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【摘 要】介绍了一种基于巨磁阻测量原理的非接触型角位移传感器，该传感器通过测磁芯片测量磁场强度随位移的变化并解析，实现物体位移的非接触测量。详细介绍了传感器的工作原理、测量原理、结构设计等，并进行了传感器的样机验证。该位移传感器具有结构简单、精度高、可实现非接触测量，可广泛应用测量环境恶劣，且要求较高精度和可靠性的场合。
【关键词】非接触式;角位移传感器;巨磁阻
引言
角位移测量广泛应用于工业、农业、军事等多个领域，在对应的控制系统中，角位移一般作为反馈信号实现系统的精准控制，其测量误差的大小对整个系统的控制精度高低起到关键性作用。
目前常用的角位移传感器有光学式、机械式、电磁式等多种类型。机械测角技术出现较早，其优点是成本低，结构简单，能达到一定的测量精度，缺点是测量实时性比较差，自动化实现难度较高，且体积大，必须进行接触式才能完成测量;传统的电位计式角位移传感器由于结构简单、价格低廉而得到了广泛应用，但该种传感器对高温、振动等环境抗干扰能力差，且输出的电压信号较小，一般需要后续放大电路进行处理。
本文设计了一种非接触式角位移传感器，首先介绍了传感器的工作原理、结构设计、电路设计等，并对样机进行验证，证明了该传感器的高精度、高可靠的特点。
1.传感器的设计
1.1传感器的工作原理
传感器是通过转动输出轴带动磁钢旋转产生角度位移，从而导致磁场发生变化，通过测角芯片对磁场的变化进行解析，输出与角度呈线性关系的数字信号脉冲量，经过数字处理芯片对该信号量进行数字处理后通过CAN2.0A协议方式实时输出。
1.2巨磁阻磁编码器
巨磁阻角度传感器感应单元结构由两组惠斯通电桥构成，分别为反映外界磁场余弦变化的VX巨磁阻感应单元和反映外界磁场正弦变化的VY巨磁阻感应单元。VX和VY巨磁阻感应单元结构类似，只是参考层磁化方向不同。
当安装在转轴上磁铁随着转轴旋转时，巨磁阻感应单元VX和VY能够检测出平行于其表面的外界磁场变化，并分别输出余弦和正弦信号。磁场信号经过AD转换，然后通过传感器内部CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）模块进行反正切计算，得到所需要角度值，最后通过不同信号协议输出角度等信息。
该设计实际应用中需要注意磁钢与芯片尺寸的配合、磁钢充磁方向、磁钢与芯片表面的高度以及同心度。两个惠斯通桥的输出电压x、y，分别代表θ的余弦值和正弦值.芯片内部处理电路根据以x、y，计算θ，把θ转化为15位数字量存储在角度值寄存器AVAL（angle value register）中，角度值数字量与θ呈分段线性关系：
AVAL的值处于0～0x3FFF时，θ介于-180°～0°;
AVAL的值处于0x7FFF～0x4000时，θ介于0°～180°。
通过其输出值与角度的对应关系可得：
测角芯片的输出值每改变1，对应的输出角度变化量为：
在稳定磁场下，测角芯片的输出值变化量不超过2，则在稳定磁场下测角芯片的输出精度为0.011°×2=0.022°。
1.3结构设计
为实现角度的间接测量，传感器输出转轴直接与舵轴连接，磁钢置于输出轴的另一端，巨磁阻用于角度检测，可以用于替代传统旋转电位计。磁铁装配在转轴上，安装有传感器的PCB固定在传感器内部，磁铁中心正对着位于中心的巨磁阻感应区域。当舵系统工作时，转轴带动磁铁转动，传感器能够检测到平行于其封装表面的磁场变化。这种设计优点是电路以及机械结构设计简单，成本低，空间小。相比于光电编码器，该设计还具有不易受灰尘、油污等污染优点。和基于霍尔原理的磁性角度传感器相比，基于巨磁阻原理的传感器精度更高。
为了减小由安装或者生产带来的误差如PCB安装、芯片贴片、磁铁装配以及转轴径向跳动等因素导致的额外系统误差，选择直径较大的磁铁，且安装时磁铁中心尽量正对着传感器芯片中心巨磁阻感应区域。
1.4电路设计
（1）磁编码传感器与MCU接口电路设计。MCU与编码器的接口电路中，使用SSC与8051的SPI接口通信，DSP工作在主动模式下，SPICLK与SCK相连，为通信提供时钟信号，通用IO口与CSQ相连，控制SSC的数据传输，SPISIMO和SPISOMI同时与DATA相连，实现数据双向传输。为控制方便，可以使用MCU的普通IO口模拟SPI与传感器进行数据通信。
（2）CAN总线通信控制电路。CAN总线具有实时性强、传输距离远、抗干扰能力强，成本低等优点，同时使用CAN总线开发的器件使用简单。
