杆应用、踏板和节气阀、按键开关，杠杆、驱动元件和机械耦合。

工业摇杆

摇杆可使用于传送或运输设备，商用车和特殊用途车辆，及对安全严格要求的人际界面。和基于电位计的技术相比，基于3D霍尔的非接触式传感技术在摇杆应用上有多种优势：没有时间长了就会磨损的活动部件，对温度变化不敏感在磁铁和传感器间的气隙变化不敏感，能更好经受灰尘和液体，这样能够改善应用的可靠性和使用寿命。传感器在生产线（线端）标定，这补偿了机械误差也降低应用的成本。

在商用和特殊用途车辆上的节气阀传感器

节气阀传感器探测节气阀的位置和角度，并将信息传回发动机管理单元，用该数据计算发动机油汽比。产品较长的使用寿命有助于应用的稳定性并且减少弃置物。而带有多个金属刷的电位计在使用一段时间以后会出现磨损，从而改变电阻值并最终导致油汽混合偏离。

3.2 非接触式线性位置传感器

HAL 37xy系列产品可以实现非接触式线性传感，可以在广泛的应用中替代线性电位计、差动变压器和光学编码器，比如水力电气比例阀和气压缸位置传感器，OEM检查机，液压系统中的液位传感器，HVAC空气调节系统中的节气阀位置传感器等。

例如：水力电气比例阀中的非接触式位移传感器

线性位置探测模块可取代差动变压器（LVDT）或者基于电阻的线性传感器，用于诸如工程机械中水力电气比例阀里的活塞位置探测，或者自动化机械。

与传统的LVDT方案相比，带3D霍尔的线性传感模块有各种优势。尺寸更小，能够通过编程选择偏置和敏感度。对机械误差造成的气隙变化不敏感，带有温度补偿。在零下40度到零上150度的温度范围和液压下总精度为15%。与电阻式线性传感器不同，HAL37xy系列产品不会出现因磨损带来的故障。

HVAC系统中用于测量阀门位置的非接触式线性传感器

动力阀片的位置可以被控制，同时通过控制开、半开或关闭位置来控制通过阀门的气流。

在这个应用中，非接触式线性传感器经常和电位计正面竞争。因为电位计要和应用部件直接接触，所以在测得数据重现或者磁滞方面会出现问题。特别是在持续振动的情况下，接触处会产生默算，使得输出数据质量降低。在诸如剧烈震动和极端温度等严酷的运行环境中，机械接触甚至可能导致电路毁坏。

HAL37xy传感器以非接触的方式测量线性位移，这在严酷的运行环境下非常实用。实用非接触式，测量数据可以很好再现并且保持精度，在整个动力阀的生命周期里节约维护成本及系统调节成本。

4. 总结

基于3D霍尔德心产品系列HAL37xy能以非接触的方式测量40毫米内的位移和360度内的角度，可以替代旋转电位计、电阻式线性传感器和差动变压器，在严酷的环境中提供高精度和高稳定性。