磁性位置传感器 ADALM2000实验：磁性接近传感器

发布时间：2024-10-09 01:10:26

ADALM2000实验：磁性接近传感器

目标

本次实验的目标是利用磁场生成和检测原理去构建简单的接近检测器，并观察检测器输出电压是如何随着电磁体越来越靠近传感器而增加的。

背景知识

简单的接近传感器可检测物体对象之间的距离，可用于多种应用，从简单的门窗开关检测到复杂的高精度绝对位置检测器，应用广泛。接近传感器可采用多种方式设计，其中一种涉及检测磁体（通常为永磁体，但也可能是电磁体）产生的磁场强度。在本次实验中，我们使用铁氧体磁芯螺线管产生磁场。螺线管是一种以圆柱形方式缠绕着磁芯（通常用于制造具有特定电感值的电感）或电磁体的线圈。

ADALP2000模拟部件套件中的100 μH电感用于产生足够强的磁场，并且能够被该套件中集成的AD22151磁场传感器检测到。AD22151是一款线性磁场传感器，其输出电压与垂直施加于封装上表面的磁场成比例。AD22151磁场传感器的工作原理基于霍尔效应。在磁场环境下，当电流流经某个导体时，导体两端就会产生电压（霍尔电压），这种现象就是霍尔效应。运动电荷在磁场中受洛伦兹力作用会发生偏转，从而形成电场，产生霍尔电压。

材料

► ADALM2000主动学习模块

► 无焊试验板和跳线套件

► 四个100 Ω电阻

► 一个100 μH电感

► 一个AD22151磁场传感器

► 两个470 Ω电阻

► 一个100 kΩ电阻

► 一个0.1 μF电容

► 一个10 μF电容

► 一个200 kΩ电阻

► 一个LED

硬件设置

首先，在无焊试验板上构建图1所示的电磁体电路。

图1.电磁体电路。

将包含AD22151磁场传感器的霍尔效应传感器电路（图2）添加到无焊试验板中。

图2.霍尔效应传感器电路。

试验板连接如图3所示。

图3.磁性接近传感器试验板连接。

程序步骤

使用信号发生器W1生成一个恒定的5 V信号，作为AD22151的VCC输入。打开至5 V的正电源，为电磁体供电。当电磁体远离芯片且传感器附近不存在磁场时，示波器的通道1将显示AD22151的输出。

此电压相当于零高斯点，理想情况下为中点电源电压，采用5.0 V电源时为2.5 V，但由于传感器和运算放大器中的直流偏置要乘以运算放大器的闭环增益，所以该电压与中点电源电压不同。

图4.输出失调电压。

如果将电磁体更靠近芯片，输出电压随磁场强度成比例地增加。在图5中，可以看到电压如何随电磁体越来越靠近芯片而增大。当电磁体离芯片较远时，电压将再次降低，直至达到零高斯失调电压。

图5.输出电压变化。

我们可以在5.0 V电源和引脚6的运算放大器求和节点之间添加一个电阻R4，以改变输出失调电压。这样在无外加磁场的情况下，能够使传感器输出电压尽可能接近其线性范围的下限。接下来，我们来计算R4值。

我们指定VCC为AD22151的电源电压，VMID为中点电源电压。

在通道2使用电压表工具测量VCC。要计算R4，必须清楚运算放大器求和节点的输入和输出电流。通过R2的电流定义为IR2。在理想情况下，此电流为零，因为其每侧的电压为VMID，但零场内部霍尔效应传感器输出电压与内部缓冲电压VREF之间会存在一个较小的失调电压。对于低增益电路，此电压在许多情况下可忽略不计，但在高增益电路中（如本例）我们必须加以考虑。

使用电压表测量并记录引脚7处的电压，并将其定义为VREF。使用电压表测量并记录引脚6处的电压，并将其定义为VCM；此为运算放大器输入端的共模电压，并且由负反馈驱动至非常接近内部霍尔效应传感器的输出。计算R2两端的电压：

VR2 = VREF – VCM (1)

流经R2的电流为：

IR2 = VR2/235 Ω (2)

计算流经反馈电阻R3的电流时可考虑电磁体远离芯片时的传感器输出电压，相当于传感器的零高斯点。将此电压定义为VOUT,Z，然后计算电流：

IR3 = (VCM – VOUT,Z)/100 kΩ (3)

计算将VOUT,Z从其当前电平降至较低电平（本例中为0.5 V）所需的电压偏移量。请注意，这是一个负值，计算公式如下：

VSHIFT = 0.5 V – VOUT,Z (4)

通过反馈电阻R3使VOUT,Z偏移至0.5 V所需的额外电流ISHIFT的计算公式如下：

ISHIFT = VSHIFT/100 kΩ (5)