该模块电路负责与系统中的数字信号处理器进行数据通信，传感器为主动节点，按照DSP设置的通信时间实时获取舵轴的偏转角度，通过该接口以及CAN通信協议发送到上位机用于系统闭环控制。同时接收控制系统的命令，时传感器实现零位标定、ID设置和通信时间设置。
1.5软件设计
传感器采用非接触式磁敏效应技术，通过CAN总线完成对伺服机构反馈角位移数据的接收和控制，与上位机进行通讯，包括数据的接收和发送过程。输出的信号为数字信号，符合CAN协议，CAN总线采用普通数据帧，一帧数据包括帧头+ID号+控制+数据长度标识+数据位+CRC校验+ACK码，其中数据需要通过编程实现，其余均为硬件自动处理。
2.样机验证
将传感器样机输出轴与数字编码器（8000分度）相连，调节编码器，通过CAN总线监测传感器的输出。当编码器分别为：-5°、-30°、-90°、-150°、5°、30°、90°、150°时，传感器去程分别为：-5.009°、-30.045°、-90.12°、-150.28°、5.008°、30.05°、90.15°、150.28°，对应的误差为：0.009°、0.045°、0.12°、0.28°、0.008°、0.05°、0.15°、0.28°，传感器回程分别为：-5.008°、-30.05°、-90.09°、-150.25°、4.995°、30.06°、90.13°、150.24°，对应的误差为：0.008°、0.05°、0.09°、0.25°、0.005°、0.06°、0.13°、0.24°。
根据样机实测结果，行程范围内最大测量误差为0.28°，误差为0.18%。可得出：该传感器具有很小的输出线性度。
3.结论
本文介绍了一种非接触式角位移传感器，分析了传感器的工作原理、结构设计、电路设计等，并对样机进行验证，体现了基于巨磁阻原理的非接触式传感器具有结构简单、精度高、稳定性好等特点，其非接触式的测量方式使传感器使用寿命大大提高，可应用于恶劣环境中。
参考文献
[1] 王鹏，杜卫东，吕志刚等.基于FPGA与FSM的高精度测量系统设计与实现[J].电子技术应用， 2012，38（3）：77-79.
[2] 李凌，杨明，叶林.感应式非接触角度传感器电磁耦合系统设计[J].河北大学学报应用， 2013，33（6）：661-666.
[3] 邓宏贵，吴让亮，施佳佳.数字角度传感器在建筑角度测量仪中应用[J].传感技术学报， 2010，23（8）：1206-1210.
[4] 郭华玲，孟丽凡，冯伟.电位计式角位移传感器测试系统动态性能研究[J].陕西科技大学学报， 2010，28（6）： 6-12.
【关键词】非接触式;角位移传感器;巨磁阻
引言
角位移测量广泛应用于工业、农业、军事等多个领域，在对应的控制系统中，角位移一般作为反馈信号实现系统的精准控制，其测量误差的大小对整个系统的控制精度高低起到关键性作用。
目前常用的角位移传感器有光学式、机械式、电磁式等多种类型。机械测角技术出现较早，其优点是成本低，结构简单，能达到一定的测量精度，缺点是测量实时性比较差，自动化实现难度较高，且体积大，必须进行接触式才能完成测量;传统的电位计式角位移传感器由于结构简单、价格低廉而得到了广泛应用，但该种传感器对高温、振动等环境抗干扰能力差，且输出的电压信号较小，一般需要后续放大电路进行处理。
本文设计了一种非接触式角位移传感器，首先介绍了传感器的工作原理、结构设计、电路设计等，并对样机进行验证，证明了该传感器的高精度、高可靠的特点。
1.传感器的设计
1.1传感器的工作原理
传感器是通过转动输出轴带动磁钢旋转产生角度位移，从而导致磁场发生变化，通过测角芯片对磁场的变化进行解析，输出与角度呈线性关系的数字信号脉冲量，经过数字处理芯片对该信号量进行数字处理后通过CAN2.0A协议方式实时输出。
1.2巨磁阻磁编码器
巨磁阻角度传感器感应单元结构由两组惠斯通电桥构成，分别为反映外界磁场余弦变化的VX巨磁阻感应单元和反映外界磁场正弦变化的VY巨磁阻感应单元。VX和VY巨磁阻感应单元结构类似，只是参考层磁化方向不同。
当安装在转轴上磁铁随着转轴旋转时，巨磁阻感应单元VX和VY能够检测出平行于其表面的外界磁场变化，并分别输出余弦和正弦信号。磁场信号经过AD转换，然后通过传感器内部CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）模块进行反正切计算，得到所需要角度值，最后通过不同信号协议输出角度等信息。
该设计实际应用中需要注意磁钢与芯片尺寸的配合、磁钢充磁方向、磁钢与芯片表面的高度以及同心度。两个惠斯通桥的输出电压x、y，分别代表θ的余弦值和正弦值.芯片内部处理电路根据以x、y，计算θ，把θ转化为15位数字量存储在角度值寄存器AVAL（angle value register）中，角度值数字量与θ呈分段线性关系：
