韓玉萌　韓嘉驊

摘要：操縱桿的工作狀態(tài)和實時角度等信息是工程機械控制系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，其中，角度傳感器是獲取此種參數(shù)的關鍵部件，為此，設計了一種適用于操縱桿的新型非接觸角度傳感器。首先，在結構上，使運動部件與電氣組件空間分離，經(jīng)測試達到IP68的防護等級；通過外殼和背板配合實現(xiàn)電路板的雙重固定，無需連接件和連接工序，裝配方便；通過扇形柱實現(xiàn)機械定位，且修改扇形柱圓心角度數(shù)可任意調節(jié)轉動范圍。此外，選擇了合適的磁鋼，通過仿真驗證其合理性。通過向霍爾芯片寫入傳感器磁系統(tǒng)、溫度漂移系數(shù)及磁場強度偏移量的方式補償傳感器，并利用線性化工具校正輸出以減小對線性誤差的影響。通過實驗驗證性能并與Elobau的424ZE120傳感器作比較。結果表明，所設計的基于霍爾效應的GD-868ZE120傳感器具有良好的性能，能滿足工程機械及其他大部分工業(yè)場所的使用要求。

關鍵詞：非接觸式；霍爾效應；操縱桿；結構設計；角度傳感器

中圖分類號：TN98 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.03.008

文章編號：1006-0316 （2023） 03-0047-08

Structural Design and Performance Verification of an Angle Sensor

HAN Yumeng，HAN Jiahua

（ School of Mechanical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：The working state and real-time angle of joystick are the key parameters of construction machinery control system. To obtain such parameters， a new non-contact angle sensor is designed. First of all， by separating the moving parts from the electrical components in space， it reaches the protection class of IP68. The double fixation of the circuit board is realized through the cooperation of the shell and the back plate without connecting parts and connecting processes， which simplifies the assembly and makes it become convenient. The mechanical positioning is realized through the sector column， and the adjustable rotation range is achieved by modifying the degree of the circle center angle of the sector column. In addition， an appropriate magnetic steel is selected and its rationality is verified by simulation. The sensor is compensated by writing the temperature drift coefficient and magnetic field strength offset of the sensor magnetic system to the Hall chip. Linearization tools are used to correct the output so as to reduce the influence on the linearity error. The performance is experimentally verified and compared to Elobau's 424ZE120 sensor. The results show that the GD-868ZE120 sensor based on Hall effect has good performance， which meets the application requirements of construction machinery and most other industrial places.

Key words：non-contact；hall effect；joystick；structural design；angle sensor

操縱桿是工程機械中的重要控制部件，其工作狀態(tài)和實時角度等信息是工程機械控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)[1]，該參數(shù)主要由角度傳感器采集。角度傳感器決定該參數(shù)的準確性，進而影響工程機械的精準控制。磁電式角度傳感器是當前角度傳感器發(fā)展的重要方向[2]，較普通電位計壽命長[3]，在角度參數(shù)測量方面具有廣大的應用前景[4]。工程機械上使用的傳感器容易受到鹽霧、水汽等的侵害?，F(xiàn)有傳感器雖提高了密封性，但或未將磁鋼與電氣組件分離[5]；或以比較復雜的結構實現(xiàn)分離，但磁鋼的旋轉及精準定位都需借助齒輪嚙合方可完成[6]。且部分傳感器為使電路板固定可靠還采用了熱鉚工藝，加工生產(chǎn)較為不便[7]。此外，溫度變化也會對傳感器的輸出特性產(chǎn)生影響[8-9]。

