新型三维霍尔传感器及其在巡检机器人中的应用

磁场传感器在机器人、汽车、医疗等行业具有广泛的重要用途，尤其在磁场精确测量方面至关重要。虽然霍尔效应传感器因其磁场测量能力而广受欢迎，但传统传感器在同一位置同时测量三维磁场方面存在限制。而这种能力对于精确测量永磁体、电磁体及磁性组件的高梯度磁场至关重要。为克服这一局限，研究人员开发出一种新型CMOS磁场传感器，能在同一点同时测量Bx、By和Bz三个磁场分量。集成的垂直与水平霍尔元件确保了高角度精度及三个测量轴的正交性。偏置采用旋转电流技术，有效降低了偏移、低频噪声和平面霍尔效应。本文所展示的紧凑型3D霍尔传感器拥有宽广模拟带宽、高磁场分辨率以及内置温度传感器，适用于3D定位、角度测量、电流检测以及磁场测量等多个场景。同时，也展示了该传感器在巡检机器人附着力控制中的一项具体应用。

水平与垂直霍尔传感器

霍尔传感器通常用于磁场测量，但传统霍尔传感器只能检测垂直于传感器的磁场分量。为实现面内磁场测量，必须集成垂直霍尔板器件。这一思路最早由Popovic在20多年前提出，并通过CMOS硅技术不断改进水平与垂直霍尔传感器的性能。

最新版本的垂直霍尔器件相比市场上其他产品具备更优异的信噪比，信号处理后在1kHz频率下的噪声电压谱密度仅为0.8μV/Hz。垂直与水平霍尔元件可通过CMOS技术集成，用于构建多种磁场传感器，如紧凑的3D霍尔传感器（提供完整磁场信息）、二维角度传感器以及用于电流测量的霍尔传感器。

3D 霍尔传感器——SENM3Dx

新型的3D霍尔传感器SENM3Dx可在同一位置同时测量Bx、By和Bz三轴磁场分量。传感器设计包括三组互为正交的霍尔元件，每组配有专属的偏置电路和放大器，从而实现仅100 x 100微米的高空间分辨率。

图1 集成在硅片上的水平霍尔元件(HHE)和垂直霍尔元件(VHE):灵敏体积小。高度相互正交。HHE和VHE的表现相当。

CMOS技术制造的垂直与水平霍尔元件确保了高角度精度和良好的正交性。旋转电流技术进一步减轻了偏移、低频噪声与平面霍尔效应的影响。

该传感器具有宽带宽特性（DC至300 kHz）并集成温度传感器，封装于非磁性QFN28封装中，适用于多种应用场景。

图2 SENM3Dx传感器采用非磁性QFN28封装

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的机器人系统实验室（RSL）已将该3D霍尔传感器集成到巡检机器人中，显著提升了机器人在爬墙时的附着力控制能力。

3D传感器在巡检机器人中的应用

巡检机器人广泛应用于基础设施的维护、监控与检测，其中可靠的附着力控制是设计与运行的关键，特别是在恶劣、不可预测的环境中。

为提高安全性、准确性、效率与成本效益，广泛采用配有电控永磁体（EPM）抓手的爬墙机器人。然而，这些机器人通常较重且成本高，因此必须确保其运行时不会跌落。为解决此问题，需要对EPM与支撑表面之间的实际附着力进行反馈测量，这不仅能节能，还能避免在附着不足的区域移动。在这种情况下，提出的估算磁性附着力的方法使用SENIS三维磁场传感器SENM3Dx。

3D传感器战略性地放置在爪脚的边缘，以探测EPM的边缘场。利用NAFSA制造的EPM VM65/ND和四个SENM3Dx传感器建立了粘附力模型并构建了原型，如图3(a)和(b)所示。通过电磁（EM）模拟确定了最佳传感器位置，该位置确定了靠近抓爪足座的最大磁场变化位置。

图3 底视图中显示了夹爪脚原型，在PCB和电永磁体(EPM)上有四个等距的SENM3Dx传感器。这(a)中显示了一个传感器的磁轴定义，而(b)显示了SENIS SENM3Dx传感器PCB的仰视图。

考虑到现实世界的复杂性，粘接力受到各种参数的影响。在这个模型中，重点关注四个显著影响附着力的关键因素：永磁体的强度、EPM和支架之间的气隙、支架（金属）的厚度和支撑表面的纹理。

