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当前位置：做3D感测系统设计难？试试3D 霍尔效应传感器！
在各种工业 4.0 应用中，通过 3D 位置检测进行实时控制的情况越来越多，从工业机器人、自动化系统到机器人真空和安防。3D 霍尔效应位置传感器无疑是这些应用的极好选择，因为这种传感器具有很高的重复性和可靠性，而且还可与门窗、外壳等组合，用于入侵或磁力破坏探测。
使用霍尔效应传感器设计有效、安全的 3D 感测系统可能是一个复杂、耗时的过程。霍尔效应传感器需要与一个功能强大的微控制器 (MCU) 连接，作为角度计算引擎并执行测量平均化，以及增益和失调补偿，以确定磁铁的方向和 3D 位置。MCU 还需要执行各种诊断功能，包括监测磁场、系统温度、通信、连续性、内部信号路径和电源。
除了硬件设计外，软件开发也可能是一个复杂而耗时的过程，从而再一次拖延产品上市时间。为了克服这些挑战，设计者可以使用具有内部计算引擎的集成霍尔效应 3D 位置传感器 IC。这种 IC 能够简化软件设计，并将系统处理器的负载减少近 25%，从而使用通用型低成本 MCU。这种 IC 还可以为精确的实时控制提供快速采样率、低延迟。在电池供电型设备中，3D 霍尔效应位置传感器可以在 5 Hz 或更低的占空比下运行，以最大限度地降低功耗。此外，集成的功能和诊断方法最大限度地提高了设计灵活性、系统安全性和可靠性。
3D霍尔效应传感器可以收集完整的磁场信息，从而在 3D 环境中通过测量距离和角度来确定具体位置。这种传感器最常见的放置位置有两个：磁极化轴和磁极化共面（图 1）。当放置于极化轴上时，磁场向传感器提供可用于位置测定的单向输入。共面放置则会产生一个与磁铁表面平行但不考虑与传感器距离的磁场矢量，此时也能确定位置和角度。
诸如机器人之类的工业 4.0 系统，需要通过多轴运动检测来测量机器人手臂的角度，或在移动机器人的每个滚轮上进行多轴检测，以支持整个在设施内的导航和精确运动。集成 3D 霍尔效应传感器非常适用于这些任务，因为它们不容易受潮湿或灰尘的影响。使用共面测量法，可对旋转轴磁场进行高度精确的测量（图 2）。
图 2：集成 3D 霍尔效应传感器可以测量机器人和其他工业 4.0 应用中的轴旋转。（图片来源：Texas Instruments）
诸如电表和煤气表、自动取款机 (ATM)、企业服务器和收银机的安全外壳可以通过轴上磁场测量进行入侵检测（图 3）。当外壳被打开时，3D 霍尔效应传感器会检测到的磁通密度 (B) 下降，并且当磁通密度下降至低于霍尔开关的磁通释放点 (BRP) 点时，霍尔效应传感器发出警报。为了在关闭外壳时防止误报警，必须保持磁通密度必须足够大（相对于 BRP 来说）。由于磁铁的磁通密度往往会随着温度的升高而降低，因此使用具有温度补偿功能的 3D 霍尔效应传感器可以提高工业或户外环境中设备外壳的系统可靠性。
所有三个运动轴都有益于家用电器、测试和测量设备以及个人电子产品中的人机界面和控制。一个传感器可以监视 X 和 Y 平面内的运动，以识别转盘的旋转，并且可以通过监视 X 和 Y 磁轴的大幅移动来识别转盘何时被推动。监视 Z 轴可实现系统能够识别是否错位，并在转盘因为磨损或损坏可能需要预防性维护时发出警报。手持式相机稳定器和无人机中的万向电机系统都得益于使用3D 霍尔效应传感器，这种传感器具有多个磁场灵敏度范围和其他可编程参数，可向 MCU 提供角度测量值（图 4）。平面外测量往往会造成不同的磁场强度（增益）和不相同轴的偏移，这会造成角度计算误差，MCU会根据需要不断调节电机位置以稳定平台，具有增益和偏移校正功能的 3D 霍尔传感器可灵活地相对于磁铁于放置，它能准确无误地测量在轴和偏轴位置角度，以确保提高机械设计的灵活性。
图 5：TMAG5170 型号器件和 TMAG5273 型号器件除了分别采用 SPI 接口（如上图所示）和 I²C 接口外，其所用 3D 霍尔效应传感器 IC 的内部功能模块是相同的。（图片来源：Texas Instruments）
图 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一块具有两个不同的 3D 霍尔效应传感器 IC 的快装电路板（右下），一个传感器控制板（左下），通过 3D 打印制造的旋转和推动模块（中间）以及一根 USB 电源电缆。（图片来源：Texas Instruments）
图 7：安装在 EVM 顶部的 3D 打印旋转和推动模块插图。（图片来源：Texas Instruments）
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