一種角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

韓玉萌　韓嘉驊

摘要：操縱桿的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)角度等信息是工程機(jī)械控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，其中，角度傳感器是獲取此種參數(shù)的關(guān)鍵部件，為此，設(shè)計(jì)了一種適用于操縱桿的新型非接觸角度傳感器。首先，在結(jié)構(gòu)上，使運(yùn)動(dòng)部件與電氣組件空間分離，經(jīng)測(cè)試達(dá)到IP68的防護(hù)等級(jí)；通過外殼和背板配合實(shí)現(xiàn)電路板的雙重固定，無(wú)需連接件和連接工序，裝配方便；通過扇形柱實(shí)現(xiàn)機(jī)械定位，且修改扇形柱圓心角度數(shù)可任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。此外，選擇了合適的磁鋼，通過仿真驗(yàn)證其合理性。通過向霍爾芯片寫入傳感器磁系統(tǒng)、溫度漂移系數(shù)及磁場(chǎng)強(qiáng)度偏移量的方式補(bǔ)償傳感器，并利用線性化工具校正輸出以減小對(duì)線性誤差的影響。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性能并與Elobau的424ZE120傳感器作比較。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于霍爾效應(yīng)的GD-868ZE120傳感器具有良好的性能，能滿足工程機(jī)械及其他大部分工業(yè)場(chǎng)所的使用要求。

關(guān)鍵詞：非接觸式；霍爾效應(yīng)；操縱桿；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；角度傳感器

中圖分類號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.03.008

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 03-0047-08

Structural Design and Performance Verification of an Angle Sensor

HAN Yumeng，HAN Jiahua

（ School of Mechanical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：The working state and real-time angle of joystick are the key parameters of construction machinery control system. To obtain such parameters， a new non-contact angle sensor is designed. First of all， by separating the moving parts from the electrical components in space， it reaches the protection class of IP68. The double fixation of the circuit board is realized through the cooperation of the shell and the back plate without connecting parts and connecting processes， which simplifies the assembly and makes it become convenient. The mechanical positioning is realized through the sector column， and the adjustable rotation range is achieved by modifying the degree of the circle center angle of the sector column. In addition， an appropriate magnetic steel is selected and its rationality is verified by simulation. The sensor is compensated by writing the temperature drift coefficient and magnetic field strength offset of the sensor magnetic system to the Hall chip. Linearization tools are used to correct the output so as to reduce the influence on the linearity error. The performance is experimentally verified and compared to Elobau's 424ZE120 sensor. The results show that the GD-868ZE120 sensor based on Hall effect has good performance， which meets the application requirements of construction machinery and most other industrial places.

Key words：non-contact；hall effect；joystick；structural design；angle sensor

操縱桿是工程機(jī)械中的重要控制部件，其工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)角度等信息是工程機(jī)械控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)[1]，該參數(shù)主要由角度傳感器采集。角度傳感器決定該參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響工程機(jī)械的精準(zhǔn)控制。磁電式角度傳感器是當(dāng)前角度傳感器發(fā)展的重要方向[2]，較普通電位計(jì)壽命長(zhǎng)[3]，在角度參數(shù)測(cè)量方面具有廣大的應(yīng)用前景[4]。工程機(jī)械上使用的傳感器容易受到鹽霧、水汽等的侵害。現(xiàn)有傳感器雖提高了密封性，但或未將磁鋼與電氣組件分離[5]；或以比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分離，但磁鋼的旋轉(zhuǎn)及精準(zhǔn)定位都需借助齒輪嚙合方可完成[6]。且部分傳感器為使電路板固定可靠還采用了熱鉚工藝，加工生產(chǎn)較為不便[7]。此外，溫度變化也會(huì)對(duì)傳感器的輸出特性產(chǎn)生影響[8-9]。

針對(duì)以上問題，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的霍爾角度傳感器，以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁鋼與電氣組件的分離、轉(zhuǎn)動(dòng)端相對(duì)傳感器主體的位置限定、良好的密封性以及電路板的固定。其次結(jié)合所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)磁鋼進(jìn)行選型，并對(duì)該磁鋼作用下傳感器的線性度進(jìn)行仿真。此外，還將溫度因素考慮在內(nèi)，采集傳感器在不同溫度下的磁場(chǎng)分量，利用軟件計(jì)算磁鋼溫度漂移系數(shù)補(bǔ)償傳感器，并用線性化工具優(yōu)化輸出。最后通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，采集本文所設(shè)計(jì)的GD-868ZE120傳感器和424ZE120傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較各項(xiàng)性能。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的傳感器具有良好的性能。