一种新颖的解决方案涉及定义X和Y组件之间的角度，这可以在一定范围内提供有价值的气隙距离。具体而言，如图4a所示，较大的气隙会导致90°的夹角，而对于较厚的支撑结构，夹角与厚度无关。然而，为了减小气隙，磁场分量测量中的相对误差会导致异常值，如图4a所示。因此，了解这种关系是准确估计攀爬机器人粘附力并确保其安全高效运行的关键。

图4 (a)中示出了各种气隙的磁角，而(b)显示了磁场不同气隙的M值。使用16毫米厚的钢板作为支撑。

磁场振幅或幅度M的X和Y分量可用于确定粘附力，因为它对于小的气隙表现出近乎线性的关系(见图4b)。相比之下，与磁场大小相比，磁场角度为估计粘附力提供了不可靠的数据，因此不用于建立简单的线性预测模型。因此，磁角可用于估计气隙距离，而磁场大小可用于确定粘附力。以下事实支持了这一点，即粘附力大致与给定气隙的磁场大小成比例。

公式给出了附着力预测模型，该模型利用5毫米厚钢板的数据，基于从2毫米和16毫米金属板上获得的磁量级和独立力测量。该模型表示为气隙宽度(d)的函数，其中下标表示金属支撑的厚度。因此，模型F5，pred(d)使用磁性大小(M)和2、5和16毫米厚金属支架的力测量值(F)来预测5毫米厚金属板的附着力。

在图5中，将预测和测量的附着力值作为气隙距离d的函数进行比较，最大相对误差为23%。这种精度水平被认为是可以接受的，因为磁铁的强附着力是出于安全原因而选择的。这个安全范围允许在实际应用程序中使用该模型，而无需进一步优化。此外，SENM3Dx传感器的快速和动态响应使使用自适应模型能够实时训练和反应。此外，从一个小而轻的三维磁场传感器获得附着力信息是非常方便的。

图5所示。演示了线性预测模型F5，pred的性能，并将模型（prediction）与各种气隙d的实测附着力（Measurement）进行了比较

结论与展望

本文展示了一款新型的CMOS三维霍尔磁场传感器，能够在单点同时精确测量三个方向的磁场分量。通过三组正交的水平与垂直霍尔元件及独立电路设计，实现了高空间与角度精度。旋转电流技术有效抑制了偏移、低频噪声及平面霍尔效应。

该传感器具备宽模拟带宽和内置温度传感器，适用于3D位置检测、磁测量、角度测量和电流检测等场合。本文还通过一个实例展示了传感器在巡检机器人附着力控制中的强大应用潜力。

SENIS的3D霍尔传感器凭借卓越性能和高精度，将在下一代磁场测量解决方案中发挥关键作用，推动磁测量与传感技术的进一步发展。

昊量光电与SENIS共同推出的3MH6高精度，低噪声特斯拉计，就集成了上文提到的霍尔传感器，还集成了高精度磁场模拟电压传感器，具有高水平的温度补偿输出信号，用于测量磁通密度Bx，By和Bz的三个组成部分。另外在模拟换能器上加一个数字模块，形成数字特斯拉计，其提供了由主机通过USB串行接口自动采集数据的可能性。通过这种方式，客户可以使用Basic， C, c++, Delphi， LabVIEW等编程工具轻松地将测量例程集成到测量系统中。温度测量功能允许用户在监测磁场的同时获得当前温度值。换能器由两个模块组成：可互换霍尔探头和电缆（模块H）；电子（模块E）：低噪声数字特斯拉仪是一种高精度温度稳定仪器，用于精确测量磁场。每个传感器都使用连接探头的单独校正数据进行校准，因此探头是可更换的。其非常高的磁直流分辨率：优于1ppm (@2T范围：平面1µT和垂直分量2µT)（注：更高的分辨率优于0.5uT可用于特殊设备版本3MH6-S，单个测量范围为100mT）

参考文献
[1]26th IMEKO TC4 International Symposium, 24th International Workshop on ADC and DAC Modelling and Testing, IMEKO TC-4 2023, Pordenone, Italy / September 20-21, 2023, Novel 3D Hall sensor and its application in inspection robots