在位置检测应用中使用霍尔效应传感器的一个主要优势是，它无需物理接触，即可在机械解决方案中实现定位。这是因为，线性霍尔效应传感器可以使用附近磁体产生的磁通量生成随输入磁场变化而变化的输出。磁场可以穿透空气、灰尘和污垢、塑料以及其他一般的非铁磁性材料。因此，该传感器可以方便地放置于存在可测量磁场的任何位置来提供反馈。使用线性输出霍尔效应传感器时存在一个特殊的挑战，那就是磁通密度与磁体距离的平方成反比。因此，由于线性步长会在输出上产生非线性变化，这会增加位置计算的复杂性。虽然这可以针对任何特定的磁体进行校准，但采用将磁体和传感器滑动摆放的配置更有用。这时，磁体不会直接朝着传感器移动，而是以线性路径在传感器上方移动。
以一维传感器的布局为例，例如图 1 中所示的 DRV5055，磁体沿与 Y 轴平行的黑线按任一方向移动。在本示例中，所示的磁体厚度约为 22mm，半径约为 3mm。
图 1 - 磁体滑动方向
在此配置中，传感器将仅检测 Z 轴方向的磁场矢量分量。在此磁体的移动过程中，传感器产生的输入会产生一种有趣的现象。与磁体长度大致相同的区域会产生磁场的线性变化。借助此输入，现在可通过在线性输入区域中进行测量来更轻松地监测位置变化。
图 2 - 滑动输入磁场
另外，通过添加多个传感器，可以轻松地对其进行调整，以增加整体冲程长度。线性霍尔效应传感器阵列设计中更详细地讨论了此类设计中涉及的过程。
一维情形中，范围受限于磁体长度。在线性输入区域之外移动会产生位置不确定性，因为现在有两个位置会映射到相同的输入幅度。通过使用三维 (3D) 传感器可以解决不确定性问题。借助此类的传感器，可以观察到图 3 中显示的输入磁场。
图 3 - 3D 滑动输入磁场
利用此输入可以定义三个不同的输入区域。线性区域仍然为线性运动提供最佳相关性，但根据 Y 分量，现在也可以区分非线性区域中磁体的接近方向。假设为 By 设置 -6mT 的限值来与 Bz 的峰值相对应。
图 4 - 输入磁场区域
当 By 超过此阈值时，磁体已知位于线性感应区域。如果 By 低于阈值，则 Bz 的符号将指示是从右还从左接近。可以利用校准来确定此非线性区域的位置，并且随着磁体远离传感器，精度将会下降。
一种类似但有利的方法是再次利用 3D 传感器，但这次磁极将与传感器表面垂直，而不是平行。磁体移动中的磁场曲线与上一个示例非常相似。
图 5 - 滑动机械角度
当磁体沿 Y 轴移动时，该运动将产生如图 6 所示的输入。在这种情况下，磁体比之前小得多，厚度约为 5mm，半径约为 3mm。由于磁体的方向发生变化，现在可以在 By 分量上观察到线性区域。在这个特定情况下，该区域的宽度仅为 6mm。
图 6 - 角度测量输入
借助此数据，只需使用 By 就可以跟踪位置，但使用反正切函数将能够在更宽的范围内实现位置检测。
电角：θ = atan 2 (Bz , By) 1
通过比较根据磁场输入计算得出的电角与磁体和传感器之间的实际机械角，可以发现一种有趣的现象。
图 7 - 测量角度与位置间的关系
虽然由于使用不严格遵循正弦曲线的磁场输入，两种计算之间存在显著的误差，但是很明显，常规的电角计算与机械角相关。鉴于这种相似性，应该可以调整电角计算以匹配实际机械角。使用 TMAG5170 时，可以对单个通道应用增益和偏移校正，两者可以分别表示为 α 和 δ。此外，很明显，第二个标量将有助于降低总体幅值，该标量将以 β 表示。记录 TMAG5170 输出的微控制器负责进行校正。通过更深入的分析还会发现，随角度增加的比例系数 γ 也有助于在最远的磁体位置处对齐两条曲线的渐近行为。公式 2 和公式 3 中显示了基于公式与每个因素对齐的示例。
θ′ = atan2 (α × (Bz + δ) , By) 2
θ = β × θ′ − γ × sin θ′ 3
要实现此功能的演示，请考虑图 8 中所示 TMAG5170 EVM 的附加装置。TMAG5170 滑动附加装置提供了介绍如何对该附加装置和物理几何构型进行 3D 打印的文件。
图 8 - TMAG5170 滑动附加装置
根据仿真数据和公式 2 及公式 3 的结果，有多种可能的实现方式，并具有不同的精度。这些值和对应的误差是通过检查确定的。其他线性化方法（包括多点校准）也可以证明使结果线性化的方法是成功的。以下示例中显示了三种配置。配置 1 对 Z 轴进行标量校正，然后调整所产生角度输出的幅值。配置 2 也使用这些因素，但包括额外的有意偏移来帮助扩展灵敏度范围。为了帮助进一步限制误差，配置 3 添加了最终校正因子，以帮助进一步扩展传感器的可视范围，使输入参考噪声有可能成为影响位置精度的主要因素。
表 1. 配置和测量范围
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配置 |
α |
