Allegro ATS344LSP磁后偏微分线性传感器IC的应用及优势

Allegro ATS344LSP磁后偏微分线性传感器IC的应用及优势

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作者:Yannick Vuillermet，
亚博棋牌游戏快板微系统欧洲有限公司

简介

本应用笔记的目的是给洞察的典型使用快板ATS344LSP后偏微分线性传感器IC。该传感器的主要应用是测量线性运动，如轴向位移。

为了正确使用，该传感器必须与设计良好的移动铁磁目标相关联。后偏置排列和差分传感技术需要特定的目标形状来产生有用的磁信号。

ATS344LSP包括一个两线输出接口，并在封装中集成了一个旁路电容器，这使得它适合于分散传感(典型的汽车应用)，而不需要印刷电路板。亚博尊贵会员

与通常用于线性位置测量的磁传感器相比，ATS344LSP具有独特的性能优势。

在下面的应用说明中，描述ATS344LSP传感原理，解释其磁配置的优点，并显示一个典型的用户应用。

ATS344LSP测量原理

ATS344LSP在单个封装中包括两个霍尔板和HP₁和惠普₂，间隔3毫米，稀土磁铁，位于这些传感元件的后面(见图1)。

磁体沿y轴磁化，两个霍尔板沿y轴测量场强。传感器测量差分场ΔB = B₂- B₁．B₂磁场是用HP测量的吗₂和B₁磁场是用HP测量的吗₁．

在图2中，ATS344LSP传感器被放置在一个基本铁磁目标的前面。提醒一下，铁磁材料是一种在外部磁场中被磁化的材料。铁磁材料也倾向于集中局部磁场线。大多数钢都是铁磁性的。

在这种情况下，目标获得磁化作为传感器后偏磁体的结果。这个目标磁化产生它自己的磁场，这是由两个霍尔板感应HP₁和惠普₂．

两个霍尔板也看到来自磁铁的背景磁场(称为磁铁基线)。然而，在理想情况下，磁体基线场在差分操作期间被有利地减去。

由于图2中的目标形状，霍尔板1感知
比霍尔板多场2:微分场ΔB₁= B₂- B₁是负的且大的。

下式中，气隙定义为目标与传感器的最近点与传感器封装表面之间的距离(参见图2)。

当目标移动到左边时，如图3所示，差分字段ΔB₂仍然是负的，但是B₁和B₂．这种差分磁场变化的原因是单个霍尔板上测量的磁场水平与传感器到目标的距离之间的非线性行为。

这个非线性函数可以在图4中看到，它演示了由单个霍尔板感应到的场与该霍尔板与铁磁目标之间的距离的典型行为(使用任意单位)。该图还以红色表示图2的情况，以绿色表示图3的情况。

因此，ATS344LSP感知到的差分场ΔB是目标唯一位置的直接测量(图5)。

ATS344LSP与其他磁性排列的优点

ATS344LSP提供了一种独特而有利的测量线性位移的方法。下面介绍测量线性位移的其他常用技术。

第一种常见的技术使用单个场测量(例如，单个霍尔板)与零高斯(或0 G)环形磁铁(图6)相关联。零高斯磁铁是磁铁
设计为在霍尔板位置没有场(即磁铁基线为零)。环形磁铁也沿着y轴被磁化。

零高斯磁体与单霍尔板ic一起使用，以限制温度变化导致的传感器不准确性(例如，SmCo稀土磁体损失约4%的
其强度在150°C相比20°C)。非零高斯磁体具有很高的基线磁场，并且该磁场随温度的变化很难补偿。

对应的Allegro IC用于这些类型的线性位移测量，例如，ATS341LSE。

这种零高斯系统的霍尔板感应到的场是传感器与移动铁磁目标之间距离的非线性测量:目标越近越强
这个领域。传感器响应如图4所示。

0 G排列的主要优点是概念简单。缺点主要是昂贵的0 G磁铁(与矩形磁铁相比)和对外部的敏感性
扰动磁场——任何外场扰动都将被单个霍尔板直接感应到。请注意，通常还需要在应用中校准这种类型的传感器，以补偿实际安装气隙的变化。

测量线性位移的第二种常用技术是使用安装在移动物体上的永磁体和一个能够测量物体角度的传感器
磁体产生的磁场。

图7说明了这一原理:移动磁铁沿x轴被磁化。测量磁场角β，是对磁铁位置的直接测量。

关于这一原理的更多信息可以在Allegro的应用说明中找到:“使用角度传感器ic的线性位置传感”，可在Allegro的网站上找到。对应的Allegro IC用于这些类型的线性位移测量，例如A1335．

