航晶公司推出三路真冗余设计RVDT传感器

一、设计背景

1.1　冗余设计的必要性与高可靠冗余架构

在国计民生相关的战略领域中，设备稳定运行不仅是核心技术指标，更是筑牢安全防线的关键。无论是国家关键基础设施建设，还是极端环境下的任务系统，高可靠性都是核心诉求，是保障任务成功、守护安全底线、实现全生命周期经济性的核心基础。

可靠性，是指产品在规定条件、规定时间内，完成既定功能的能力。常规设计中，可通过优选优质元器件、简化结构设计、强化测试验证等方式提升系统可靠性，但面对超高任务要求与极端复杂环境时，冗余设计是更高效、更直接的解决方案。

冗余设计的核心是为系统关键环节配置备份单元，当主通道或部件发生故障时，备用单元可自动、瞬时接管工作，确保系统不间断运行、性能无衰减，具备高容错性、高成功率、长工作寿命、低运行风险等多重优势。

两冗余架构采用双通道并行工作模式，单路故障时，另一正常通道可维持系统正常运行；三冗余架构具备更优的可靠性，单路故障时，处理器可通过“少数服从多数”逻辑保障系统稳定工作，因此在高安全、高可靠要求的系统中，三冗余设计是更高效可靠的技术选择。

图1　两冗余结构报错检测

图2　三冗余结构报错检测

1.2　高可靠性RVDT传感器

传感器是现代科技体系的“感官神经”，是连接物理世界与数字系统的核心桥梁，承担着信息感知与采集的关键职能，是自动化、智能化技术落地的核心基石。从智能手机屏幕自动旋转、工业机器人精准作业，到智能家居智能调控、智慧城市科学管理，再到医疗器械精密诊断、新能源汽车全域控制，均依赖传感器提供精准的数据支撑。

按照测量原理划分，传感器可分为光电式、电容式、压电式、电感式、霍尔式等多种类型。

RVDT是一种旋转可变差动电感式传感器，即机电式传感器，属于基于电磁感应原理的无接触式电感传感器，用于角度变化量测量，具备高精度、高可靠性、长寿命、高分辨率等特性，在工业自动化、航空航天、汽车工业等领域发挥着重要作用。

图3　机电式传感器工作所需外围结构

电感式传感器依托线圈间电磁耦合效应工作，铁芯移动会改变线圈耦合强度，进而引发输出信号变化，且输出信号幅度大小与铁芯位移量呈线性相关。电感式角/线位移传感器可实现非接触式物理信号向电信号的转换，兼具长寿命、高精度的优势，应用前景广阔。

但该类传感器需配套外部激励单元与解调单元，存在外围元件繁多、结构复杂的问题，用于冗余设计时，不仅占用空间大、设计难度高，还难以控制经济成本。同时，机电式结构与磁互感耦合原理，使其易受外界强电磁环境干扰，导致解算结果出现误差。

1.3　航晶技术领域布局

基于上述应用痛点，航晶公司持续深耕传感与信号调理领域，形成完整技术与产品布局：从耐高温磁通门测量HJ11867起步，成功实现AD598/AD698进口器件完全国产化替代，推出HJG598、HJG698 LVDT/RVDT激励解调器并批量交付；延伸覆盖微弱磁信号测量HJMAG803~HJMAG805系列，及高性能霍尔式磁敏传感器产品线，构建起覆盖磁通门、激励解调、弱磁检测、霍尔传感的全链条高可靠传感器解决方案。

图4　三冗余霍尔感应式RVDT传感器示意图（只需供电）

图5　航晶传感器领域简介

现阶段，公司重磅推出基于差分霍尔磁感应原理的RVDT角位移传感器HJR402。该传感器通过感应内部磁铁生成正余弦信号，经高精度采样与角度解算，输出与角度位置呈理想线性关系的电压信号，具备全量程高精度输出、优异抗干扰能力，可实现角位移信号向电信号的线性转换。

产品引出线连接便捷，无需任何外围元件，且采用三路真冗余设计，三通道独立采集信号并相互校验，完美契合安全关键系统的高可靠性设计需求，是当前行业内优质、全面的传感器解决方案。

二、HJR402传感器介绍

2.1　传感器物理结构

图6　HJR402三冗余霍尔式传感器电气原理结构图

HJR402传感器电气结构由1个永磁铁与三路霍尔元件处理器组成。电路内部物理元件均选用无磁特性材料，可有效提升测量精度；外壳采用铝合金材质并进行密封安装。实物图如下：

铝合金外壳组件包含转轴轴承、刻度盘、安装固定孔及引出线。器件安装便捷、使用简单，无需外接任何外部元件。传感器封装尺寸图如下

引出线采用航空软线ARF-250-1/1×0.2mm²标准，引线长度450±20mm（支持定制），具体引出端功能如下表：

表1　引出端功能

2.2　传感器电气参数

表2　电特性参数表

除非另有说明，VCC=+5V，TA=+25℃

注：*设计保证

2.3　典型特性说明

1.本传感器器件采用三冗余设计，三路传感器工作及输出状态相互独立、互不干扰。任意一路发生工作失效，均不会影响其余两路的正常输出，属于真冗余结构传感器。

2.本传感器可根据用户实际需求，灵活设置输出电压范围与角度测量量程。在低线性误差±1%的工作模式下，最大角度量程可设置为90°；在60°测量角度量程内，器件输出曲线线性度更优，误差可控制在0.5%以内。当转轴旋转角度超出标定范围后，器件输出将保持稳定的高电平或低电平状态。

3.本产品配套永磁体磁场强度不低于3000Gs，自身工作磁场强度高，抗外界电磁干扰能力强。经试验验证，在复杂强电磁环境下，其输出电压最大偏差可控制在1.5%以内，抗干扰能力较传统机电式RVDT传感器提升约3倍。

4.本产品使用简便，无需外接任何辅助元件，具备输出精度高、可靠性强、多路输出一致性好、抗电磁干扰与噪声能力优异等特点，可实现角度位移量到对应电信号的精确转换。

5.由于VO1、VO2、VO3输出信号与供电电压VCC成比例关系，建议使用基准电源分别为VCC1、VCC2、VCC3供电，严禁使用数字5V直接供电。

三、总结

通过对HJR402传感器工作原理的分析，并与传统机电式传感器的结构及原理进行对比，形成如下对比表。

表3　HJR402传感器与通用机电式传感器对比表

由上表可见，HJR402三冗余传感器在综合性能上显著优于传统机电式传感器，可在高精度、高可靠性及复杂电磁环境等高端应用场景中，完全替代传统机电式RVDT传感器。