在航空油門(mén)踏板、電子關(guān)節(jié)、換擋器及方向舵面檢測(cè)等場(chǎng)景中，角位移測(cè)量的可靠性直接關(guān)乎系統(tǒng)安全底線。傳統(tǒng)機(jī)電式RVDT雖應(yīng)用成熟，但在構(gòu)建“三冗余”表決架構(gòu)時(shí)，始終受限于體積龐大、功耗偏高、需外接激勵(lì)解調(diào)電路及綜合成本居高不下等瓶頸。

為此，航晶微正式推出 HJR402 低成本高可靠的三冗余霍爾式角位移傳感器。該器件從架構(gòu)上徹底摒棄外部激勵(lì)與解調(diào)模塊，體積與功耗大幅縮減；單體內(nèi)置三路獨(dú)立霍爾角位移傳感器解算通道，原生支持系統(tǒng)端“多數(shù)表決”邏輯，可剔除非正常態(tài)，將容錯(cuò)能力推向冗余設(shè)計(jì)更高效可靠的形態(tài)。


Part.01設(shè)計(jì)背景

1.1冗余設(shè)計(jì)的必要性與高可靠冗余架構(gòu)
在國(guó)計(jì)民生相關(guān)的戰(zhàn)略領(lǐng)域中，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行不僅是核心技術(shù)指標(biāo)，更是筑牢安全防線的關(guān)鍵。無(wú)論是國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，還是極端環(huán)境下的任務(wù)系統(tǒng)，高可靠性都是核心訴求，是保障任務(wù)成功、守護(hù)安全底線、實(shí)現(xiàn)全生命周期經(jīng)濟(jì)性的核心基礎(chǔ)。

可靠性，是指產(chǎn)品在規(guī)定條件、規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成既定功能的能力。常規(guī)設(shè)計(jì)中，可通過(guò)優(yōu)選優(yōu)質(zhì)元器件、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化測(cè)試驗(yàn)證等方式提升系統(tǒng)可靠性，但面對(duì)超高任務(wù)要求與極端復(fù)雜環(huán)境時(shí)，冗余設(shè)計(jì)是更高效、更直接的解決方案。

冗余設(shè)計(jì)的核心是為系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)配置備份單元，當(dāng)主通道或部件發(fā)生故障時(shí)，備用單元可自動(dòng)、瞬時(shí)接管工作，確保系統(tǒng)不間斷運(yùn)行、性能無(wú)衰減，具備高容錯(cuò)性、高成功率、長(zhǎng)工作壽命、低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等多重優(yōu)勢(shì)。

兩冗余架構(gòu)采用雙通道并行工作模式，單路故障時(shí)，另一正常通道可維持系統(tǒng)正常運(yùn)行；三冗余架構(gòu)具備更優(yōu)的可靠性，單路故障時(shí)，處理器可通過(guò) “少數(shù)服從多數(shù)” 邏輯保障系統(tǒng)穩(wěn)定工作，因此在高安全、高可靠要求的系統(tǒng)中，三冗余設(shè)計(jì)是更高效可靠的技術(shù)選擇。

圖1兩冗余結(jié)構(gòu)報(bào)錯(cuò)檢測(cè)

圖2三冗余結(jié)構(gòu)報(bào)錯(cuò)檢測(cè)

1.2 高可靠性 RVDT 傳感器
傳感器是現(xiàn)代科技體系的 “感官神經(jīng)”，是連接物理世界與數(shù)字系統(tǒng)的核心橋梁，承擔(dān)著信息感知與采集的關(guān)鍵職能，是自動(dòng)化、智能化技術(shù)落地的核心基石。從智能手機(jī)屏幕自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、工業(yè)機(jī)器人精準(zhǔn)作業(yè)，到智能家居智能調(diào)控、智慧城市科學(xué)管理，再到醫(yī)療器械精密診斷、新能源汽車(chē)全域控制，均依賴(lài)傳感器提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

按照測(cè)量原理劃分，傳感器可分為光電式、電容式、壓電式、電感式、霍爾式等多種類(lèi)型。

RVDT是一種旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)電感式傳感器，即機(jī)電式傳感器，屬于基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)接觸式電感傳感器，用于角度變化量測(cè)量，具備高精度、高可靠性、長(zhǎng)壽命、高分辨率等特性，在工業(yè)自動(dòng)化、航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

電感式傳感器依托線圈間電磁耦合效應(yīng)工作，鐵芯移動(dòng)會(huì)改變線圈耦合強(qiáng)度，進(jìn)而引發(fā)輸出信號(hào)變化，且輸出信號(hào)幅度大小與鐵芯位移量呈線性相關(guān)。電感式角/線位移傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，兼具長(zhǎng)壽命、高精度的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

但該類(lèi)傳感器需配套外部激勵(lì)單元與解調(diào)單元，存在外圍元件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，用于冗余設(shè)計(jì)時(shí)，不僅占用空間大、設(shè)計(jì)難度高，還難以控制經(jīng)濟(jì)成本。同時(shí)，機(jī)電式結(jié)構(gòu)與磁互感耦合原理，使其易受外界強(qiáng)電磁環(huán)境干擾，導(dǎo)致解算結(jié)果出現(xiàn)誤差。