AVAL的值处于0～0x3FFF时，θ介于-180°～0°;
AVAL的值处于0x7FFF～0x4000时，θ介于0°～180°。
通过其输出值与角度的对应关系可得：
测角芯片的输出值每改变1，对应的输出角度变化量为：
在稳定磁场下，测角芯片的输出值变化量不超过2，则在稳定磁场下测角芯片的输出精度为0.011°×2=0.022°。
1.3结构设计
为实现角度的间接测量，传感器输出转轴直接与舵轴连接，磁钢置于输出轴的另一端，巨磁阻用于角度检测，可以用于替代传统旋转电位计。磁铁装配在转轴上，安装有传感器的PCB固定在传感器内部，磁铁中心正对着位于中心的巨磁阻感应区域。当舵系统工作时，转轴带动磁铁转动，传感器能够检测到平行于其封装表面的磁场变化。这种设计优点是电路以及机械结构设计简单，成本低，空间小。相比于光电编码器，该设计还具有不易受灰尘、油污等污染优点。和基于霍尔原理的磁性角度传感器相比，基于巨磁阻原理的传感器精度更高。
为了减小由安装或者生产带来的误差如PCB安装、芯片贴片、磁铁装配以及转轴径向跳动等因素导致的额外系统误差，选择直径较大的磁铁，且安装时磁铁中心尽量正对着传感器芯片中心巨磁阻感应区域。
1.4电路设计
（1）磁编码传感器与MCU接口电路设计。MCU与编码器的接口电路中，使用SSC与8051的SPI接口通信，DSP工作在主动模式下，SPICLK与SCK相连，为通信提供时钟信号，通用IO口与CSQ相连，控制SSC的数据传输，SPISIMO和SPISOMI同时与DATA相连，实现数据双向传输。为控制方便，可以使用MCU的普通IO口模拟SPI与传感器进行数据通信。
（2）CAN总线通信控制电路。CAN总线具有实时性强、传输距离远、抗干扰能力强，成本低等优点，同时使用CAN总线开发的器件使用简单。
该模块电路负责与系统中的数字信号处理器进行数据通信，传感器为主动节点，按照DSP设置的通信时间实时获取舵轴的偏转角度，通过该接口以及CAN通信協议发送到上位机用于系统闭环控制。同时接收控制系统的命令，时传感器实现零位标定、ID设置和通信时间设置。
1.5软件设计
传感器采用非接触式磁敏效应技术，通过CAN总线完成对伺服机构反馈角位移数据的接收和控制，与上位机进行通讯，包括数据的接收和发送过程。输出的信号为数字信号，符合CAN协议，CAN总线采用普通数据帧，一帧数据包括帧头+ID号+控制+数据长度标识+数据位+CRC校验+ACK码，其中数据需要通过编程实现，其余均为硬件自动处理。
2.样机验证
将传感器样机输出轴与数字编码器（8000分度）相连，调节编码器，通过CAN总线监测传感器的输出。当编码器分别为：-5°、-30°、-90°、-150°、5°、30°、90°、150°时，传感器去程分别为：-5.009°、-30.045°、-90.12°、-150.28°、5.008°、30.05°、90.15°、150.28°，对应的误差为：0.009°、0.045°、0.12°、0.28°、0.008°、0.05°、0.15°、0.28°，传感器回程分别为：-5.008°、-30.05°、-90.09°、-150.25°、4.995°、30.06°、90.13°、150.24°，对应的误差为：0.008°、0.05°、0.09°、0.25°、0.005°、0.06°、0.13°、0.24°。
根据样机实测结果，行程范围内最大测量误差为0.28°，误差为0.18%。可得出：该传感器具有很小的输出线性度。
3.结论
本文介绍了一种非接触式角位移传感器，分析了传感器的工作原理、结构设计、电路设计等，并对样机进行验证，体现了基于巨磁阻原理的非接触式传感器具有结构简单、精度高、稳定性好等特点，其非接触式的测量方式使传感器使用寿命大大提高，可应用于恶劣环境中。
参考文献
[1] 王鹏，杜卫东，吕志刚等.基于FPGA与FSM的高精度测量系统设计与实现[J].电子技术应用， 2012，38（3）：77-79.
[2] 李凌，杨明，叶林.感应式非接触角度传感器电磁耦合系统设计[J].河北大学学报应用， 2013，33（6）：661-666.
[3] 邓宏贵，吴让亮，施佳佳.数字角度传感器在建筑角度测量仪中应用[J].传感技术学报， 2010，23（8）：1206-1210.
[4] 郭华玲，孟丽凡，冯伟.电位计式角位移传感器测试系统动态性能研究[J].陕西科技大学学报， 2010，28（6）： 6-12.