图7中的配置对气隙变化的灵敏度很低，并且取决于磁铁设计，是本应用笔记中描述的唯一能够达到较大的技术
气隙(> 4mm)和长距离(> 10mm)。

这种配置的主要缺点是需要将磁铁安装在系统中要感知的移动物体上。安装磁铁的过程是昂贵的，而且总是有
磁铁离开物体的可能性。

此外，磁角测量对外界扰动磁场很敏感。

由于ATS344LSP中使用的差分传感原理，该IC对外部磁场扰动不敏感。在两个霍尔板上的类似扰动(即共模场)自然会被IC中使用的差分处理电路所拒绝。ATS344LSP对两个霍尔板上不同的扰动仍然敏感。例如，一根平行于SP封装引线的导线，距离传感器40mm，携带500a，将产生2g差分响应，将在传感器输出上观察到。但请注意，在这种情况下，单个或2D现场测量将感知到25 G的变化。

ATS344LSP的差分测量技术还允许使用简单且具有成本效益的矩形磁铁，而不是复杂且昂贵的零高斯磁铁。使用更简单的磁体是可能的，因为磁体基线被ATS344LSP中的差分计算抵消了。

使用铁磁靶和集成后偏磁体的集成电路有许多优点，也有必须考虑的权衡。主要的权衡与
操作气隙能力和IC的线性位移传感范围。这些参数受Allegro SP封装中集成磁铁的尺寸限制。SP套餐:
典型的最大气隙约为2毫米，最大感应行程范围约为10毫米。在移动磁体技术的情况下，气隙能力和旅行范围可以大得多——代价是一个非常大而昂贵的磁体，并降低对外部扰动场的免疫能力。

在某些应用中，被亚博尊贵会员感知的移动对象是一个轴，它将线性位移，但也可能围绕其轴旋转。在这种情况下，移动磁铁的方法需要一个磁铁
覆盖整个轴的周长。这也会导致磁体过大而昂贵。

如前所述，与安装离散磁铁相比，使用ATS344LSP和钢靶测量线性位移通常更容易，成本更低。

表1:线性位移测量的不同应用程序架构的比较

	0 G后偏置 和单 测量 (ATS341LSE)	移动磁铁和 磁场角 测量(A1335)	ATS344LSP 反偏 微分 测量
最大气隙 (毫米)	≈2	> 4 *	≈2
典型的中风 长度(毫米)	≈10	取决于 动磁式 多达数十个 毫米*	≈10
典型的 精度	媒介	高*	媒介
校准 内部 应用程序	推荐	可以避免	推荐
免疫力 外部 扰动场	低	低	高
磁铁	集成 复杂的形状	取决于 应用程序	集成 简单的形状
目标	铁磁	永久 磁铁	铁磁
目标 越来越多的	容易	困难	容易

*具有良好的气隙能力，长距离，和/或良好的精度总是以一个大而昂贵的移动磁铁为代价。

表1中的数据仅为典型值。有关特定应用的详细信息，请联系当地的Allegro工程师。

典型应用实例

请注意，以下所有结果都来自模拟，可能与真实世界的结果略有不同。

在本例中，目标是确定目标的位置(图8)。目标沿x轴移动。

为了说明ATS344LSP传感器的性能，考虑一个具有以下要求的典型应用:

• 静态气隙:1.35±0.45 mm
• 动态气隙:±0.05 mm
• 温度范围:-40℃~ 150℃
• 旅行范围R: 10mm
• 2点校准由用户在线性行程的端点进行:在这些位置预计有10/90% PWM输出

为了有一个合适的输入场范围，使用v型目标，它在ATS344LSP传感器上产生双极差分场。

如前所述，磁场不随应用气隙线性减小(图4)。因此，使用直v形靶(图9)将本质上导致亚博尊贵会员
一种非线性微分传感器的输出和对精度的误差。这种误差称为目标固有非线性。