1 傳感器設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 角度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的非接觸式角度傳感器，脫離了摩擦接觸，有效改善了傳統(tǒng)電位器壽命短的弊端，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.磁鋼固定座；2.霍爾磁鋼；3.外殼；4.橡膠密封條；5.隔離板；6.霍爾芯片；7.霍爾PCB；8.背板；9.線束。

圖1 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

傳感器主要由保護(hù)殼、轉(zhuǎn)動(dòng)組件及電控組件組成。保護(hù)殼包括外殼、背板及橡膠密封條。外殼和背板通過定位柱和定位槽進(jìn)行裝配，同時(shí)二者利用設(shè)置的凹槽相互配合完成橡膠密封圈的固定。此種裝配方式連接簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，減小了傳感器整體尺寸，使傳感器便于安裝在空間狹小的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)動(dòng)組件包括磁鋼固定座和隔離板。磁鋼固定座嵌入外殼小端圓柱孔，其內(nèi)部放置霍爾磁鋼，用膠水固定；隔離板則與外殼進(jìn)行裝配，靠近磁鋼固定座敞口端。電控組件包括霍爾PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）及霍爾磁鋼。霍爾磁鋼與霍爾PCB上的霍爾芯片采用軸端裝配，二者配合工作。磁鋼與傳感器表面平行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)的角度變化，該磁場(chǎng)角度變化量通過霍爾元器件采集，并經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換為數(shù)字量或者模擬量的角度輸出信號(hào)輸出。傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系唯一確定，可通過線路板直接獲取輸出電壓。

工程機(jī)械工作環(huán)境通常非常惡劣，粉塵入侵、油污、水汽及鹽霧等會(huì)對(duì)霍爾PCB造成污染和腐蝕。通過隔離板，以一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)將霍爾PCB與磁鋼安裝空間分離，兩個(gè)空間互不連通，同時(shí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件（包括磁鋼固定座和磁鋼）與電氣元件的隔離。一方面，避免將PCB暴露在空氣中受外界環(huán)境的影響，進(jìn)而影響輸出電壓的準(zhǔn)確性，能夠給傳感器提供初步的保護(hù)。另一方面，將磁鋼與電氣元件隔離，便于生產(chǎn)組裝。為了保證密閉性，通過背板上的兩個(gè)圓孔灌膠，填充了傳感器內(nèi)部多余空間。同時(shí)，為了防止膠水滲入隔離板影響轉(zhuǎn)動(dòng)端旋轉(zhuǎn)，在隔離板與外殼內(nèi)腔臺(tái)階的配合面上采用迷宮密封。迷宮密封的方式為膠水的流動(dòng)創(chuàng)造了一條復(fù)雜的路徑，使得膠水很難穿過密封影響到傳感器運(yùn)動(dòng)部件。這樣電氣元件和機(jī)械組件經(jīng)密封處理且相互獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)傳感器形成二次保護(hù)，進(jìn)一步增強(qiáng)電氣元件的密封性，使傳感器防塵、防水和耐腐蝕性更強(qiáng)。

磁鋼固定座小端部分沿軸向有一側(cè)平面，裝配時(shí)起定位作用。磁鋼固定座與外殼上還對(duì)應(yīng)開設(shè)有一段扇形柱，通過改變扇形圓柱圓心角度數(shù)的大小可調(diào)節(jié)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)端對(duì)傳感器主體的機(jī)械限位。隔離板對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)端也起到軸向限位的作用，使轉(zhuǎn)動(dòng)端上安裝的磁鋼相對(duì)于PCB的位置恒定，定位更有保障，減小了實(shí)際安裝時(shí)z方向上的公差對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

