作者：Microchip Technology混合信号和线性部门产品线市场经理Mark Smith博士
在过去的几年中，我们已经看到了人工智能（AI）的真正成熟。从自动工厂到无人驾驶汽车，卡车再到机器人司机，人工智能的诸多好处显而易见-无论是提高效率和盈利能力，还是改善生活质量。自动化机器的日益普及的一个关键特性是它们能够精确地测量位置和运动。
尽管可以通过不同的技术来测量位置，但我们看到的一种新兴技术是感应式位置传感器。该方法准确，经济高效，并且具有良好的抗噪能力。
但是，由于存在某些误解，阻碍了这项技术的应用。在这里，我们试图通过将感应式位置传感器，包括霍尔效应和磁阻传感器在内的可比较传感器技术并列来消除这些误解。
误解1：电感式传感器使用电感来测量位置
尽管电感式传感器的名称可能误导人们以为它测量电感，但其实际功能却大不相同。感应传感器通过使用金属目标中磁场的电磁感应来工作。而且，它使用法拉第定律的原理和空心变压器的已知特性来精确定位该磁场的干扰。用简单的语言来说，感应传感器通过测量导电目标对磁场的干扰来工作。
与依赖于永磁体产生的磁场的霍尔效应传感器和磁阻传感器不同，感应传感器使用的是变压器初级绕组产生的磁场。在此，将金属靶置于该磁场中，从而感应出涡流，抵消了磁场的影响，从而使靶的场强降至零。我们使用两个放置在不同物理位置的次级线圈来检测磁场。由于它们的位置不同，它们各自将检测到不同的电压。我们可以计算两个接收线圈电压的比率，以确定目标的位置。
误解2：感应式位置传感器无法准确测量位置
实际上，感应式位置传感器非常精确，特别是在其他基于磁体的系统显示次优性能的较高温度下。
首先，它们仅取决于自生磁场的干扰，而不受永磁体非线性特性的影响。这有助于在室温下将整个测量范围内的误差保持在+/-0.1％以下。即使在温度变化且目标与传感器之间存在气隙的情况下，误差范围也可以保持在+/-0.3％以下。同样，算法被设计为使得温度变化具有最小的影响。例如，当电感式位置传感器使用LC振荡器以1到6 MHz的频率激发磁场时，对位置没有影响。主振荡器在辅助接收通道中引起同步解调，但不会影响接收信号的幅度。
但是，考虑到传感器附近的金属物体对磁场的影响，可能需要进行一些校准。这个校准与温度变化无关。使用八个校准段的13位模数转换器（ADC）和32位处理器或Microchip Technology的LX3302A可帮助消除任何计算和量化误差。
误解3：电感式位置传感器的性价比不高
尽管人们普遍认为，负担能力是以高性能为代价的，但对于感应式传感器却并非如此。例如，对于霍尔效应和磁阻传感器，要获得良好的精度，必须使用具有适当公差和强度的永磁体。该磁体需要专门制造，这增加了成本。
相比之下，电感式传感器仅需要一块金属作为目标。当然，电感式传感器需要更大的PCB来布线传感器走线。但是，较大的PCB成本低于磁铁。实际上，如果您有未使用的现有PCB空间，则可以消除此成本。与其他解决方案相比，这使得电感式位置传感器更具成本效益。
误解4：对外部磁场的敏感性
与霍尔效应传感器和磁受体传感器不同，感应位置传感器使用主动解调来抑制由自动机产生的杂散磁场。
让我们以具有多个系统的下一代电动汽车为例，例如无刷直流（BLDC）电动机，电子助力转向和产生杂散磁场的制动辅助电动机。随着这些杂散磁场的增加，它提出了对新规范的需求，这些规范要求在更高的磁场下进行更多的抗扰度测试。当汽车电子设备在EMC认证期间受到4mT DC磁场的影响时，无论是动力转向，加速踏板，牵引转子位置，任何对安全至关重要的传感器都不会出现错误读数。由于感应式位置感测仅过滤其需要感测的频率，因此不受其他噪声的影响；与霍尔效应和磁阻传感器不同。