请注意，这是一个负值，因为VSHIFT为负数。通过R4（用于产生所需失调电压）流入求和节点的电流(IR4)与ISHIFT的方向相反，因此可以写成IR4 = –ISHIFT，为正值。

计算R4的值，注意R4两端电压为VCC与VCM之差，计算公式如下：

R4 = (VCC – VCM)/IR4 (6)

图6.包含电阻R4（可改变失调电压）的电路。

从套件中选择一个最接近R4计算值的电阻。四舍五入产生的误差会导致更高的输出电压。将R4置于电路中，如图6中的原理图所示。此外，图8中也显示了如何将此电阻置于试验板中。在这种情况下，套件中可用的最接近阻值为200 kΩ。在示波器的通道1，可以看到输出失调电压已降至其线性范围的下限，接近所需的0.5 V电平。

图7.输出失调电压已降低。

带LED指示灯的磁性接近传感器

可将接近传感器输出端的LED用作视觉指示器。可按照图8中所示进行连接。将100 Ω电阻置于LED的阳极和传感器输出端之间。这可以限制通过LED的电流。将阴极连接至GND。您会发现，电磁体越靠近芯片，LED灯越亮，因为磁场会使传感器的输出电压升高。

图8.带LED指示灯的磁性接近传感器。

问题：

1. 如果改变电感值，电路响应将如何变化？

2. 为什么要降低输出失调电压？您可以在学子专区论坛上找到问题答案。

关于作者

Andreea Pop自2019年起担任ADI公司的系统设计/架构工程师。她毕业于克卢日-纳波卡理工大学，获电子与通信学士学位和集成电路与系统硕士学位。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生。他拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

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回归正题，今天给大家讲一下关于位置传感器相关的知识，主要是位置传感器工作原理 、位置传感器有哪几种类型 进行简单的讲解。

什么是位置传感器？

顾名思义，位置传感器检测物体的位置 ，也就是意味着位置传感器被引用到某个固定点或者说从某个固定的点或者位置引用，然后位置传感器提供位置的反馈 。

确定位置的一种方法是使用“距离”，如两点之间的距离，例如从某个固定点行进或移动的距离，或者使用“旋转”（角运动）。

例如，机器人轮子的旋转以确定其沿地面行进的距离。无论哪种方式，位置传感器都可以使用线性传感器检测物体的直线运动 ，或者使用旋转传感器检测物体的角运动 。

位置传感器实物图

位置传感器 可以以不同的方式运行：

提供根据物体位置变化的信号，然后通过信号变化来转换位移 。随着每一个动作，位置传感器都会发出一种冲动。位置传感器通过对发射的脉冲进行计数来确定位移和位置。 当位置传感器与运动物体之间没有机械连接时，通过一个场提供信号。可以是涡流传感器的电磁场 ，电容传感器的静电场和磁阻 、磁阻变化 或霍尔效应传感器 的磁感应场 。

位置传感器按其原理主要分为几种？

电位位置传感器（基于电阻）感应式位置传感器基于涡流的位置传感器电容式位置传感器磁致伸缩位置传感器基于霍尔效应的磁性位置传感器光纤位置传感器光学位置传感器超声波位置传感器

位置传感器工作原理

一、感应式位置传感器--线性可变差动变压器，也就是LVDT

感应式位置传感器 通过在传感器线圈中感应出的磁场特性的变化 来检测物体的位置 。

第一种是称为LVDT位置传感器或者线性可变差动变压器 。在 LVDT 位置传感器中，三个单独的线圈缠绕在空心管上。其中一个是初级线圈，另外两个是次级线圈。这三个线圈在电气上是串联的，但次级线圈的相位关系是 180°，相对于初级线圈异相。

铁磁芯或电枢放置在空心管内，电枢连接到被测量位置的物体。将激励电压信号施加到初级线圈，在 LVDT 的次级线圈中感应出 EMF。

线性可变差动变压器（LVDT位置传感器） 通过测量两个次级线圈之间的电压差 ，可以确定电枢的相对位置（以及它所连接的物体） 。当电枢在管子中精确居中时，EMF 抵消，导致没有电压输出。但是随着电枢离开零位，电压及其极性会发生变化。

所以，电压幅度及其相角用于提供信息，这些信息不仅反映了远离中心（零）位置的移动量，还反映了它的方向。

下面的图说明了线性可变差动变压器的操作，显示了电压测量值到位置指示的转换 。

LVDT 电感式位置传感器的工作原理图

LVDT 电感式位置传感器 提供良好的精度 、分辨率 、高灵敏度 ，并在整个传感范围内提供良好的线性度 ，无摩擦 。

虽然 LVDT 用于跟踪线性运动，但称为 RVDT（用于旋转电压差动变压器）的等效设备可以跟踪物体的旋转位置。RVDT 的功能与 LVDT 相同，仅在构造细节上有所不同。

