基于霍爾效應(yīng)的數(shù)字磁傳感器

數(shù)字磁傳感器是一種設(shè)備，其中輸出開關(guān)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(yīng)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(jī)械開關(guān)不同，它們是一種持久的解決方案，因?yàn)樗鼈儧]有機(jī)械磨損，甚至可以在特別惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)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(fèi)電子領(lǐng)域，這要?dú)w功于諸如非接觸式操作、無需維護(hù)、堅(jiān)固耐用以及對(duì)振動(dòng)、灰塵和液體的免疫等特性。

例如，在汽車領(lǐng)域，這些傳感器用于檢測位置、距離和速度。在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，它們用于識(shí)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(zhuǎn)速度。

工作原理

每個(gè)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(dǎo)體材料的磁場強(qiáng)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(shè)計(jì)中包括運(yùn)算放大器、電壓比較器、電壓調(diào)節(jié)器和輸出驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(yīng)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(gè)相同類型的單元(需要兩個(gè)來檢測差分磁場，三個(gè)用于檢測方向或運(yùn)動(dòng))。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(gè)帶有內(nèi)置遲滯的施密特觸發(fā)器，連接到運(yùn)算放大器。

當(dāng)通過傳感器的磁通量超過某個(gè)閾值時(shí)，輸出從關(guān)閉切換到開啟。當(dāng)傳感器進(jìn)入和離開磁場時(shí)，滯后用于消除輸出信號(hào)的任何振蕩?；诨魻栃?yīng)的器件分為單極和雙極傳感器。雙極傳感器需要一個(gè)正磁場(南極)用于操作，一個(gè)負(fù)磁場(北極)用于釋放。單極傳感器需要一個(gè)磁極(南極)來操作和釋放。此外，傳感器通常設(shè)計(jì)為在沒有電磁場的情況下產(chǎn)生關(guān)閉狀態(tài)(開路)的輸出，并在受到足夠強(qiáng)度的磁場和正確的磁場時(shí)產(chǎn)生開啟狀態(tài)(閉合電路)的輸出。極性。

應(yīng)用

無論何種特定類型的應(yīng)用，霍爾效應(yīng)傳感器正確運(yùn)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(yīng)用很多，包括汽車、消費(fèi)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(dòng)運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)元件放置在非常短的距離處。磁鐵和傳感器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在傳感器向南移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生正磁場，在傳感器向北極移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)磁場。

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

當(dāng)浮子在管內(nèi)上升時(shí)，位于外殼外部的相應(yīng)離散開關(guān)被激活，提供水位的數(shù)字指示。另一個(gè)重要應(yīng)用涉及直流無刷電機(jī)，其速度由電氣而非機(jī)械換向控制。在這方面，三個(gè)數(shù)字磁傳感器放置在電機(jī)定子上，而永磁體放置在轉(zhuǎn)子軸上。汽車行業(yè)已成為全球磁場傳感器市場的領(lǐng)導(dǎo)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(jī)會(huì)，在電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC) 和防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS) 等多種安全相關(guān)應(yīng)用中得到了利用。

用于位置檢測的數(shù)字磁傳感器的一個(gè)示例是 Allegro MicroSystems A1210-A1214器件系列。A121x 系列傳感器獲得了汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 認(rèn)證，具有高可靠性、在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定和連續(xù)運(yùn)行、強(qiáng)大的 EMC 性能和高 ESD 等級(jí)。A1210-A1214 霍爾效應(yīng)鎖存器在單個(gè)硅芯片上包含以下內(nèi)容：穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、小信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器和 NMOS 輸出晶體管。

當(dāng)垂直于霍爾元件的磁場超過工作點(diǎn)閾值時(shí)，這些器件的輸出會(huì)切換到低電平(打開)。該傳感器具有閉鎖行為，即具有足夠強(qiáng)度的南極會(huì)打開設(shè)備，并且在移除南極后它也會(huì)保持開啟狀態(tài)。當(dāng)磁場降低到低于釋放點(diǎn)時(shí)，傳感器輸出變高(關(guān)閉)。磁性操作點(diǎn)和釋放點(diǎn)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(zhǔn)確檢測。一個(gè)例子是AMS AS5048A/AS5048B磁性旋轉(zhuǎn)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(duì)位置可通過 PWM 輸出直接訪問，并可通過標(biāo)準(zhǔn) 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(jìn)行編程，從而簡化了整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)榇盆F不需要機(jī)械對(duì)齊。該傳感器可承受錯(cuò)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(zhuǎn)角度傳感的理想選擇。

結(jié)論

數(shù)字磁性霍爾效應(yīng)傳感器因其堅(jiān)固性、耐用性和適用于任何位置傳感應(yīng)用的可靠操作而在設(shè)計(jì)人員中廣為人知。無論是簡單地檢測筆記本電腦蓋的關(guān)閉，還是執(zhí)行復(fù)雜的電機(jī)換向和精確的位置測量，霍爾效應(yīng)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(yīng)位置。