3.2 磁传感器：设计模拟接近传感器

[音乐播放] 大家好，欢迎观看此 TI 高精度实验室 系列关于磁位置传感的另一个视频。 我叫 Ian Williams，现任电流和磁感应 产品线的应用经理。 具有单极输入的线性霍尔效应传感器， 如 DRV5056，被广泛用于 高分辨率非接触式距离测量。 在本视频中，我们将讨论典型的应用 要求和系统化的简易设计流程，持续生成一个 强大的模拟接近感应 解决方案。 设计流程是作为一个 简单易用的 DRV5056Excel工具实现的， 可以从 ti.com 下载。 在典型应用中，线性霍尔效应 传感器测量沿直线 运动磁体南北轴的 磁通密度变化。 指定了在最坏情况下传感器和磁体 即 d1 和 d2 之间的距离。 其目的是通过处理传感器输出来 精确测量 d1 和d2 之间的距离。 因此，具体的设计 目标是实现较高的 测量精度和分辨率，同时满足 对磁体尺寸和成本的限制。 为了获得准确的结果，必须确保 传感器输出不会在距离范围内 饱和。 为防止饱和发生，施加到传感器的 磁通密度必须在传感器的线性输入范围内。 对于常见的磁体形状，存在 沿磁体南北轴的磁通密度的 标准闭合形式表达式， 其可以用于选择合适的磁体 以避免出现饱和问题。 测量精度的另一个重要考虑因素是 磁体距离-传感器输出传递函数的 固有非线性。 虽然很容易求解磁通密度 b， 但如果传感器输出电压已知， 则对于给定的 b 值，假设磁体属性 是已知的，很难求解距离 z 的 磁体方程。 因此，必须将传递函数 校准为更简单的模型， 最好是线性模型， 以便更容易地求解磁体距离。 作为示例，动画演示了 如何将传递函数拟合到由 从相关距离范围内的五个点导出的四个 分段组成的分段线性模型。 每条线的斜率和截距可以 存储在校准表中， 并根据传感器的输出电压实时检索， 以计算出相应的磁体距离。 信噪比或 SNR会影响最小 可分辨距离，而且是近距离传感 应用中的另一个重要性能参数。 通过最大化信号和最小化噪声， 可以使信噪比最大化。 用于最大化传感器输出信号 分量的简单策略包括使用比例式 传感器并在最大允许电源电压下运行。 比例式传感器的输出范围随电源电压而变化， 因此使用最大 Vcc可产生最大输出摆幅。 例如，DRV5055 和DRV5056 是比例式传感器， 在最大电源电压下提供近 4.9 伏的 输出信号摆幅。 另一方面，DRV5053是一种非比例式传感器， 在任何电源电压下都能提供约 1.62 伏的固定 输出范围。 此外，您还可以使用具有单极输入范围的传感器， 例如 DRV5056。 由于此应用中相同的磁引力面向 传感器，因此使用单极传感器 可以利用整个输出范围 来表示输入磁场值的整个范围。 另一方面，具有双极输入范围的 传感器，例如 DRV5055， 仅为每个极性的输入分配一半的输出范围。 在相同的输入范围内，只有一半的输出范围可用， 假设两种情况下输入参考噪声相同， 信噪比会降低两倍。 您还可以选择将 d1 映射到 VL max 的磁体， 这是传感器线性输出范围的 上限。 这是为了确保满量程距离范围 映射到更容易解决的更大信号级别。 使输出噪声最小化的最明显方法是 通过传感器输出端的物理 RC 网络 进行低通滤波，或者通过平均多个输出 样本。 请注意，低通滤波会给带宽带来 不利之处，这会降低输出的 建立时间。 另一种选择是使用灵敏度 较低的器件，这相当于 输入参考噪声的增益较低。 请注意，输入参考噪声 对于给定霍尔效应器件的所有灵敏度变化 都是相同的。 然而，由于灵敏度较低，需要较大的输入信号 来产生所需的输出摆幅。 并且在相同距离范围内产生较大的输入信号 需要较大的磁体，这会增加系统成本。 我们现在将讨论迭代设计过程， 简化接近感应应用的传感器 和磁体的选择， 如幻灯片 2 所述。 建议使用 DRV5056以获得最佳性能。 目标是通过将 d1 映射到 传感器输出范围的上限 VL max 来防止传感器饱和，并使给定传感器和 磁体规格的信噪比最大化。 在 d1 和电源电压已知的情况下， 第一步是在 Vout 与距离图上 定位点 d1 VL max。 DRV5056 的 VL max比电源电压低 约 200 毫伏。 使用磁体和传感器输入/输出 传递函数，计算并绘制传感器输出 以获得相对于 d1和 VL max 的多个距离值。 如果在 d1 和 VL max 处的Vout 之间存在较大误差， 则提高灵敏度或使用较大的磁体。 现在绘制新的 Vout与距离曲线。 如果 d1 处的 Vout 饱和，则降低灵敏度 或使用较小的磁体。 再次，绘制新的Vout 与距离曲线。 如果 d1 处的Vout 不再饱和， d1 VL max 处的Vout 之间的误差足够小， 且磁体尺寸令人满意， 则选择过程完成。 否则，重新调整器件灵敏度 或磁体尺寸并重复该过程。 在 DRV5056 产品文件夹的 “工具和软件”选项卡中，可以下载 此设计过程的便捷 Excel 实现。 单击 DRV5056距离测量工具的链接 可下载该文件。 在工具的左侧，可以输入 前面幻灯片中讨论的所有 设计约束。 右侧的磁通密度和 DRV5056 输出 电压图根据您的输入 进行实时更新。 这为优化距离测量应用 提供了一种快速而准确的方法。 此外，还提供了“帮助”选项卡 其中包含有关如何使用该工具的说明， 以及指向其他磁距离测量有用资源的链接。 有关霍尔效应传感器的更多信息和视频， 请访问 ti.com/halleffect。