1.3 航晶技術(shù)領(lǐng)域布局
基于上述應(yīng)用痛點(diǎn)，航晶公司持續(xù)深耕傳感與信號(hào)調(diào)理領(lǐng)域，形成完整技術(shù)與產(chǎn)品布局：從耐高溫磁通門(mén)測(cè)量 HJ11867起步，成功實(shí)現(xiàn)AD598/AD698 進(jìn)口器件完全國(guó)產(chǎn)化替代，推出HJG598、HJG698 LVDT/RVDT 激勵(lì)解調(diào)器并批量交付；延伸覆蓋微弱磁信號(hào)測(cè)量HJMAG803~HJMAG805系列 ，及高性能霍爾式磁敏傳感器產(chǎn)品線，構(gòu)建起覆蓋磁通門(mén)、激勵(lì)解調(diào)、弱磁檢測(cè)、霍爾傳感的全鏈條高可靠傳感器解決方案。

圖5 航晶傳感器領(lǐng)域簡(jiǎn)介

現(xiàn)階段，公司重磅推出基于差分霍爾磁感應(yīng)原理的 RVDT 角位移傳感器HJR402。該傳感器通過(guò)感應(yīng)內(nèi)部磁鐵生成正余弦信號(hào)，經(jīng)高精度采樣與角度解算，輸出與角度位置呈理想線性關(guān)系的電壓信號(hào)，具備全量程高精度輸出、優(yōu)異抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)角位移信號(hào)向電信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換。

產(chǎn)品引出線連接便捷，無(wú)需任何外圍元件，且采用三路真冗余設(shè)計(jì)，三通道獨(dú)立采集信號(hào)并相互校驗(yàn)，完美契合安全關(guān)鍵系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計(jì)需求，是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)優(yōu)質(zhì)、全面的傳感器解決方案。


Part.02HJR402 傳感器介紹

2.1 傳感器物理結(jié)構(gòu)

圖6 HJR402三冗余霍爾式傳感器電氣原理結(jié)構(gòu)圖

HJR402 傳感器電氣結(jié)構(gòu)由 1 個(gè)永磁鐵與三路霍爾元件處理器組成。電路內(nèi)部物理元件均選用無(wú)磁特性材料，可有效提升測(cè)量精度；外殼采用鋁合金材質(zhì)并進(jìn)行密封安裝。實(shí)物圖如下：

鋁合金外殼組件包含轉(zhuǎn)軸軸承、刻度盤(pán)、安裝固定孔及引出線。器件安裝便捷、使用簡(jiǎn)單，無(wú)需外接任何外部元件。傳感器封裝尺寸圖如下：

引出線采用航空軟線 ARF-250-1/1×0.2mm2 標(biāo)準(zhǔn)，引線長(zhǎng)度 450±20mm（支持定制），具體引出端功能如下表：

表1 引出端功能

2.2 傳感器電氣參數(shù)
表2 電特性參數(shù)表
除非另有說(shuō)明，VCC=+5V，TA=+25℃

注：*設(shè)計(jì)保證

2.3 典型特性說(shuō)明

本傳感器器件采用三冗余設(shè)計(jì)，三路傳感器工作及輸出狀態(tài)相互獨(dú)立、互不干擾。任意一路發(fā)生工作失效，均不會(huì)影響其余兩路的正常輸出，屬于真冗余結(jié)構(gòu)傳感器。


本傳感器可根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需求，靈活設(shè)置輸出電壓范圍與角度測(cè)量量程。在低線性誤差±1% 的工作模式下，最大角度量程可設(shè)置為90°；在60°測(cè)量角度量程內(nèi)，器件輸出曲線線性度更優(yōu)，誤差可控制在0.5% 以?xún)?nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度超出標(biāo)定范圍后，器件輸出將保持穩(wěn)定的高電平或低電平狀態(tài)。


本產(chǎn)品配套永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度不低于3000Gs，自身工作磁場(chǎng)強(qiáng)度高，抗外界電磁干擾能力強(qiáng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在復(fù)雜強(qiáng)電磁環(huán)境下，其輸出電壓最大偏差可控制在 1.5% 以?xún)?nèi)，抗干擾能力較傳統(tǒng)機(jī)電式 RVDT 傳感器提升約 3 倍。


本產(chǎn)品使用簡(jiǎn)便，無(wú)需外接任何輔助元件，具備輸出精度高、可靠性強(qiáng)、多路輸出一致性好、抗電磁干擾與噪聲能力優(yōu)異等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)角度位移量到對(duì)應(yīng)電信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。


由于 VO1、VO2、VO3 輸出信號(hào)與供電電壓 VCC 成比例關(guān)系，建議使用基準(zhǔn)電源分別為 VCC1、VCC2、VCC3 供電，嚴(yán)禁使用數(shù)字 5V 直接供電。


Part.03總結(jié)

通過(guò)對(duì) HJR402 傳感器工作原理的分析，并與傳統(tǒng)機(jī)電式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行對(duì)比，形成如下對(duì)比表。

表3 HJR402傳感器與通用機(jī)電式傳感器對(duì)比表

由上表可見(jiàn)，HJR402 三冗余傳感器在綜合性能上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)電式傳感器，可在高精度、高可靠性及復(fù)雜電磁環(huán)境等高端應(yīng)用場(chǎng)景中，完全替代傳統(tǒng)機(jī)電式 RVDT 傳感器。

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