β |
δ |
γ |
范围 |
精度 |
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1 |
0.6075 |
0.786 |
0 |
0 |
+/- 11mm |
+/- 0.06mm |
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2 |
0.6145 |
0.795 |
0.43 |
0 |
+/- 21mm |
+/- 0.25mm |
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3 |
0.534 |
0.87 |
0.24 |
-7.25 |
+/- 23mm |
+/- 0.1mm |
图 9 - 配置 1
图 10 - 配置 2
图 11 - 配置 3
另外，务必要记住，这些结果可能因系统而异，因为灵敏度误差、偏移、噪声和机械变化都会影响这些结果，这些结果是理论上的理想值。可以实施其他校准因数来提高总体精度。
表 2.备选器件建议
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器件 |
特性 |
设计注意事项 |
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DRV5055
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具有模拟输出、采用 SOT-23 和 TO-92 封装的商用（汽车类）单轴双极性线性霍尔效应传感器 |
模拟输出受电气噪声影响，计算需要 MCU 计算。单轴灵敏度限制了在自由空间内跟踪运动的能力。 |
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DRV5057
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具有 PWM 输出、采用 SOT-23 和 TO-92 封装的商用（汽车类）单轴双极性线性霍尔效应传感器 |
PWM 输出需要转换，但不易受到耦合噪声的影响。单轴灵敏度限制了在自由空间内跟踪运动的能力。 |
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TMAG5170
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具有 SPI 接口、采用 8 引脚 DGK 封装的商用（汽车）级线性 3D 霍尔效应位置传感器 |
完全磁矢量灵敏度。该器件能够跟踪各种磁体位置，但仍需要仔细规划，确保所有输入条件都映射到特定位置。 |
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具有 I2C 接口、采用 6 引脚 SOT-23 封装的线性 3D 霍尔效应位置传感器 |
TMAG5170 具有更严格的灵敏度容差，而 TMAG5273 则在 I2C 上运行 |
表 3.相关技术资源
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名称 |
说明 |
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指导如何设计用于跟踪长路径运动的传感器阵列 |
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论述线性输出和开关输出霍尔效应传感器之间的差异。 |
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介绍霍尔效应及其如何用于制造磁传感器 |
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GUI 和附加装置采用精确的三维线性霍尔效应传感器进行角度测量 |
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GUI 和附加装置采用精确的三维线性霍尔效应传感器进行角度测量 |
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EVM 包含一个数字显示屏，具有多种拟合直线的线性灵敏度。 |
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一个实用的视频系列，介绍霍尔效应及其在各种应用中的使用方式 |
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