霍爾PCB置于外殼內(nèi)部，嵌入對(duì)應(yīng)凹槽中。通過過盈配合固定在外殼上，裝配牢固。同時(shí)背板上開有一個(gè)長(zhǎng)度略小于霍爾PCB的凹槽，其與外殼相配合可進(jìn)一步加固霍爾PCB，實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾PCB的雙重固定。

傳感器實(shí)物如圖2所示。

1.2 磁鋼的選用

傳感器在實(shí)際安裝中，在x、y和z方向上總是存在機(jī)械公差。在z方向的公差會(huì)影響磁場(chǎng)強(qiáng)度，旋轉(zhuǎn)中心的偏移，即x或y方向的變化會(huì)導(dǎo)致振幅不匹配、偏移等誤差。為了更好地對(duì)抗偏心的魯棒性，傳感器上使用大直徑的磁鋼[10-11]。一個(gè)大直徑的磁鋼會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更大的均勻面積，使在x或y方向上的偏移量相對(duì)于磁鋼直徑可忽略不計(jì)，因此可以允許存在更高的機(jī)械公差。另外，雖然傳感器與磁鋼之間的最大距離和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的相關(guān)性并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式，但仍可用以下方法進(jìn)行粗略估計(jì)[12]：

ΔT＝T－T0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Ddrift＝Tc·ΔT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

B25℃×（100%－Ddrift）＝BT×100%? ? ?（3）

式中：T為高于常溫的溫度，℃；T0為常溫，取25℃；ΔT為溫度差值，℃；Ddrift為磁強(qiáng)度漂移；Tc為傳感器所用磁鋼的溫度系數(shù)，取鐵氧體標(biāo)準(zhǔn)溫度系數(shù)，-0.2%/℃；B25℃為本文所設(shè)計(jì)的傳感器常溫下所需磁場(chǎng)強(qiáng)度，mT；BT為高溫下磁場(chǎng)強(qiáng)度至少需達(dá)到的值，mT。

傳感器的絕對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為20～150 mT，高溫條件下至少需達(dá)到20 mT，即BT＝20 mT。

計(jì)算得：B25℃＝23 mT

磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了傳感器和磁鋼的最大距離，磁鋼距離霍爾芯片較遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)酰糁車衅渌艌?chǎng)干擾，傳感器容易失效。相反，若磁鋼距離霍爾芯片太近，導(dǎo)致芯片飽和，傳感器也不能正常工作。據(jù)此，結(jié)合所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)，本文選用直徑8 mm的磁鋼，磁鋼與霍爾芯片的距離為3.1 mm。

2 傳感器性能仿真

采用TDK公司的Microna_Simulator[13]仿真，觀察傳感器在選定磁鋼作用下的非線性輸出誤差。首先確定仿真所需參數(shù)。采集傳感器所用磁鋼作用下霍爾芯片通道1[14]的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量ΦBCH1，如圖3所示。

Ooffset＝－（ΦBCH1max＋ΦBCH1min）/2? ? ?（4）

式中：Ooffset為偏移量，mT。

計(jì)算得：Ooffset＝-1834 mT

其次，選擇線性比例范圍。本文設(shè)計(jì)的傳感器為模擬量輸出，有用的鉗位電平必須位于誤差帶邊界內(nèi)（滿量程電壓Vsup的7%～93%），故線性比例范圍選擇為10%～90%，輸出范圍為0.5～4.5 V（Vsup＝5 V）。最后，磁鋼溫度系數(shù)為-0.2%/℃，仿真環(huán)境溫度為25℃。

傳感器的性能仿真結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在選定磁鋼的作用下，傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸出值呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)要求，且傳感器絕對(duì)最大線性度誤差為0.15 V。下面通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其真實(shí)性能。

3 傳感器性能測(cè)試及對(duì)比

3.1 測(cè)試方案

通過聯(lián)軸器連接傳感器與57步進(jìn)電機(jī)，由57步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，測(cè)試臺(tái)如圖5所示。對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編碼，使其步進(jìn)角為5°。測(cè)試時(shí)通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳感器磁鋼正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，利用TDK的測(cè)量工具M(jìn)easurementtool[13]讀取傳感器輸出的DAC值，每轉(zhuǎn)過5°讀取一次，并將數(shù)據(jù)保存在excel表中。