針對以上問題，本文提出一種新型結構的霍爾角度傳感器，以比較簡單的結構實現(xiàn)磁鋼與電氣組件的分離、轉動端相對傳感器主體的位置限定、良好的密封性以及電路板的固定。其次結合所設計的結構對磁鋼進行選型，并對該磁鋼作用下傳感器的線性度進行仿真。此外，還將溫度因素考慮在內(nèi)，采集傳感器在不同溫度下的磁場分量，利用軟件計算磁鋼溫度漂移系數(shù)補償傳感器，并用線性化工具優(yōu)化輸出。最后通過搭建實驗臺測試，采集本文所設計的GD-868ZE120傳感器和424ZE120傳感器的輸出數(shù)據(jù)進行分析，比較各項性能。結果表明，本文所設計的傳感器具有良好的性能。

1 傳感器設計及工作原理

1.1 角度傳感器結構設計

本文設計了一種基于霍爾效應的非接觸式角度傳感器，脫離了摩擦接觸，有效改善了傳統(tǒng)電位器壽命短的弊端，整體結構如圖1所示。

1.磁鋼固定座；2.霍爾磁鋼；3.外殼；4.橡膠密封條；5.隔離板；6.霍爾芯片；7.霍爾PCB；8.背板；9.線束。

圖1 傳感器機械結構圖

傳感器主要由保護殼、轉動組件及電控組件組成。保護殼包括外殼、背板及橡膠密封條。外殼和背板通過定位柱和定位槽進行裝配，同時二者利用設置的凹槽相互配合完成橡膠密封圈的固定。此種裝配方式連接簡單、結構緊湊，減小了傳感器整體尺寸，使傳感器便于安裝在空間狹小的場合。轉動組件包括磁鋼固定座和隔離板。磁鋼固定座嵌入外殼小端圓柱孔，其內(nèi)部放置霍爾磁鋼，用膠水固定；隔離板則與外殼進行裝配，靠近磁鋼固定座敞口端。電控組件包括霍爾PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）及霍爾磁鋼。霍爾磁鋼與霍爾PCB上的霍爾芯片采用軸端裝配，二者配合工作。磁鋼與傳感器表面平行旋轉，進而產(chǎn)生磁場的角度變化，該磁場角度變化量通過霍爾元器件采集，并經(jīng)過計算轉換為數(shù)字量或者模擬量的角度輸出信號輸出。傳感器轉動角度與輸出電壓對應關系唯一確定，可通過線路板直接獲取輸出電壓。

工程機械工作環(huán)境通常非常惡劣，粉塵入侵、油污、水汽及鹽霧等會對霍爾PCB造成污染和腐蝕。通過隔離板，以一種簡單的結構將霍爾PCB與磁鋼安裝空間分離，兩個空間互不連通，同時實現(xiàn)運動部件（包括磁鋼固定座和磁鋼）與電氣元件的隔離。一方面，避免將PCB暴露在空氣中受外界環(huán)境的影響，進而影響輸出電壓的準確性，能夠給傳感器提供初步的保護。另一方面，將磁鋼與電氣元件隔離，便于生產(chǎn)組裝。為了保證密閉性，通過背板上的兩個圓孔灌膠，填充了傳感器內(nèi)部多余空間。同時，為了防止膠水滲入隔離板影響轉動端旋轉，在隔離板與外殼內(nèi)腔臺階的配合面上采用迷宮密封。迷宮密封的方式為膠水的流動創(chuàng)造了一條復雜的路徑，使得膠水很難穿過密封影響到傳感器運動部件。這樣電氣元件和機械組件經(jīng)密封處理且相互獨立運行，對傳感器形成二次保護，進一步增強電氣元件的密封性，使傳感器防塵、防水和耐腐蝕性更強。

磁鋼固定座小端部分沿軸向有一側平面，裝配時起定位作用。磁鋼固定座與外殼上還對應開設有一段扇形柱，通過改變扇形圓柱圓心角度數(shù)的大小可調節(jié)傳感器轉動范圍，同時也可實現(xiàn)傳感器轉動端對傳感器主體的機械限位。隔離板對轉動端也起到軸向限位的作用，使轉動端上安裝的磁鋼相對于PCB的位置恒定，定位更有保障，減小了實際安裝時z方向上的公差對磁場強度的影響。

