霍尔效应位置传感：滑动配置的响应线性度和斜率

了解有关霍尔效应传感解决方案的各种决定（特别是滑移式配置）如何影响您的设计。

霍尔效应传感器为位置感测提供了高效的解决方案。使用霍尔传感器，传感器和运动部件之间没有机械连接，因此可以实现更高的可靠性和耐用性。

有几种不同的磁传感器配置可用于基于霍尔效应的位置传感应用。在本文中，我们将研究一种可以产生线性高斯与距离曲线的滑动式磁性配置。我们还将看到可以使用磁铁组合来调整高斯与距离曲线的斜率。

线性度是一个决定因素

在上一篇文章中，我们研究了简单的正面和侧滑配置。这两种排列如图1所示。

图 1 (a)。 正面和(b) 滑动感应。

我们看到感测场和距离之间的关系在上述安排下是非线性的。这些磁传感器配置通常在精度要求不高的应用中用作接近检测器。

然而，当需要沿传感行程精确控制位置时，我们更喜欢传感器输出和位移之间的线性关系。事实上，虽然我们可以使用软件来消除传感器的线性误差，但线性响应是可取的，因为它可以提高测量精度并便于系统校准。

线性滑动传感

图 2(a) 显示了一种滑动式排列，它展示了感测磁场的 z 分量与磁体位移之间的线性关系。图 2(b) 显示了磁通密度（在 z 轴方向）与磁铁行程的关系。

图 2 (a)。 具有线性响应的滑动式配置 (b) 磁通密度与磁铁位置的关系

当磁铁位于传感器左侧时 (x<0)，磁铁的磁场线会在 z 轴的相反方向产生一个分量。请注意，磁力线从磁铁的北极到南极。

图 3 显示了穿过传感器的其中一条场线。

图 3。 通过霍尔效应传感器的磁力线方向

因此，对于 x<0，感测磁场的 z 分量为负。当磁铁到达中心位置时，z 方向的磁场将为零。对于正位移 (x>0)，磁场将在 z 轴方向产生一个分量（正磁场）。对于任一方向的大位移，较少数量的场线可以通过传感器。因此，传感器感测到的磁场减小。

这种布置的关键特征之一是磁场的 z 分量与围绕原点的位移呈线性关系。该线性范围如图 2(b) 所示。线性区域的长度略小于磁铁的长度。例如，对于 22 毫米的磁铁，线性区域可以从大约 -10 毫米延伸到 +10 毫米。这种线性行为使我们能够更轻松、更准确地检测移动物体的位置。

如果我们需要更大的线性范围怎么办？

我们可以使用更长的磁铁来增加上述配置的线性范围；然而，某些应用无法在系统中容纳大磁铁。此外，对于长磁铁，成本可能是一个限制因素。如果需要检测比磁铁长度更长的行程，我们可以使用传感器阵列来扩展测量范围。如图 4 所示。

图 4。 使用多个霍尔效应传感器来增加线性范围

在这种情况下，我们需要处理来自多个传感器的数据以找到对象位置。有关更多详细信息，请参阅此 TI 应用笔记。

检测物体的存在

图 2 中的侧滑配置还可用于检测对象的存在（而不是确定对象在其行程上的位置）。假设在图 2(a) 所示的示例中，磁铁平行于 x 轴从左向右移动。假设我们的数字 (ON/OFF) 霍尔效应传感器的磁性操作和释放点如图 5 所示。

图 5。 使用滑动配置进行开/关感应

随着磁铁从左到右接近传感器，磁场强度变得越来越大。在 D2，感测到的磁场等于开启传感器的磁工作点。将磁铁靠近传感器会导致更大的磁场并使传感器保持开启状态。

现在，如果我们沿相反方向（从右到左）移动传感器，磁场会减小。在 D1，磁场变得小于使传感器关闭的释放点。这使我们能够检测对象的存在。我们也可以用这个结构来定义物体笔划中的一个参考点（传感器的开关点）。

根据图 5 中的磁通密度与距离曲线，可以通过两个不同的位移产生给定的磁通密度。这就是为什么上述布置通常用于机械结构限制物体行程终点的应用中的原因，传感器切换只能在一个特定位移发生。这可以防止在解释结果时出现任何歧义。

增加高斯与距离曲线的梯度

我们在上面讨论了数字（开/关）霍尔效应传感器可以与滑行配置一起使用，以定义对象笔划中的参考点。如果我们可以增加高斯与距离曲线的斜率，我们可以更精确地检测参考点。

斜率越大，给定的位移导致磁场强度的较大变化，传感器越容易检测到该变化。图 6(a) 显示了一个磁系统，其斜率大于图 2(a) 中的配置。

图 6。 使用多个磁铁提高场强分辨率

在这种情况下，一对磁铁的北极和南极相对于传感器移动。整个磁场由来自两个磁铁的磁场线决定。在这种布置中，距离是相对于磁体对的中心测量的。图 6(b) 显示了感应磁场的 z 分量与距离的关系。在中心位置 (x=0)，穿过传感器的一个磁体北极的磁力线数等于另一磁体南极的磁力线数。因此，净磁通密度为零。

假设我们从中心位置 (x>0) 向右移动磁铁。这会突然增加来自南极的磁力线数量，并产生一个具有正 z 分量的磁场。类似地，当我们将磁铁从中心位置 (x<0) 向左移动时，我们会获得一个具有负 z 分量的相对较强的磁场。在原点附近，曲线的梯度高于图 2(a) 中的滑动配置，因为从北极到南极的过渡发生得很突然。高斯与距离曲线的这种相对较大的斜率可以帮助我们更准确地定义移动物体的参考位置。

这种滑动配置还有另外两个有趣的变体。一个版本将两个磁铁隔开一小段固定距离。这使我们能够减少从北极到南极的突然过渡，从而调整原点周围响应的斜率。另一个版本使用三个磁铁的组合。这可以在任一方向上创建具有大斜率的对称响应。在检测与中心线的偏差时，对称响应非常有用。要了解有关这两种配置的更多信息，请参阅霍尼韦尔的“霍尔效应传感和应用”手册。

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