一、感应式位置传感器--电感式接近传感器

电感式接近传感器 有四个主要组件；产生电磁场的振荡器，产生磁场的线圈 。当物体进入时检测磁场变化的检测电路，以及产生输出信号的输出电路 ，常闭（NC）或者常闭开（NO）触点。

电感式接近传感器实物图

电感式接近传感器 允许检测传感器头前面的金属物体，而无需检测到物体本身的任何物理接触 ，非常适合在肮脏或潮湿的环境中使用。电感式接近传感器的“感应”范围非常小，通常为 0.1 毫米至 12 毫米。

电感式接近传感器工作原理图

除工业应用外，电感式接近传感器 也常用于通过改变路口和十字路口的交通信号灯来控制交通流量 。矩形电感线圈埋入柏油路面。

当汽车或其他道路车辆经过此感应回路时，车辆的金属车身会改变回路电感并激活传感器，从而提醒交通信号灯控制器有车辆在等待。

这些类型的位置传感器的一个主要缺点是它们是“全向的”，即它们会感应金属物体的上方、下方或侧面。此外，尽管电容式接近传感器 和超声波接近传感器 可用，但它们不能检测非金属物体。其他常用的磁性位置传感器包括：簧片开关、霍尔效应传感器和可变磁阻传感器。

二、电容式位置传感器

电容式位置传感器 依靠检测电容值的变化来确定被测物体的位置 。电容由彼此分开的两块板组成，两块板之间有介电材料。

电容式位置传感器检测物体的位置有两种方法：

1、通过改变电容器的介电常数

2、通过改变电容器极板的重叠面积

在第一种情况 下，被测物体附着在介电材料上，其相对于电容板的位置随着物体的移动而变化。随着介电材料的移动，电容器的有效介电常数发生变化，这是由于部分区域的介电材料和其余部分是空气的介电常数的结果。这种方法提供了电容值相对于物体相对位置的线性变化。

在第二种情况 下，不是将物体连接到介电材料上，而是连接到电容板上。因此，当物体移动其位置时，电容极板的重叠区域会发生变化，从而再次改变电容值。

改变电容以测量物体位置 的原理可以应用于线性和角度方向的运动。

三、电位位置传感器

所有“位置传感器”中最常用的是电位器 ，因为它是一种便宜且易于使用的位置传感器 。它有一个与机械轴相连的触点，该机械轴的运动可以是有角度的 （旋转的）或线性的（滑块型），这会导致滑块和两个端部连接之间的电阻值发生变化，从而产生电信号输出在电阻轨道上的实际抽头位置与其电阻值之间具有比例关系。换句话说，阻力与位置成正比 。

电位器实物图

电位器有多种设计和尺寸，例如常用的圆形旋转类型或较长且扁平的线性滑块类型。当用作位置传感器时，可移动物体直接连接到电位计的旋转轴或滑块。

直流参考电压施加在形成电阻元件的两个外部固定连接上。输出电压信号取自滑动触点的抽头端子，如下图所示。

电位器结构图

电位器结构图

这种配置产生与轴位置成比例的电位或分压器类型的电路输出。然后，例如，如果在电位器的电阻元件上施加 10v 的电压，则最大输出电压将等于 10 伏的电源电压，最小输出电压等于 0 伏。

然后电位器抽头将输出信号在 0 到 10 伏之间变化，其中 5 伏表示抽头或滑块处于其中间位置或中心位置。电位器的输出信号 (Vout) 在沿电阻轨道移动时取自中心游标连接，并且与轴的角位置成正比。

简单的位置检测电路示例

简单的位置检测电路示例

虽然电阻式电位器位置传感器 具有许多优点：成本低 、技术含量低 、易于使用 等，但作为位置传感器，它们也有许多缺点：运动部件磨损、精度低、可重复性低和频率响应有限。

但是将电位计用作位置传感器有一个主要缺点。其游标或滑块的移动范围（以及因此获得的输出信号）受限于所使用的电位器的物理尺寸。

例如，单圈旋转电位器通常仅具有在 0° 和最大约 240 至 330° 之间的固定机械旋转。但是，也可提供机械旋转高达 3600 o (10 x 360° ) 的多圈锅。

大多数类型的电位器都使用碳膜作为电阻轨道，但这些类型的电位器具有电噪声（收音机音量控制上的噼啪声），并且机械寿命也很短。

四、基于涡流的位置传感器

涡流是在磁场变化的情况下发生在导电材料中的感应电流，是法拉第感应定律的结果。这些电流在闭合回路中流动，进而导致产生次级磁场。

如果线圈通过交流电通电以产生初级磁场，则由于涡流产生的次级场的相互作用，可以感应到靠近线圈的导电材料的存在，这会影响线圈的阻抗线圈。因此，线圈阻抗的变化 可以用来确定物体与线圈的距离。

