基于磁性传感器的触觉人机交互系统可靠性优化

下载

让有价值的资源直接发送到你的收件箱-每月发送一次

我们重视您的隐私

简介

旋转刻度盘用于人机界面(HMIs)的各种应用。188比分直播吧触摸界面包括日常设备上的按钮、旋钮和拨号盘，从汽车和白色家电到你手机上的触摸屏。这些设备不仅将人的输入转化为电信号，而且还提供了一个重要的功能——触觉反馈。在时间敏感的情况下，这对于与安全相关的功能尤其有用，例如当用户在黑暗的座舱移动座舱内部或调整医疗泵的流量时(见图1)。按钮应该很容易通过触摸定位，而不需要额外的视觉识别。

图1:内部控制台和方向盘控制

然而，新的设计正在不断挑战极限，以产生新的解决方案，以适应新的形式因素，提供额外的功能，并延长HMI的寿命。传统的按钮和旋转表盘通常是一个限制因素，因为它们占用很大的体积，从按钮到PCB上的焊点有一个刚性耦合，而且它们的触点的布局具有特定的、有限的使用寿命。

例如，许多白色家电的面板上都有一个看似简单的单按钮界面。整个机器(包括旋钮)暴露在振动、温度波动和湿度的许多小时的操作。这种恶劣的环境对旋钮的寿命有不利影响，而按钮的轴为湿度进入其他控制电子设备提供了途径。缓解这些问题可能代价高昂。

在HMI应用中使用现代磁传感器可以显著降低总体设计成本，同时提高可靠性和机械188比分直播吧设计的灵活性。本文深入介绍了优化HMI应用程序的基本思想和设计注意事项。

简单而经济的传感原理

集成霍尔磁角传感器完全配备，以检测磁场的旋转。例如，一个传感器与一个小的指示器磁铁连接到旋转部分产生一个全功能的，非接触式旋转旋钮。只需放置一个与磁铁旋转轴一致的磁性角度传感器，通过磁铁旋转来感知旋钮的实际旋转位置。这种传感器的工作不需要电子和触觉转子之间的机械连接(例如雨刷电位器)。使用磁传感器创造了一个简单，高度可靠的设计，具有极长的寿命。

图2显示旋转旋钮使用MA800这是一款来自MPS的磁传感器，旨在改进HMI应用。188比分直播吧的MA800利用MPS的专有SpinAxis™技术，该技术允许在小而高成本的包中实现角度传感器。

图2:磁感应旋钮的横截面

整个磁铁传感器对占用很小的体积，这就留下了足够的空间来定制触觉或光学外观的旋钮通过轴承，制动器，或光导。图2所示的配置的占地面积小于5mmx5mm。这只是电位器替代品的一小部分，电位器通常沿单个边缘测量10mm。

可靠性设计和满足制造公差

磁性传感器由于其非接触式原理，具有很高的可靠性。这与传统的滑环电位器形成了鲜明的对比，滑环电位器因其接触问题而臭名昭著，其典型寿命约为25万循环。然而，磁传感器在某些方面也受到限制。这些限制和扭曲是什么，如何才能避免?

第一个潜在的畸变来源是传感器相对于旋转轴的横向位移。这些位移可能是由于生产过程中的不准确造成的，也可能是由于设备在使用寿命中的磨损造成的。这导致了磁非线性，将被传感器拾取。

例如，使用图1所示的设置，低于0.5°的不匹配意味着横向公差为±0.2mm——这完全在典型的制造公差内。如果由于某种原因需要更大的公差，那么可以使用更大的磁铁直径或环形磁铁来实现健壮的设计。例如，将磁铁直径从5mm增加到8mm，横向公差将提高到±0.4mm。

磁体的尺寸对于处理磁体和传感器之间的气隙变化至关重要。至关重要的是，这种偏差不会驱动传感器位置的磁通密度超出其所需条件。在图2中，气隙可以在0.0mm到3.1mm之间变化，但不超过MA800的规范。这种机械设计的灵活性可以用来满足制造公差的要求，通过交换气隙与磁铁尺寸。例如，目标磁铁越宽，气隙越大。

注意，对于本文，所有的磁分析都是使用公开的磁仿真工具．该模拟器允许设计者快速检查特定的磁配置，并对公差或偏差的影响进行深入调查。

按钮

一些HMI应用程序188比分直播吧除了旋转功能外还需要一个按钮。的MA800当气隙的变化引起磁场强度的变化时，检测一个按钮事件。图3显示了一个按钮组合旋钮的典型情况。

图3:带按钮功能的旋钮横截面

图4显示了磁场梯度与磁-传感器距离的关系，以及单阈值与双阈值之间的差异(详见下文)。轴向位移为1mm，公称气隙为1.5mm，压紧位置间隙为0.5mm时产生的场差为60mT。的MA800具有可调的磁阈值，通过不同的输出信号到系统控制器安全地标记这个过渡。

图4:使用MA800的按钮实现

这种非接触过程是一种无磨损检测原理。重要的是要确保机构的寿命变化不会影响传感可靠性。图4显示了磁阈值的叠加MA800，以及它们在典型结构场强曲线顶部的相关迟滞区间。标称磁性设置的设计方式使两个端点与磁性开关阈值之间有足够的距离，以确保随着时间的推移可能积累的外来微粒不会阻碍机械移动到开关阈值未跨越的点。

当沿轴向行程的磁场差大到足以安全地通过多个开关阈值时，建议采用不同的阈值来检测高、低场强。图4显示了这种双阈值配置的示意图。双阈值为整个应用程序增加了安全功能，因为它可以检测到机械故障，以防按钮卡在中间位置。

当选择一种非接触式传感机构(从而消除旋钮和按钮的接触问题)时，推机构成为最大的限制因素。图3还说明了一个轴向点击磁铁吸引轴上的钢环的概念。这两者之间的磁力为轴向行程创造了一个阈值，可以很容易地通过材料常数和涂层进行调整。此外，这一概念是免费的使用寿命。