霍爾PCB置于外殼內(nèi)部，嵌入對應凹槽中。通過過盈配合固定在外殼上，裝配牢固。同時背板上開有一個長度略小于霍爾PCB的凹槽，其與外殼相配合可進一步加固霍爾PCB，實現(xiàn)對霍爾PCB的雙重固定。

傳感器實物如圖2所示。

1.2 磁鋼的選用

傳感器在實際安裝中，在x、y和z方向上總是存在機械公差。在z方向的公差會影響磁場強度，旋轉中心的偏移，即x或y方向的變化會導致振幅不匹配、偏移等誤差。為了更好地對抗偏心的魯棒性，傳感器上使用大直徑的磁鋼[10-11]。一個大直徑的磁鋼會導致一個更大的均勻面積，使在x或y方向上的偏移量相對于磁鋼直徑可忽略不計，因此可以允許存在更高的機械公差。另外，雖然傳感器與磁鋼之間的最大距離和磁場強度之間的相關性并不是一個簡單的方程式，但仍可用以下方法進行粗略估計[12]：

ΔT＝T－T0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Ddrift＝Tc·ΔT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

B25℃×（100%－Ddrift）＝BT×100%? ? ?（3）

式中：T為高于常溫的溫度，℃；T0為常溫，取25℃；ΔT為溫度差值，℃；Ddrift為磁強度漂移；Tc為傳感器所用磁鋼的溫度系數(shù)，取鐵氧體標準溫度系數(shù)，-0.2%/℃；B25℃為本文所設計的傳感器常溫下所需磁場強度，mT；BT為高溫下磁場強度至少需達到的值，mT。

傳感器的絕對磁場強度為20～150 mT，高溫條件下至少需達到20 mT，即BT＝20 mT。

計算得：B25℃＝23 mT

磁場強度決定了傳感器和磁鋼的最大距離，磁鋼距離霍爾芯片較遠，磁場強度變?nèi)?，若周圍有其他磁場干擾，傳感器容易失效。相反，若磁鋼距離霍爾芯片太近，導致芯片飽和，傳感器也不能正常工作。據(jù)此，結合所設計的傳感器結構，本文選用直徑8 mm的磁鋼，磁鋼與霍爾芯片的距離為3.1 mm。

2 傳感器性能仿真

采用TDK公司的Microna_Simulator[13]仿真，觀察傳感器在選定磁鋼作用下的非線性輸出誤差。首先確定仿真所需參數(shù)。采集傳感器所用磁鋼作用下霍爾芯片通道1[14]的磁場強度分量ΦBCH1，如圖3所示。

Ooffset＝－（ΦBCH1max＋ΦBCH1min）/2? ? ?（4）

式中：Ooffset為偏移量，mT。

計算得：Ooffset＝-1834 mT

其次，選擇線性比例范圍。本文設計的傳感器為模擬量輸出，有用的鉗位電平必須位于誤差帶邊界內(nèi)（滿量程電壓Vsup的7%～93%），故線性比例范圍選擇為10%～90%，輸出范圍為0.5～4.5 V（Vsup＝5 V）。最后，磁鋼溫度系數(shù)為-0.2%/℃，仿真環(huán)境溫度為25℃。

傳感器的性能仿真結果如圖4所示?？梢钥闯?，在選定磁鋼的作用下，傳感器轉動角度與輸出值呈現(xiàn)較好的線性關系，滿足設計要求，且傳感器絕對最大線性度誤差為0.15 V。下面通過實驗驗證其真實性能。

3 傳感器性能測試及對比

3.1 測試方案

通過聯(lián)軸器連接傳感器與57步進電機，由57步進電機帶動傳感器旋轉，測試臺如圖5所示。對步進電機進行編碼，使其步進角為5°。測試時通過步進電機帶動傳感器磁鋼正轉或反轉，利用TDK的測量工具Measurementtool[13]讀取傳感器輸出的DAC值，每轉過5°讀取一次，并將數(shù)據(jù)保存在excel表中。