另外，由于它不使用任何磁性材料，因此它不可能吸收任何直流磁场。
误解5：感应式位置感应是基于新技术的
尽管感应式位置传感器提供了一种实现感应的新方法，但其基础技术已广为接受。感应式位置感应使用的原理与线性电压差动变压器（LVDT）密切相关。LVDT在机器人应用中使用一个初级线圈和两个次级线圈来检测金属轴的位置，而电感式位置传感器使用的技术相同，尽管只是PCB形式。电磁分解器也使用类似的技术。
无论是LVDT，旋转变压器还是电感式传感器，它们都使用由导电元件对磁场的干扰所感应的两个电压之比来感应位置。
误解6：由于冗余感应传感器，所需空间增加了一倍
确实，某些关键的汽车和工业应用需要冗余以确保最高的安全性。但是，这不必转换为PCB空间的两倍。相反，诸如优化PCB层和使用智能一次绕组技术之类的技术可以帮助节省空间。将两个传感器放置在相同的PCB空间中，可使它们共享相同的磁场，并通过磁场松散耦合，但仍提供电流隔离。在这种情况下，可以将次级电路放置在两个IC上，从而使它们能够输出独立且冗余的位置。这也将有助于提高应用程序的安全性。
误解7：适用性仅限于小型线性测量
当传感器的长度接近所需的近似测量范围时，电感式位置传感器显示出最佳的精度，因为这可以在最短的距离上缩放输出分辨率。但是，它们完全能够测量长度在5毫米至600毫米之间甚至超出实际应用范围的线性位置。振荡器产生正确的LC谐振信号的能力是长度的唯一限制因素。
无论哪种方式，感应式位置传感器均基于检测磁场中的干扰的原理来工作。对于线性测量，在许多实际测量范围内采用单一测量原理可以帮助实现所需的灵敏度。
在霍尔效应的情况下，当磁体从一个位置移动到另一个位置时，需要多路复用多个传感器，从而使分频器的处理变得复杂并且容易受到温度变化的影响。在电感式传感器的情况下不会发生此问题。
误区8：电感式位置传感器只能用于线性测量
电感式位置传感器非常适合于线性测量，但也可以用于电弧和旋转测量。可以使用感应传感技术的一些应用是在汽车踏板，空气阀，水阀和转子位置。在某些方面，一个360度旋转传感器几乎就像一个线性传感器，其两端弯曲成彼此相遇的形状。在所有这些情况下，电感式位置传感器均具有更高的精度和更好的抗噪性。
误解9：目标材料必须具有磁性
感应式位置传感器通过检测被金属目标干扰的磁场的变化来工作。但是，这并不意味着靶材必须由磁性材料制成。唯一的要求是目标材料允许涡流流动，以引起干扰。尽管可以使用铁等磁性材料，但当使用铜，铝或钢等优质导体时，电感式位置传感器的性能甚至更好。
误区10：需要通过输入功率进行编程2
传感器通常通过电源线，地线和输出引脚连接到发动机控制单元。如果电源引脚可以校准模块，则无需额外连接传感器PCB，从而节省了成本并最大程度地减少了组装问题。
然而，在需要微控制器的应用中，经常需要嵌入式应用使用另一个微控制器而不是专用测试系统对传感器进行编程。例如，可以通过GPIO引脚对Microchip的LX3302A进行编程。
误区11：难以获得设计方面的aax帮助
在早期，要获得良好的结果，就需要对磁场有深入的了解，需要使用高端的有限元仿真套件，更不用说有反复试验的余地了。
但现在，我们有IC供应商，可以通过评估板和套件将您带入从概念到实际PCB轨迹仿真的整个过程。甚至在测试PCB之前，用户还可以使用仿真结果获得误差估计。
如我们所见，电感式位置传感器在霍尔效应和磁阻传感器的准确性，抗杂散磁噪声和成本效益等方面具有多个优势。现在是时候在任何AI位置感应产品上尝试该技术了。
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