測(cè)試傳感器溫漂特性時(shí)，加熱傳感器，使其表面溫度穩(wěn)定在85℃左右。電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)5°采集一次數(shù)據(jù)，并保存成excel表。

3.2 傳感器輸出優(yōu)化

從仿真結(jié)果看，雖然傳感器輸出整體呈線性，但與理論輸出值仍有較大偏差，因此進(jìn)一步優(yōu)化傳感器。首先，計(jì)算磁系統(tǒng)溫度偏移系數(shù)和補(bǔ)償后的磁場(chǎng)強(qiáng)度偏移量[13]。將二者寫入芯片內(nèi)存中可減小線性運(yùn)動(dòng)范圍末端誤差、降低溫度漂移對(duì)線性誤差的影響、減小氣隙變化對(duì)線性誤差的影響以及可在性能相同的情況下允許小尺寸的磁鋼。但由于整個(gè)溫度范圍內(nèi)傳感器的磁性系統(tǒng)溫度行為未知或非線性，因此保持磁鋼在固定位置，在不同溫度下（至少三個(gè)，其中一個(gè)為室溫）利用Measurementtool獲取補(bǔ)償后的溫度值T和磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)Φ來(lái)創(chuàng)建“溫度行為數(shù)據(jù)文件”，用來(lái)計(jì)算溫度偏移系數(shù)，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

然后，計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度偏移量[13]。利用TDK的Calibration tool對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定[13-14]。芯片可輸出的DAC值有效范圍為0～32767，本文所設(shè)計(jì)的傳感器輸出范圍為滿量程的10%～90%，可轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍為0°～120°。標(biāo)定結(jié)束后，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)。利用Measurement tool每5°采集一次DAC值和CH1_COMP（Compensation，補(bǔ)償）值[14]，進(jìn)行第一次0°～120°范圍內(nèi)的角度測(cè)量。其中，采集到的CH1_COMP值如圖6所示。

將圖6數(shù)據(jù)代入式（4），計(jì)算得偏移量為-0.305 mT。

其次，將“溫度行為數(shù)據(jù)文件”和偏移量值寫入信號(hào)路徑中，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算并更新偏移系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。將更新后的偏移系數(shù)寫入芯片內(nèi)存中。

最后，利用TDK公司的Linearization tool對(duì)所采集的DAC值進(jìn)行線性化處理[13]，對(duì)采集到的傳感器的每一輸出值進(jìn)行校準(zhǔn)修正。完成信號(hào)修正后，進(jìn)行第二次角度測(cè)量。線性化前后的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖8（a）所示。結(jié)果表明，線性化處理后傳感器輸出更接近理論輸出（由Linearization tool根據(jù)導(dǎo)入的excel文件數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出的線性值），與理論值的最大偏差由0.07 V減小為0.06 V，如圖8（b）所示。小于仿真時(shí)得到的非線性誤差0.15 V（25℃），性能提高，達(dá)到修正目的。

3.3? GD-868ZE120與424ZE120性能對(duì)比

ELOBAU的424ZE120角度傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械角度測(cè)量。測(cè)量得到424ZE120、GD-868ZE120傳感器的線性度、溫漂等特性參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析，并驗(yàn)證密封性。此外還測(cè)量傳感器的重復(fù)性和遲滯性能，做進(jìn)一步對(duì)比，判斷所設(shè)計(jì)的傳感器性能優(yōu)劣。

（1）線性度性能比較

將傳感器按照測(cè)試方案中的方式連接，采集424ZE120、GD-868ZE120傳感器輸出數(shù)據(jù)如圖9所示?？梢钥闯觯?24ZE120傳感器輸出電壓最大非線性絕對(duì)誤差為0.15 V，根據(jù)線性度定義[15]計(jì)算得該傳感器線性度為3.75%；GD-868ZE120傳感器輸出電壓最大非線性絕對(duì)誤差為0.12245 V，計(jì)算得線性度為3.06%，小于424ZE120的線性度。故GD-868ZE120傳感器線性度優(yōu)于424ZE120傳感器。

