홀 효과 위치 감지:슬라이드 바이 구성에 대한 응답 선형성 및 기울기

홀 효과 감지 솔루션과 관련된 다양한 결정(특히 슬라이드 바이 구성)이 디자인에 미치는 영향에 대해 알아보세요.

홀 효과 센서는 위치 감지를 위한 효율적인 솔루션을 가능하게 합니다. 홀 센서를 사용하면 센서와 가동부 사이에 기계적 연결이 없으므로 더 높은 신뢰성과 내구성을 얻을 수 있습니다.

홀 효과 기반 위치 감지 애플리케이션에 사용할 수 있는 몇 가지 다른 자석 센서 구성이 있습니다. 이 기사에서는 선형 가우스 대 거리 곡선을 생성할 수 있는 슬라이드 바이 자기 구성을 살펴보겠습니다. 우리는 또한 가우스 대 거리 곡선의 기울기를 조정하기 위해 자석의 조합을 사용하는 것이 가능하다는 것을 알게 될 것입니다.

선형성이 결정 요인이 될 수 있음

이전 기사에서 간단한 정면 및 슬라이드 바이 구성을 조사했습니다. 이 두 가지 배열은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1(a). 정면돌파 및 (b) 슬라이드 바이 감지.

우리는 감지된 필드와 거리 사이의 관계가 위의 배열에서 비선형임을 확인했습니다. 이러한 자석 센서 구성은 일반적으로 정확도 요구 사항이 그다지 까다롭지 않은 애플리케이션에서 근접 감지기로 사용됩니다.

그러나 감지 스트로크를 따라 위치를 미세하게 제어해야 하는 경우 센서 출력과 변위 사이에 선형 관계를 갖는 것을 선호합니다. 실제로 소프트웨어를 사용하여 센서 선형성 오류를 제거할 수 있지만 선형 응답을 갖는 것이 측정 정밀도를 높이고 시스템 보정을 용이하게 하기 때문에 바람직합니다.

선형 슬라이드 바이 감지

그림 2(a)는 감지된 자기장의 z 성분과 자석 변위 사이의 선형 관계를 나타내는 슬라이드 바이 배열을 보여줍니다. 그림 2(b)는 자속 밀도(z축 방향) 대 자석 이동을 보여줍니다.

그림 2(a). 선형 응답이 있는 슬라이드 바이 구성 (b) 자속 밀도 대 자석 위치

자석이 센서의 왼쪽에 있을 때(x<0), 자석의 자기장 라인은 z축의 반대 방향으로 성분을 생성합니다. 자기장 라인은 자석의 북극에서 남극으로 이동합니다.

그림 3은 센서를 통과하는 필드 라인 중 하나를 보여줍니다.

그림 3. 홀 효과 센서를 통한 자기장 라인의 방향

따라서 x<0의 경우 감지된 자기장의 z 성분은 음수입니다. 자석이 중심 위치에 도달하면 z 방향의 자기장은 0이 됩니다. 양의 변위(x>0)의 경우 자기장은 z축 방향의 성분(양의 자기장)을 생성합니다. 어느 방향으로든 큰 변위의 경우 더 적은 수의 필드 라인이 센서를 통과할 수 있습니다. 따라서 센서가 감지하는 자기장이 감소합니다.

이 배열의 주요 특징 중 하나는 자기장의 z 성분이 원점 주변의 변위와 선형 관계를 나타낸다는 것입니다. 이 선형 범위는 그림 2(b)에 나와 있습니다. 선형 영역의 길이는 자석의 길이보다 약간 짧습니다. 예를 들어, 22mm 자석의 경우 선형 영역은 약 -10mm에서 +10mm까지 확장될 수 있습니다. 이 선형 동작을 통해 움직이는 물체의 위치를 ​​보다 쉽고 정확하게 감지할 수 있습니다.

더 큰 선형 범위가 필요하면 어떻게 합니까?

더 긴 자석을 사용하여 위 구성의 선형 범위를 늘릴 수 있습니다. 그러나 특정 응용 프로그램은 시스템에 큰 자석을 수용할 수 없습니다. 또한 긴 자석의 경우 비용이 제한 요소가 될 수 있습니다. 자석 길이보다 긴 스트로크를 감지해야 하는 경우 센서 어레이를 사용하여 측정 범위를 확장할 수 있습니다. 이것은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4. 선형 범위 증가를 위해 여러 홀 효과 센서 사용

이 경우 물체의 위치를 ​​찾기 위해 둘 이상의 센서에서 데이터를 처리해야 합니다. 자세한 내용은 이 TI 애플리케이션 노트를 참조하십시오.

