數(shù)字磁性霍爾效應(yīng)傳感器工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域分析

數(shù)字磁傳感器是一種這樣的設(shè)備，其中，由于存在外部磁場(chǎng)，輸出開(kāi)關(guān)會(huì)在ON和OFF狀態(tài)之間切換。這種類型的基礎(chǔ)上的物理原理的裝置的霍爾效應(yīng)，被廣泛地用作接近，定位，速度和電流檢測(cè)傳感器。與機(jī)械開(kāi)關(guān)不同，它們是一種持久的解決方案，因?yàn)樗鼈儧](méi)有機(jī)械磨損，即使在特別關(guān)鍵的環(huán)境條件下也可以工作。由于具有非接觸式操作，無(wú)需維護(hù)，堅(jiān)固耐用以及對(duì)振動(dòng)，灰塵和液體具有免疫力等特性，數(shù)字磁傳感器正變得越來(lái)越普遍，尤其是在汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域。

例如，在汽車領(lǐng)域，這些傳感器用于檢測(cè)位置，距離和速度。在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，它們用于標(biāo)識(shí)曲軸的位置，在乘客艙中，用于檢測(cè)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(cè)車輪位置。檢測(cè)ABS所需的旋轉(zhuǎn)速度。

工作原理

每個(gè)磁傳感器的心臟由霍爾元件表示，霍爾元件的輸出電壓（也稱為霍爾電壓，用VH表示）與通過(guò)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。由于該電壓非常低，約為幾微伏，因此必須在設(shè)計(jì)中包括其他組件，例如運(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，磁傳感器分為線性和數(shù)字兩種，其中線性輸出和線性數(shù)字傳感器之間呈線性關(guān)系，在線性輸出中，模擬輸出電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度線性變化。在數(shù)字輸出中，傳感器只能呈現(xiàn)兩種狀態(tài)。在這兩種情況下，VH電壓均滿足以下公式：

VH= RH·（（B·I）/ t）

其中：VH是以伏特為單位的霍爾電壓，RH是霍爾效應(yīng)系數(shù)，I是以安培為單位流經(jīng)傳感器的電流，t是以毫米為單位的傳感器厚度，B是以特斯拉表示的磁通密度。圖1顯示了通用線性霍爾效應(yīng)傳感器的框圖，而圖2的框圖涉及數(shù)字傳感器?；魻栐鐖D1所示通過(guò)帶有“ X”的方框，并且根據(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(lái)檢測(cè)差分磁場(chǎng)，三個(gè)用于檢測(cè)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一個(gè)開(kāi)路發(fā)射極，開(kāi)路集電極或推挽晶體管，它們連接到差分放大器的輸出。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)內(nèi)置遲滯的施密特觸發(fā)器，該觸發(fā)器與運(yùn)算放大器相連。

圖1：線性（模擬輸出）霍爾效應(yīng)傳感器的框圖

當(dāng)通過(guò)傳感器的磁通量超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，輸出將從OFF切換到ON。磁滯用于消除傳感器進(jìn)入和離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)輸出信號(hào)的任何振蕩?；诨魻栃?yīng)的設(shè)備分為單極和雙極傳感器。雙極傳感器需要正磁場(chǎng)（南極）才能運(yùn)行，而負(fù)磁場(chǎng)（北極）則需要釋放。單極傳感器需要一個(gè)磁極（南極）來(lái)進(jìn)行操作和釋放。此外，傳感器通常設(shè)計(jì)為在沒(méi)有電磁場(chǎng)的情況下在OFF狀態(tài)（開(kāi)路）下產(chǎn)生輸出，并在受到足夠強(qiáng)度和正確磁場(chǎng)的情況下在ON狀態(tài)（閉路）下輸出。極性。

圖2：數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器的框圖

應(yīng)用領(lǐng)域

不管具體的應(yīng)用類型如何，霍爾效應(yīng)傳感器正確操作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(guò)程控制。位置傳感器用于檢測(cè)磁體和傳感器之間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)元素之間的距離很短。磁體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(chǎng)，而在傳感器向北極移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)磁場(chǎng)。

可以使用幾種技術(shù)來(lái)確定位置：例如，如果應(yīng)用程序需要有限且離散的位置，則可以使用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，而對(duì)于需要更高精度的應(yīng)用程序，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以用于監(jiān)視液體的液位，并應(yīng)用于洗衣機(jī)或洗碗機(jī)等家用電器中。在這種情況下，將幾個(gè)霍爾開(kāi)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)，將激活位于外殼外部的相應(yīng)分立開(kāi)關(guān)，以數(shù)字方式指示水位。另一個(gè)重要的應(yīng)用涉及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其速度由電氣換向而不是機(jī)械換向控制。在這方面，三個(gè)數(shù)字磁傳感器位于電機(jī)定子上，而永磁體則位于轉(zhuǎn)子軸上。汽車行業(yè)已成為全球磁場(chǎng)傳感器市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，占據(jù)了40％以上的市場(chǎng)份額。將多種安全功能集成到汽車中的需求不斷增加，為霍爾傳感器創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，該傳感器已在電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）等幾種與安全相關(guān)的應(yīng)用中得到利用。

用于位置檢測(cè)的數(shù)字磁傳感器的一個(gè)示例是Allegro MicroSystemsA1210-A1214設(shè)備系列。A121x系列傳感器獲得了汽車應(yīng)用的AEC-Q100認(rèn)證，具有很高的可靠性，并在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，連續(xù)的運(yùn)行，強(qiáng)大的EMC性能以及較高的ESD額定值。A1210-A1214霍爾效應(yīng)鎖存器在單個(gè)硅芯片上包括以下組件：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(chǎng)超過(guò)工作點(diǎn)閾值時(shí)，這些設(shè)備的輸出切換為低電平（接通）。傳感器具有閂鎖行為，即足夠強(qiáng)度的南極會(huì)打開(kāi)設(shè)備，并且在移除南極后仍會(huì)保持打開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)減小到釋放點(diǎn)以下時(shí)，傳感器輸出變高（關(guān)閉）。磁操作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的差異是設(shè)備的磁滯。

磁傳感器也適用于精確檢測(cè)角位置。一個(gè)示例是AMS AS5048A / AS5048B磁性旋轉(zhuǎn)編碼器，一種傳感器，可提供14位高分辨率輸出以進(jìn)行360°角度位置檢測(cè)。圖3顯示了該設(shè)備的主要功能模塊：霍爾傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理。磁鐵的絕對(duì)位置可以通過(guò)PWM輸出直接訪問(wèn)，并且可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI或高速I(mǎi)2C接口（取決于型號(hào)）來(lái)獲取。零位置可以通過(guò)SPI或I2C命令進(jìn)行編程，因?yàn)椴恍枰獙?duì)磁鐵進(jìn)行機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)。傳感器可以承受未對(duì)準(zhǔn)，氣隙變化，溫度和外部磁場(chǎng)變化的影響?？煽啃?，魯棒性和寬溫度范圍使其成為苛刻的工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中旋轉(zhuǎn)角度感測(cè)的理想選擇。

圖3：AS5048A的主要功能塊[來(lái)源：AMS]

結(jié)論

數(shù)字磁性霍爾效應(yīng)傳感器以其堅(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。不管是簡(jiǎn)單地檢測(cè)筆記本電腦機(jī)蓋的關(guān)閉情況，還是執(zhí)行復(fù)雜的電機(jī)換向和精確的位置測(cè)量，霍爾效應(yīng)傳感器即使在最惡劣的環(huán)境條件下也將以極高的精度感應(yīng)位置。

編輯：hfy