基于霍爾效應的數(shù)字磁傳感器

數(shù)字磁傳感器是一種設備，其中輸出開關根據(jù)外部磁場的存在在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間切換。這種類型的器件基于霍爾效應的物理原理，被廣泛用作接近、定位、速度和電流檢測傳感器。與機械開關不同，它們是一種持久的解決方案，因為它們沒有機械磨損，甚至可以在特別惡劣的環(huán)境條件下運行。數(shù)字磁傳感器正變得越來越普遍，尤其是在汽車和消費電子領域，這要歸功于諸如非接觸式操作、無需維護、堅固耐用以及對振動、灰塵和液體的免疫等特性。

例如，在汽車領域，這些傳感器用于檢測位置、距離和速度。在發(fā)動機內部，它們用于識別曲軸的位置，在乘客艙中，它們用于檢測座椅和安全帶的位置(用于操作安全氣囊控制系統(tǒng)的基本信息)，在車輪上，它們用于檢測檢測 ABS 所需的旋轉速度。

工作原理

每個磁傳感器的核心由霍爾元件表示，其輸出電壓(也稱為霍爾電壓，用 V H表示)與穿過半導體材料的磁場強度成正比。由于該電壓非常低，大約為幾微伏，因此有必要在其他組件的設計中包括運算放大器、電壓比較器、電壓調節(jié)器和輸出驅動器。根據(jù)輸出的類型，磁傳感器分為線性，其中模擬輸出電壓隨磁場強度線性變化，以及數(shù)字，其中輸出只能呈現(xiàn)兩種狀態(tài)。在這兩種情況下，V H電壓都滿足以下等式：

V H = R H · ((B · I) / t)

其中：V H 是以伏特為單位的霍爾電壓，R H 是霍爾效應系數(shù)，I 是以安培為單位流過傳感器的電流，t 是以毫米為單位的傳感器厚度，B 是以特斯拉為單位的磁通密度。

霍爾元件通過帶有“X”的方框，根據(jù)類型，傳感器可能包括多個相同類型的單元(需要兩個來檢測差分磁場，三個用于檢測方向或運動)。為了增加接口的靈活性，模擬傳感器通常包括連接到差分放大器輸出的開路發(fā)射極、開路集電極或推挽晶體管。兩種方案之間的主要區(qū)別在于，具有數(shù)字輸出的傳感器包括一個帶有內置遲滯的施密特觸發(fā)器，連接到運算放大器。

當通過傳感器的磁通量超過某個閾值時，輸出從關閉切換到開啟。當傳感器進入和離開磁場時，滯后用于消除輸出信號的任何振蕩?；诨魻栃钠骷譃閱螛O和雙極傳感器。雙極傳感器需要一個正磁場(南極)用于操作，一個負磁場(北極)用于釋放。單極傳感器需要一個磁極(南極)來操作和釋放。此外，傳感器通常設計為在沒有電磁場的情況下產(chǎn)生關閉狀態(tài)(開路)的輸出，并在受到足夠強度的磁場和正確的磁場時產(chǎn)生開啟狀態(tài)(閉合電路)的輸出。極性。

應用

無論何種特定類型的應用，霍爾效應傳感器正確運行的基本要求是磁通線始終垂直于傳感器表面并具有正確的極性。數(shù)字磁傳感器的應用很多，包括汽車、消費電子、電子醫(yī)療系統(tǒng)、電信、工業(yè)過程控制。位置傳感器用于檢測磁鐵和傳感器之間的滑動運動，這兩個元件放置在非常短的距離處。磁鐵和傳感器之間的相對運動在傳感器向南移動時產(chǎn)生正磁場，在傳感器向北極移動時產(chǎn)生負磁場。

有幾種技術可用于確定位置：例如，如果應用需要有限且離散的位置，可以使用簡單的開關，而對于需要更高精度的應用，可以將線性設備與微處理器結合使用。位置或接近傳感器還可用于監(jiān)測液位，應用于洗衣機或洗碗機等家用電器。在這種情況下，幾個霍爾開關與放置在浮子上的磁鐵結合使用。

當浮子在管內上升時，位于外殼外部的相應離散開關被激活，提供水位的數(shù)字指示。另一個重要應用涉及直流無刷電機，其速度由電氣而非機械換向控制。在這方面，三個數(shù)字磁傳感器放置在電機定子上，而永磁體放置在轉子軸上。汽車行業(yè)已成為全球磁場傳感器市場的領導者，占市場份額的 40% 以上。將多種安全功能集成到汽車中的需求不斷增長，這為霍爾傳感器創(chuàng)造了機會，在電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC) 和防抱死制動系統(tǒng) (ABS) 等多種安全相關應用中得到了利用。

用于位置檢測的數(shù)字磁傳感器的一個示例是 Allegro MicroSystems A1210-A1214器件系列。A121x 系列傳感器獲得了汽車應用的 AEC-Q100 認證，具有高可靠性、在擴展溫度范圍內穩(wěn)定和連續(xù)運行、強大的 EMC 性能和高 ESD 等級。A1210-A1214 霍爾效應鎖存器在單個硅芯片上包含以下內容：穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、小信號放大器、施密特觸發(fā)器和 NMOS 輸出晶體管。

當垂直于霍爾元件的磁場超過工作點閾值時，這些器件的輸出會切換到低電平(打開)。該傳感器具有閉鎖行為，即具有足夠強度的南極會打開設備，并且在移除南極后它也會保持開啟狀態(tài)。當磁場降低到低于釋放點時，傳感器輸出變高(關閉)。磁性操作點和釋放點的區(qū)別在于器件的滯后。

磁性傳感器也適用于角位置的準確檢測。一個例子是AMS AS5048A/AS5048B磁性旋轉編碼器，一種為 360° 角位置檢測提供 14 位高分辨率輸出的傳感器。磁鐵的絕對位置可通過 PWM 輸出直接訪問，并可通過標準 SPI 或高速 I2C 接口獲取，具體取決于版本。零位可以通過 SPI 或 I2C 命令進行編程，從而簡化了整個系統(tǒng)，因為磁鐵不需要機械對齊。該傳感器可承受錯位、氣隙變化、溫度和外部磁場變化?？煽啃?、穩(wěn)健性和寬溫度范圍使其成為惡劣工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中旋轉角度傳感的理想選擇。

結論

數(shù)字磁性霍爾效應傳感器因其堅固性、耐用性和適用于任何位置傳感應用的可靠操作而在設計人員中廣為人知。無論是簡單地檢測筆記本電腦蓋的關閉，還是執(zhí)行復雜的電機換向和精確的位置測量，霍爾效應傳感器即使在最惡劣的環(huán)境條件下也能以極高的精度感應位置。