（2）溫漂特性比較

在25℃和85℃時(shí)，分別記錄424ZE120、GD-868ZE120傳感器輸出數(shù)據(jù)，得到圖10?？梢钥闯?，424ZE120傳感器輸出最大輸出差值為0.1 V，根據(jù)溫漂定義[15]算得溫漂為0.167 V/℃；GD-868ZE120傳感器最大輸出差值0.067444 V，溫漂0.1124% V/℃，小于424ZE120傳感器的溫漂，可以判斷出溫度變化對(duì)GD-868ZE120傳感器的影響更小。

（3）GD-868ZE120傳感器IP68性能測(cè)試

首先通過傳感器背板上的兩個(gè)圓孔灌膠，然后將傳感器置于水下1 m，保持72 h。其次，將傳感器置于2 L壓力桶中，用空壓機(jī)向壓力桶加壓，直至壓力桶壓力表讀數(shù)為0.2 MPa，保持30 min。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖11所示。最后測(cè)量傳感器輸出，得到相應(yīng)變化曲線，如圖12所示。

由圖12可知，GD-868ZE120傳感器在測(cè)試后正、反行程最大非線性誤差絕對(duì)值分別為0.126 V、0.117 V，小于424ZE120傳感器最大非線性誤差0.15 V。綜上，GD-868ZE120傳感器在經(jīng)IP68測(cè)試后仍具有良好的工作性能，密封性良好，滿足IP68性能指標(biāo)，優(yōu)于424ZE120。

（4）重復(fù)度性能比較

測(cè)得424ZE120、GD-868ZE120傳感器的重復(fù)度曲線如圖13所示。可以看出，424ZE120傳感器正程輸出最大不重復(fù)誤差為0.06 V，反程輸出最大不重復(fù)誤差為0.07 V，根據(jù)重復(fù)度定義[15]計(jì)算得該傳感器正、反行程的重復(fù)度分別為1.5%、1.75%；GD-868ZE120傳感器正程最大不重復(fù)誤差為0.014 V，小于424ZE120傳感器正程最大不重復(fù)誤差，反行程最大不重復(fù)誤差0.0116 V，小于424ZE120傳感器反程最大不重復(fù)誤差。且GD-868ZE120傳感器正程重復(fù)度0.35%、反程重復(fù)度0.29%，分別對(duì)應(yīng)小于424ZE120傳感器的重復(fù)度。經(jīng)過對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的GD-868ZE120傳感器的重復(fù)度更佳。

（5）遲滯特性比較

測(cè)試得到424ZE120、GD-868ZE120傳感器的遲滯特性曲線如圖14所示。

可以看出，424ZE120傳感器正、反行程間的最大輸出差值為0.08 V，故根據(jù)遲滯定義[15]計(jì)算得該傳感器遲滯為2%；GD-868ZE120傳感器最大輸出差值為0.015 V，計(jì)算得遲滯為0.375%，小于424ZE120傳感器的遲滯。經(jīng)過對(duì)比，本文所設(shè)計(jì)的GD-868ZE120傳感器比424ZE120傳感器遲滯小，符合預(yù)想設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文完成了GD-868ZE120角度傳感器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了傳感器角度測(cè)量范圍的靈活設(shè)置、轉(zhuǎn)動(dòng)端對(duì)傳感器主體的位置限定、磁鋼與霍爾PCB的空間隔離、良好的密封性以及霍爾PCB的雙重固定。選擇了合適的磁鋼，通過仿真得到了很好的線性輸出。并計(jì)算傳感器實(shí)際的磁系統(tǒng)溫度漂移系數(shù)和磁場(chǎng)強(qiáng)度偏移量對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償以及對(duì)傳感器輸出值進(jìn)行線性化處理，進(jìn)一步優(yōu)化了傳感器輸出性能。經(jīng)過測(cè)試，線性化處理后傳感器輸出值與理論值的偏差進(jìn)一步減小，非線性誤差小于仿真時(shí)得到的誤差值，驗(yàn)證了上述方法的合理性。通過實(shí)驗(yàn)采集GD-868ZE120角度傳感器與ELOBAU的424ZE120傳感器輸出值，對(duì)比各項(xiàng)性能指標(biāo)。

結(jié)果表明，與ELOBAU的424ZE120傳感器相比，GD-868ZE120傳感器具有更好的線性度、溫漂、防水防塵性能、重復(fù)度以及遲滯，滿足設(shè)計(jì)要求。

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