新型三維霍爾傳感器及其在巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用

磁場(chǎng)傳感器在機(jī)器人、汽車、醫(yī)療等行業(yè)具有廣泛的重要用途，尤其在磁場(chǎng)精確測(cè)量方面至關(guān)重要。雖然霍爾效應(yīng)傳感器因其磁場(chǎng)測(cè)量能力而廣受歡迎，但傳統(tǒng)傳感器在同一位置同時(shí)測(cè)量三維磁場(chǎng)方面存在限制。而這種能力對(duì)于精確測(cè)量永磁體、電磁體及磁性組件的高梯度磁場(chǎng)至關(guān)重要。為克服這一局限，研究人員開發(fā)出一種新型cmos磁場(chǎng)傳感器，能在同一點(diǎn)同時(shí)測(cè)量Bx、By和Bz三個(gè)磁場(chǎng)分量。集成的垂直與水平霍爾元件確保了高角度精度及三個(gè)測(cè)量軸的正交性。偏置采用旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)，有效降低了偏移、低頻噪聲和平面霍爾效應(yīng)。本文所展示的緊湊型3D霍爾傳感器擁有寬廣模擬帶寬、高磁場(chǎng)分辨率以及內(nèi)置溫度傳感器，適用于3D定位、角度測(cè)量、電流檢測(cè)以及磁場(chǎng)測(cè)量等多個(gè)場(chǎng)景。同時(shí)，也展示了該傳感器在巡檢機(jī)器人附著力控制中的一項(xiàng)具體應(yīng)用。

水平與垂直霍爾傳感器

霍爾傳感器通常用于磁場(chǎng)測(cè)量，但傳統(tǒng)霍爾傳感器只能檢測(cè)垂直于傳感器的磁場(chǎng)分量。為實(shí)現(xiàn)面內(nèi)磁場(chǎng)測(cè)量，必須集成垂直霍爾板器件。這一思路zui早由Popovic在20多年前提出，并通過CMOS硅技術(shù)不斷改進(jìn)水平與垂直霍爾傳感器的性能。

新版本的垂直霍爾器件相比市場(chǎng)上其他產(chǎn)品具備更優(yōu)異的信噪比，信號(hào)處理后在1kHz頻率下的噪聲電壓譜密度僅為0.8μV/Hz。垂直與水平霍爾元件可通過CMOS技術(shù)集成，用于構(gòu)建多種磁場(chǎng)傳感器，如緊湊的3D霍爾傳感器（提供完整磁場(chǎng)信息）、二維角度傳感器以及用于電流測(cè)量的霍爾傳感器。

3D 霍爾傳感器——SENM3Dx

新型的3D霍爾傳感器SENM3Dx可在同一位置同時(shí)測(cè)量Bx、By和Bz三軸磁場(chǎng)分量。傳感器設(shè)計(jì)包括三組互為正交的霍爾元件，每組配有專屬的偏置電路和放大器，從而實(shí)現(xiàn)僅100 x 100微米的高空間分辨率。

圖1 集成在硅片上的水平霍爾元件(HHE)和垂直霍爾元件(VHE):靈敏體積小。高度相互正交。HHE和VHE的表現(xiàn)相當(dāng)。

CMOS技術(shù)制造的垂直與水平霍爾元件確保了高角度精度和良好的正交性。旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)進(jìn)一步減輕了偏移、低頻噪聲與平面霍爾效應(yīng)的影響。

該傳感器具有寬帶寬特性（DC至300 kHz）并集成溫度傳感器，封裝于非磁性QFN28封裝中，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 SENM3Dx傳感器采用非磁性QFN28封裝

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（RSL）已將該3D霍爾傳感器集成到巡檢機(jī)器人中，顯著提升了機(jī)器人在爬墻時(shí)的附著力控制能力。

3D傳感器在巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用

巡檢機(jī)器人廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)、監(jiān)控與檢測(cè)，其中可靠的附著力控制是設(shè)計(jì)與運(yùn)行的關(guān)鍵，特別是在惡劣、不可預(yù)測(cè)的環(huán)境中。

為提高安全性、準(zhǔn)確性、效率與成本效益，廣泛采用配有電控永磁體（EPM）抓手的爬墻機(jī)器人。然而，這些機(jī)器人通常較重且成本高，因此必須確保其運(yùn)行時(shí)不會(huì)跌落。為解決此問題，需要對(duì)EPM與支撐表面之間的實(shí)際附著力進(jìn)行反饋測(cè)量，這不僅能節(jié)能，還能避免在附著不足的區(qū)域移動(dòng)。在這種情況下，提出的估算磁性附著力的方法使用SENIS三維磁場(chǎng)傳感器SENM3Dx。

3D傳感器戰(zhàn)略性地放置在爪腳的邊緣，以探測(cè)EPM的邊緣場(chǎng)。利用NAFSA制造的EPM VM65/ND和四個(gè)SENM3Dx傳感器建立了粘附力模型并構(gòu)建了原型，如圖3(a)和(b)所示。通過電磁（EM）模擬確定了z佳傳感器位置，該位置確定了靠近抓爪足座的Max磁場(chǎng)變化位置。

圖3 底視圖中顯示了夾爪腳原型，在PCB和電永磁體(EPM)上有四個(gè)等距的SENM3Dx傳感器。這(a)中顯示了一個(gè)傳感器的磁軸定義，而(b)顯示了SENIS SENM3Dx傳感器PCB的仰視圖。