然而，目标形状优化可以弥补这种内在的非线性。事实上，在接近的气隙中，磁场衰减得非常快，而在较大的气隙中衰减得慢得多。因此，目标在v型中间有一个较大的斜坡(即霍尔板实际上感知到一个大的气隙)可以补偿非线性磁场行为。

适当的目标设计还必须考虑其他应用参数(例如动态气隙变化)和传感器IC误差(偏移量随温度漂移，灵敏度随温度漂移
温度,等等)。

图10显示了应用程序示例的最佳目标的横截面视图。目标长度l选择了14毫米，不仅适合旅行范围和之间的距离
两个霍尔板(3毫米)，但也有关于v型端点的边缘。为了避免v型区域外平坦区域的错误测量，需要这个边距。这里取了1毫米的边缘。目标长度L为:

L≥R + 4mm

对于v型高度，建议取值为2 - 4mm(如图10所示为3.5 mm)。高度小于2毫米将导致小的微分场，从而导致
较高的位置误差。高度大于4毫米不会显著增加磁场，因为铁磁材料离传感器太远了。

图11显示了该最佳目标前方ATS344LSP传感器感应到的差分场与目标轴向位置以及与气隙的关系。可以看出，在标称应用气隙(1.35 mm)和较大气隙时，微分场呈线性，但在较小气隙时，微分场明显偏离。这是有意为之的:在较小的气隙下，传感器感知到的差分场要高得多(图12)，这使得传感器对测量误差(主要是IC偏移漂移)不那么敏感。因此，必须作出妥协，以获得类似的精度性能在小和大的空气间隙。在小气隙时，误差主要来自目标固有非线性，而在大气隙时，误差主要来自传感器测量误差。

现在，将评估此应用程序示例的预期准确性。为了获得真实的数值，进行了蒙特卡罗统计分析。在该仿真中，根据不同应用参数(例如安装气隙和传感器偏移误差)的统计分布规律，对数千个实际情况进行建模。对于每一种情况，传感器输出精度进行了评估。

给出的结果适用于整个IC温度范围，并包括传感器寿命漂移。这里报告的误差是目标位移全范围的最大位置误差。的
寿命周期内的偏置漂移为±12 G(基于在类似产品上进行的降低温度循环测试;这个数字将在ATS344LSP上的未来测试中确认)。

在进行蒙特卡罗分析时，假定力学分布如下:

参数	分布	意思是(毫米)	标准 偏差(毫米)
越来越多的 气隙	高斯	1.35	0.15
马克斯动态 气隙	高斯; 只有积极的 价值观被保留	0	0.05 / 3

图13显示了评估的所有仿真案例在全行程范围内的最大位置误差分布。它包括安装气隙、动态气隙变化、温度变化、传感器误差和目标固有非线性。传感器误差包括偏移量和灵敏度随温度的漂移、偏移量和灵敏度寿命漂移、传感器分辨率和非线性。请注意，% FS(%满刻度)表示全线性行程范围的百分比。

在安装到应用程序后，校准传感器，使行程范围的第一端返回10% PWM，第二端返回90% PWM(见图14)。

平均误差约为4.9% FS，标准差约为1.3% FS。从误差分布分析来看，3000ppm左右的样品误差最大
大于9.4% FS或0.94 mm。

虽然输出线性化没有执行，以补偿固有的目标非线性，最终的传感器精度是相当好的。

图14显示，对于一个随机仿真案例，传感器输出的期望包络与所有变化的参数。

图15显示了典型的测量误差与安装气隙的关系。如预期的那样，最小误差在标称气隙附近，曲线近似对称
相对于安装气隙范围(0.9 ~ 1.8 mm)。

结论

亚博棋牌游戏Allegro Microsystems ATS344LSP磁后偏微分线性传感器ic在测量目标或轴的线性行程位置时具有独特的优势。与传统的零高斯后偏线性集成电路或磁性集成电路相比角度传感器集成电路ATS344LSP感应移动磁铁，提供:

• 从客户系统中消除磁铁
• 铁磁靶易于集成
• 对外界扰动场的灵敏度很低

因此，建议使用ATS344LSP:

• 在恶劣的磁场环境中，
• 为了简化目标安装(降低成本)，
• 提高目标夹具在应用中的机械可靠性。

有关如何操作的详细信息ATS344LSP在特定的应用中，请联系当地的Allegro应用工程师．