測試傳感器溫漂特性時，加熱傳感器，使其表面溫度穩(wěn)定在85℃左右。電機每轉動5°采集一次數(shù)據(jù)，并保存成excel表。

3.2 傳感器輸出優(yōu)化

從仿真結果看，雖然傳感器輸出整體呈線性，但與理論輸出值仍有較大偏差，因此進一步優(yōu)化傳感器。首先，計算磁系統(tǒng)溫度偏移系數(shù)和補償后的磁場強度偏移量[13]。將二者寫入芯片內(nèi)存中可減小線性運動范圍末端誤差、降低溫度漂移對線性誤差的影響、減小氣隙變化對線性誤差的影響以及可在性能相同的情況下允許小尺寸的磁鋼。但由于整個溫度范圍內(nèi)傳感器的磁性系統(tǒng)溫度行為未知或非線性，因此保持磁鋼在固定位置，在不同溫度下（至少三個，其中一個為室溫）利用Measurementtool獲取補償后的溫度值T和磁場強度數(shù)據(jù)Φ來創(chuàng)建“溫度行為數(shù)據(jù)文件”，用來計算溫度偏移系數(shù)，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

然后，計算磁場強度偏移量[13]。利用TDK的Calibration tool對所設計的傳感器進行兩點標定[13-14]。芯片可輸出的DAC值有效范圍為0～32767，本文所設計的傳感器輸出范圍為滿量程的10%～90%，可轉動的角度范圍為0°～120°。標定結束后，由步進電機帶動角度傳感器轉動。利用Measurement tool每5°采集一次DAC值和CH1_COMP（Compensation，補償）值[14]，進行第一次0°～120°范圍內(nèi)的角度測量。其中，采集到的CH1_COMP值如圖6所示。

將圖6數(shù)據(jù)代入式（4），計算得偏移量為-0.305 mT。

其次，將“溫度行為數(shù)據(jù)文件”和偏移量值寫入信號路徑中，系統(tǒng)將自動計算并更新偏移系數(shù)，結果如圖7所示。將更新后的偏移系數(shù)寫入芯片內(nèi)存中。

最后，利用TDK公司的Linearization tool對所采集的DAC值進行線性化處理[13]，對采集到的傳感器的每一輸出值進行校準修正。完成信號修正后，進行第二次角度測量。線性化前后的測量數(shù)據(jù)如圖8（a）所示。結果表明，線性化處理后傳感器輸出更接近理論輸出（由Linearization tool根據(jù)導入的excel文件數(shù)據(jù)自動擬合出的線性值），與理論值的最大偏差由0.07 V減小為0.06 V，如圖8（b）所示。小于仿真時得到的非線性誤差0.15 V（25℃），性能提高，達到修正目的。

3.3? GD-868ZE120與424ZE120性能對比

ELOBAU的424ZE120角度傳感器廣泛應用于工業(yè)機械角度測量。測量得到424ZE120、GD-868ZE120傳感器的線性度、溫漂等特性參數(shù)，進行對比分析，并驗證密封性。此外還測量傳感器的重復性和遲滯性能，做進一步對比，判斷所設計的傳感器性能優(yōu)劣。

（1）線性度性能比較

將傳感器按照測試方案中的方式連接，采集424ZE120、GD-868ZE120傳感器輸出數(shù)據(jù)如圖9所示?？梢钥闯?，424ZE120傳感器輸出電壓最大非線性絕對誤差為0.15 V，根據(jù)線性度定義[15]計算得該傳感器線性度為3.75%；GD-868ZE120傳感器輸出電壓最大非線性絕對誤差為0.12245 V，計算得線性度為3.06%，小于424ZE120的線性度。故GD-868ZE120傳感器線性度優(yōu)于424ZE120傳感器。