考慮到現(xiàn)實(shí)shi界的復(fù)雜性，粘接力受到各種參數(shù)的影響。在這個(gè)模型中，重點(diǎn)關(guān)注四個(gè)顯著影響附著力的關(guān)鍵因素：永磁體的強(qiáng)度、EPM和支架之間的氣隙、支架（金屬）的厚度和支撐表面的紋理。

一種新穎的解決方案涉及定義X和Y組件之間的角度，這可以在一定范圍內(nèi)提供有價(jià)值的氣隙距離。具體而言，如圖4a所示，較大的氣隙會(huì)導(dǎo)致90°的夾角，而對(duì)于較厚的支撐結(jié)構(gòu)，夾角與厚度無關(guān)。然而，為了減小氣隙，磁場(chǎng)分量測(cè)量中的相對(duì)誤差會(huì)導(dǎo)致異常值，如圖4a所示。因此，了解這種關(guān)系是準(zhǔn)確估計(jì)攀爬機(jī)器人粘附力并確保其安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

圖4 (a)中示出了各種氣隙的磁角，而(b)顯示了磁場(chǎng)不同氣隙的M值。使用16毫米厚的鋼板作為支撐。

磁場(chǎng)振幅或幅度M的X和Y分量可用于確定粘附力，因?yàn)樗鼘?duì)于小的氣隙表現(xiàn)出近乎線性的關(guān)系(見圖4b)。相比之下，與磁場(chǎng)大小相比，磁場(chǎng)角度為估計(jì)粘附力提供了不可靠的數(shù)據(jù)，因此不用于建立簡(jiǎn)單的線性預(yù)測(cè)模型。因此，磁角可用于估計(jì)氣隙距離，而磁場(chǎng)大小可用于確定粘附力。以下事實(shí)支持了這一點(diǎn)，即粘附力大致與給定氣隙的磁場(chǎng)大小成比例。

公式給出了附著力預(yù)測(cè)模型，該模型利用5毫米厚鋼板的數(shù)據(jù)，基于從2毫米和16毫米金屬板上獲得的磁量級(jí)和獨(dú)立力測(cè)量。該模型表示為氣隙寬度(d)的函數(shù)，其中下標(biāo)表示金屬支撐的厚度。因此，模型F5，pred(d)使用磁性大小(M)和2、5和16毫米厚金屬支架的力測(cè)量值(F)來預(yù)測(cè)5毫米厚金屬板的附著力。

在圖5中，將預(yù)測(cè)和測(cè)量的附著力值作為氣隙距離d的函數(shù)進(jìn)行比較，Max相對(duì)誤差為23%。這種精度水平被認(rèn)為是可以接受的，因?yàn)榇盆F的強(qiáng)附著力是出于安全原因而選擇的。這個(gè)安全范圍允許在實(shí)際應(yīng)用程序中使用該模型，而無需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，SENM3Dx傳感器的快速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)使使用自適應(yīng)模型能夠?qū)崟r(shí)訓(xùn)練和反應(yīng)。此外，從一個(gè)小而輕的三維磁場(chǎng)傳感器獲得附著力信息是非常方便的。

圖5所示。演示了線性預(yù)測(cè)模型F5，pred的性能，并將模型（prediction）與各種氣隙d的實(shí)測(cè)附著力（Measurement）進(jìn)行了比較

結(jié)論與展望

本文展示了一款新型的CMOS三維霍爾磁場(chǎng)傳感器，能夠在單點(diǎn)同時(shí)精確測(cè)量三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量。通過三組正交的水平與垂直霍爾元件及獨(dú)立電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高空間與角度精度。旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)有效抑制了偏移、低頻噪聲及平面霍爾效應(yīng)。

該傳感器具備寬模擬帶寬和內(nèi)置溫度傳感器，適用于3D位置檢測(cè)、磁測(cè)量、角度測(cè)量和電流檢測(cè)等場(chǎng)合。本文還通過一個(gè)實(shí)例展示了傳感器在巡檢機(jī)器人附著力控制中的強(qiáng)大應(yīng)用潛力。

SENIS的3D霍爾傳感器憑借性能和高精度，將在下一代磁場(chǎng)測(cè)量解決方案中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)磁測(cè)量與傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

昊量光電與SENIS共同推出的3MH6高精度，低噪聲特斯拉計(jì)，就集成了上文提到的霍爾傳感器，還集成了高精度磁場(chǎng)模擬電壓傳感器，具有高水平的溫度補(bǔ)償輸出信號(hào)，用于測(cè)量磁通密度Bx，By和Bz的三個(gè)組成部分。另外在模擬換能器上加一個(gè)數(shù)字模塊，形成數(shù)字特斯拉計(jì)，其提供了由主機(jī)通過USB串行接口自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的可能性。通過這種方式，客戶可以使用Basic， C, c++, Delphi， LabVIEW等編程工具輕松地將測(cè)量例程集成到測(cè)量系統(tǒng)中。溫度測(cè)量功能允許用戶在監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的同時(shí)獲得當(dāng)前溫度值。換能器由兩個(gè)模塊組成：可互換霍爾探頭和電纜（模塊H）；電子（模塊E）：低噪聲數(shù)字特斯拉儀是一種高精度溫度穩(wěn)定儀器，用于精確測(cè)量磁場(chǎng)。每個(gè)傳感器都使用連接探頭的單獨(dú)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此探頭是可更換的。其非常高的磁直流分辨率：優(yōu)于1ppm (@2T范圍：平面1µT和垂直分量2µT)（注：更高的分辨率優(yōu)于0.5uT可用于特殊設(shè)備版本3MH6-S，單個(gè)測(cè)量范圍為100mT）

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