非接触式高精度位置传感器

1.使用线性霍尔效应传感器进行位置传感的优势

●将磁通密度转换为模拟电压

线性霍尔效应传感器可检测磁体的磁通密度，并输出与其成正比的模拟电压。通过监测放置在运动部件上的磁体的磁通密度，它可以检测到非常微小的运动。  根据磁体的类型(形状和磁化方向，例如水平或垂直方向)，它可以应用于各种应用，包括线性和旋转位置传感。

本页介绍使用ABLIC的单轴线性霍尔效应传感器IC S-5611A系列进行位置传感。 S-5611A  系列具有响应速度快、噪声低和可编程输出电压增益等特点，可实现高精度检测。

●可同时用作电流传感器和位置传感器

线性霍尔效应传感器集成电路既可以用作电流传感器，也可以用作位置传感器。

用作电流传感器时

该IC通过磁芯检测导线中产生的磁通密度，并输出相应的模拟电压，然后利用该模拟电压来确定电流水平。

当用作位置传感器时

磁铁连接在运动部件上，集成电路 (IC) 检测磁通密度的变化。与电流检测类似，IC 输出一个与磁通密度成正比的模拟电压。

在位置检测中，选择合适的磁体类型可以实现对磁通密度细微变化的响应控制。磁体磁力的方向称为磁化方向，分为水平和垂直两种。通过机械结构优化磁化方向，可以实现各种应用，例如线性和旋转位置检测。

与采用数字信号处理器 (DSP)  处理的IC(例如用于绝对角度传感器的集成电路)相比，S-5611A的主要优势在于其更快的检测速度，因为它采用模拟信号处理。其业界领先的*1快速响应(1.25μs  *2)显著缩短了检测延迟时间。

此外，由于需要 DSP 处理的传感器成本较高，使用 S-5611A 还有助于优化整体系统成本。

*1 基于我们的研究 *2 400kHz 频率带宽内的值

与具备DSP和其他数字计算功能的绝对角度传感器的响应时间比较

2. 适用于位置传感(旋转/滑动检测)的磁铁

●适用于旋转检测的磁铁

用于旋转检测的磁铁是圆形磁铁，其磁化方式使得S极和N极偏离中心分布。  当磁铁旋转一周时，线性霍尔效应传感器IC检测到的磁通密度呈正弦曲线变化。对于位置检测，则利用输出波形中心电压附近的线性部分。线性电压(模拟电压)输出以中心电压(默认2.5V)为中心，此时S极产生正偏差，N极产生负偏差。

在旋转角度约为 120° 或更小的范围内，该集成电路可以作为绝对角度传感器或旋转编码器的低成本替代方案，有助于降低整体系统成本。

磁体接收到的磁通密度与输出电压的关系

下图展示了施加于线性霍尔效应传感器集成电路( S-5611A  )的磁通密度与其对应输出电压之间的关系。实线表示施加于集成电路的磁通密度，虚线表示集成电路的输出电压。

输出电压以 2.5V 的参考电压为中心 (2.5V ± 2.5V)。 在本例中，当IC接收到约 26mT 的最大磁通密度时，在增益设置为 90mV/mT  的情况下，其输出电压约为 4.8V。这意味着，施加在集成电路上的磁通密度每变化 1mT(增加或减少)，输出电压就会变化 90mV。

*参考电压是可编程的。

适用于滑动检测的磁铁

对于滑动检测，可以使用水平或垂直磁化的磁铁。  当磁铁靠近IC时，输出电压会升高(因为磁通密度更高);当磁铁远离IC时，输出电压会降低(因为磁通密度更低)。改变磁铁的磁化方向或尺寸，可以使系统支持多种运动模式。

下图显示了滑动检测的输出波形。利用输出波形中以输出电压中点为中心的虚线区域，可以实现线性检测。此外，调整磁体宽度可以使磁通密度特性曲线更加陡峭或更加平缓。

用于检测平行和垂直运动的磁通密度示意图

3.非接触式位置传感的优势

●消除机械音量控制、踏板及类似组件的设计隐患

无接触故障风险

机械音量控制(接触式音量调节元件)中的电阻元件会因老化而随时间推移变得不稳定。相比之下，线性霍尔效应传感器集成电路无需物理接触即可检测位置，因此不受接触失效的影响。

即使在恶劣环境下也能稳定运行

即使在灰尘、沙粒或水等恶劣环境下，只要磁体和IC采用模塑或涂层密封，即可实现稳定的检测。这消除了旋转或滑动程度可能无法正确检测的担忧。此外，该器件还可替代多个霍尔开关，实现以单个线性霍尔效应传感器集成电路替代多个霍尔开关的应用。

4.其他用途-旋转/滑动量检测的应用示例

●多触点开关(换挡杆/数字万用表)

当用作选择器时

通过将线性霍尔效应传感器IC的线性检测范围划分为多个区域，可以区分不同的位置，从而实现位置检测。每个开关位置都预设了一个电压范围，IC会输出该范围内的电压。MCU通过监测该电压，即可实现非接触式位置确定。  由于无需担心接触故障，因此该方法具有极高的耐用性。

当使用多个磁性开关(例如，5 位开关)时

单个线性霍尔效应传感器集成电路即可替代这些开关，并提供相同的功能。

●滑动位置检测(浮动传感器 1)

线性霍尔效应传感器IC检测浮子内嵌入磁体的磁通密度变化，并输出模拟电压。通过调整磁体的磁化方向和尺寸，该系统可以适应各种运动模式。由于峰值电压较高，这种配置能够实现高灵敏度检测。

●旋转位置检测(浮动传感器 2)

浮子会根据液位上下移动。嵌入浮子内的磁铁的位置经过精心设计，使其能够随着浮子的运动绕轴旋转。线性霍尔效应传感器IC检测磁通密度的变化，并将其输出为模拟电压。通过让微控制器(MCU)监测该电压，即可确定浮子的位置。在这种配置下，电压变化比前面描述的滑动位置检测方法更为平缓。

●旋转位置检测(踏板踩踏量检测、音量旋钮旋转检测)

输出会根据踏板踩下的细微程度而变化。内置于机械装置中的磁铁可以绕轴旋转，偏离默认位置。产品根据检测到的磁通密度对应的输出进行控制。

此功能可应用于旋转位置检测应用，例如音量旋钮，其调节角度通常在 0° 到 120° 之间。在不需要输出线性度的情况下，也可以检测大约 0° 到 180°  的旋转位置。

5.需要磁性设计方面的帮助吗?

●隆重推出我们的磁模拟服务

ABLIC 提供“磁体仿真服务”，可为客户系统提供磁体与磁传感器 IC 的理想组合。  通过此服务，您可以降低磁体设计方面的难度，并在原型制作前验证磁体和磁传感器 IC  的运行性能。这种前期验证有助于减少所需的原型数量、缩短开发周期并降低开发成本，从而优化组件，提高性价比。

6. 试用 ABLIC 的线性霍尔效应传感器 IC

S-5611A系列

https://www.ablic.com/en/doc/datasheet/linear\_hall\_ics/S5611A\_E.pdf