（2）溫漂特性比較

在25℃和85℃時，分別記錄424ZE120、GD-868ZE120傳感器輸出數(shù)據(jù)，得到圖10?？梢钥闯觯?24ZE120傳感器輸出最大輸出差值為0.1 V，根據(jù)溫漂定義[15]算得溫漂為0.167 V/℃；GD-868ZE120傳感器最大輸出差值0.067444 V，溫漂0.1124% V/℃，小于424ZE120傳感器的溫漂，可以判斷出溫度變化對GD-868ZE120傳感器的影響更小。

（3）GD-868ZE120傳感器IP68性能測試

首先通過傳感器背板上的兩個圓孔灌膠，然后將傳感器置于水下1 m，保持72 h。其次，將傳感器置于2 L壓力桶中，用空壓機向壓力桶加壓，直至壓力桶壓力表讀數(shù)為0.2 MPa，保持30 min。實驗設備如圖11所示。最后測量傳感器輸出，得到相應變化曲線，如圖12所示。

由圖12可知，GD-868ZE120傳感器在測試后正、反行程最大非線性誤差絕對值分別為0.126 V、0.117 V，小于424ZE120傳感器最大非線性誤差0.15 V。綜上，GD-868ZE120傳感器在經(jīng)IP68測試后仍具有良好的工作性能，密封性良好，滿足IP68性能指標，優(yōu)于424ZE120。

（4）重復度性能比較

測得424ZE120、GD-868ZE120傳感器的重復度曲線如圖13所示。可以看出，424ZE120傳感器正程輸出最大不重復誤差為0.06 V，反程輸出最大不重復誤差為0.07 V，根據(jù)重復度定義[15]計算得該傳感器正、反行程的重復度分別為1.5%、1.75%；GD-868ZE120傳感器正程最大不重復誤差為0.014 V，小于424ZE120傳感器正程最大不重復誤差，反行程最大不重復誤差0.0116 V，小于424ZE120傳感器反程最大不重復誤差。且GD-868ZE120傳感器正程重復度0.35%、反程重復度0.29%，分別對應小于424ZE120傳感器的重復度。經(jīng)過對比，本文設計的GD-868ZE120傳感器的重復度更佳。

（5）遲滯特性比較

測試得到424ZE120、GD-868ZE120傳感器的遲滯特性曲線如圖14所示。

可以看出，424ZE120傳感器正、反行程間的最大輸出差值為0.08 V，故根據(jù)遲滯定義[15]計算得該傳感器遲滯為2%；GD-868ZE120傳感器最大輸出差值為0.015 V，計算得遲滯為0.375%，小于424ZE120傳感器的遲滯。經(jīng)過對比，本文所設計的GD-868ZE120傳感器比424ZE120傳感器遲滯小，符合預想設計要求。

4 結論

本文完成了GD-868ZE120角度傳感器的結構創(chuàng)新設計，以簡單的結構實現(xiàn)了傳感器角度測量范圍的靈活設置、轉動端對傳感器主體的位置限定、磁鋼與霍爾PCB的空間隔離、良好的密封性以及霍爾PCB的雙重固定。選擇了合適的磁鋼，通過仿真得到了很好的線性輸出。并計算傳感器實際的磁系統(tǒng)溫度漂移系數(shù)和磁場強度偏移量對傳感器進行補償以及對傳感器輸出值進行線性化處理，進一步優(yōu)化了傳感器輸出性能。經(jīng)過測試，線性化處理后傳感器輸出值與理論值的偏差進一步減小，非線性誤差小于仿真時得到的誤差值，驗證了上述方法的合理性。通過實驗采集GD-868ZE120角度傳感器與ELOBAU的424ZE120傳感器輸出值，對比各項性能指標。

結果表明，與ELOBAU的424ZE120傳感器相比，GD-868ZE120傳感器具有更好的線性度、溫漂、防水防塵性能、重復度以及遲滯，滿足設計要求。

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