물체의 존재 감지

그림 2의 슬라이드 바이 구성은 물체의 존재를 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다(획을 통해 물체 위치를 결정하는 대신). 그림 2(a)의 예에서 자석이 x축에 평행하게 왼쪽에서 오른쪽으로 움직인다고 가정합니다. 디지털(ON/OFF) 홀 효과 센서의 자기 작동 및 해제 지점이 그림 5와 같다고 가정합니다.

그림 5. ON/OFF 감지를 위한 슬라이드 바이 구성 사용

자석이 왼쪽에서 오른쪽으로 센서에 접근함에 따라 자기장 강도는 점점 더 커집니다. D2에서 감지된 자기장은 센서를 켜는 자기 작동 지점과 동일합니다. 자석을 센서에 더 가까이 가져가면 더 큰 자기장이 발생하고 센서가 켜진 상태로 유지됩니다.

이제 센서를 반대 방향(오른쪽에서 왼쪽으로)으로 움직이면 자기장이 감소합니다. D1에서 자기장은 센서를 끄는 릴리스 포인트보다 작아집니다. 이를 통해 물체의 존재를 감지할 수 있습니다. 이 구조를 사용하여 물체 스트로크에서 기준점(센서의 전환점)을 정의할 수도 있습니다.

그림 5의 자속 밀도 대 거리 곡선에 따르면 주어진 자속 밀도는 두 가지 다른 변위에 의해 생성될 수 있습니다. 그렇기 때문에 위의 배열은 일반적으로 기계적 구조가 하나의 특정 변위에서만 센서 전환이 발생할 수 있는 방식으로 물체의 이동 끝을 제한하는 애플리케이션에서 사용됩니다. 이것은 결과 해석의 모호성을 방지합니다.

가우스 대 거리 곡선의 기울기 증가

위에서 디지털(ON/OFF) 홀 효과 센서를 슬라이드 바이 구성과 함께 사용하여 물체 스트로크의 기준점을 정의할 수 있다고 설명했습니다. 가우스 대 거리 곡선의 기울기를 높일 수 있다면 더 정확하게 기준점을 감지할 수 있습니다.

더 큰 기울기로 주어진 변위는 센서에 의해 더 쉽게 감지될 수 있는 자기장 강도의 더 큰 변화로 이어집니다. 그림 6(a)는 그림 2(a)의 구성보다 더 큰 기울기를 나타내는 자기 시스템을 보여줍니다.

그림 6. 여러 자석을 사용하여 전계 강도 분해능 증가

이 경우 한 쌍의 자석의 N극과 S극이 센서에 대해 이동합니다. 전체 필드는 두 자석의 필드 라인에 의해 결정됩니다. 이 배열에서 거리는 자석 쌍의 중심에 대해 측정됩니다. 그림 6(b)는 감지된 자기장의 z-성분 대 거리를 보여줍니다. 중심 위치(x=0)에서 센서를 통과하는 한 자석의 N극으로부터의 자기장선의 수는 다른 자석의 남극으로부터의 자기장선의 수와 같습니다. 따라서 순 자속 밀도는 0입니다.

자석을 중심 위치(x>0)에서 오른쪽으로 움직인다고 가정합니다. 이것은 남극으로부터의 자기장 라인의 수를 갑자기 증가시키고 양의 z 성분을 갖는 자기장을 생성합니다. 유사하게, 자석을 중심 위치(x<0)에서 왼쪽으로 움직이면 음의 z 성분을 갖는 비교적 강한 자기장을 얻습니다. 원점 주변에서는 북극에서 남극으로의 천이가 갑자기 발생하기 때문에 곡선의 기울기가 그림 2(a)의 슬라이드 바이 구성보다 높습니다. 가우스 대 거리 곡선의 상대적으로 큰 기울기는 움직이는 물체의 기준 위치를 보다 정확하게 정의하는 데 도움이 됩니다.

이 슬라이드 바이 구성의 다른 두 가지 흥미로운 변형이 있습니다. 한 버전은 두 개의 자석을 작은 고정 거리로 분리합니다. 이를 통해 북극에서 남극으로 덜 갑작스러운 전환을 할 수 있으므로 원점 주변의 응답 기울기를 조정할 수 있습니다. 다른 버전은 3개의 자석 조합을 사용합니다. 이것은 어느 방향으로든 큰 기울기를 갖는 대칭 응답을 생성할 수 있습니다. 대칭 응답은 중심선으로부터의 편차를 감지할 때 유용할 수 있습니다. 이 두 가지 구성에 대해 자세히 알아보려면 Honeywell의 "홀 효과 감지 및 응용" 설명서를 참조하십시오.

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