涡流位置传感器 与导电物体一起工作。大多数涡流传感器用作接近传感器，旨在确定物体是否接近传感器的位置。它们被限制为位置传感器。

因为位置传感器是全向的，这意味着它们可以确定物体与传感器的相对距离 ，但不能确定物体相对于传感器的方向 。

五、磁致伸缩位置传感器

铁、镍和钴等铁磁材料表现出一种称为磁致伸缩的特性。磁致伸缩位置传感器利用当存在外加磁场时，材料会改变其尺寸或形状 这一原理来确定物体的位置 。

一个可移动的位置磁铁附在被测物体上。波导由传输电流脉冲的导线组成，连接到位于波导末端的传感器。定位磁铁产生轴向磁场，其磁力线与磁致伸缩线和波导共面。当电流脉冲沿波导向下发送时，导线中会产生一个磁场，该磁场与永磁体（位置磁体）的轴向磁场相互作用。

场相互作用的结果是一种扭曲，称为维德曼效应。这种扭曲会导致导线产生应变，从而产生沿着波导传播并由波导末端的传感器检测到的声脉冲。

由于声波将从定位磁铁所在的位置沿两个方向传播，因此在波导的另一端安装了一个阻尼装置，以吸收远离传感器传播的脉冲。传感器，使其不会导致干扰信号反射回拾取传感器。下面的图 2 说明了磁致伸缩位置传感器的工作原理。

磁阻位置传感器工作原理

就其性质而言，磁致伸缩位置传感器用于检测线性位置 。它们可以配备多个位置磁铁，以提供沿同一轴的多个组件的位置信息。它们是非接触式传感器，由于波导通常安装在不锈钢或铝管中，因此这些传感器可用于可能存在污染的应用中。此外，即使在波导和定位磁体之间存在屏障，只要屏障由非磁性材料制成，磁致伸缩位置传感器也可以工作。

磁阻位置传感器 可提供多种输出，包括直流电压、电流、PWM 信号和启停数字脉冲。

六、基于霍尔效应的磁性位置传感器

霍尔效应 指出，当薄的扁平电导体有电流流过它并置于磁场中时，磁场会影响电荷载流子，迫使它们相对于另一侧积聚在导体的一侧，以平衡磁场的干扰。

这种电荷的不均匀分布导致在导体两侧之间产生电位差，称为霍尔电压。该电势发生在横向于电流流动方向和磁场方向的方向上。

如果导体中的电流保持在一个恒定值，霍尔电压的大小将直接反映磁场的强度。

在霍尔效应位置传感器 中，被测量其位置的物体连接到容纳在传感器轴中的磁铁 。随着物体移动，磁铁的位置相对于传感器中的霍尔元件发生变化。然后，这种位置移动会改变施加到霍尔元件的磁场强度，这反过来会反映为测量的霍尔电压的变化。这样，测得的霍尔电压就成为了物体位置的指标。

七、光纤位置传感器

光纤位置传感器 使用光纤，在光纤的每一端都有一组光电探测器。光源附在被观察运动的物体上。在物体位置被引导到荧光光纤中的光能在光纤中被反射，并被发送到光纤的任一端，在那里被光电探测器检测到。

在两个光电探测器上观察到的测量光功率比的对数将是物体到光纤末端的距离的线性函数，因此该值可用于提供物体的位置信息。

八、光学位置传感器

光学位置传感器 使用两种原理之一进行操作。在第一种类型 中，光从发射器传输并发送到传感器另一端的接收器。

在第二种类型 中，发射的光信号从被监测的物体反射返回到光源 。光特性（例如波长、强度、相位、偏振）的变化用于建立关于物体位置的信息。这些类型的传感器分为三类：

透射式光学编码器反射式光学编码器干涉式光学编码器

基于编码器的光学位置传感器可用于线性和旋转运动。

九、超声波位置传感器

与光学位置传感器类似，超声波位置传感器发射 通常由压电晶体换能器产生的高频声波，换能器产生的超声波从被测物体或目标反射回换能器，在此产生输出信号 。

超声波传感器可以用作接近传感器，它们报告物体在传感器的指定范围内，或者用作提供测距信息的位置传感器。

超声波位置传感器 的优点是它们可以与不同材料和表面特性的目标物体一起工作 ，并且可以比其他类型的位置传感器检测更远距离的小物体 。它们还可以抵抗振动 、环境噪声 、EMI 和红外辐射 。

以上就是关于位置传感器工作原理的解释，希望大家可以多多支持我。

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