數(shù)字磁傳感器的基本原理
數(shù)字磁傳感器是一種設(shè)備,其中的輸出開(kāi)關(guān)之間的上和下的狀態(tài)作為一個(gè)影響的一個(gè)外部磁場(chǎng)的存在。這種類(lèi)型的裝置,基于?霍爾效應(yīng) , 廣泛應(yīng)用于鄰近、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,即使在特別危急的環(huán)境條件下也能工作。數(shù)字磁傳感器正變得越來(lái)越廣泛,特別是在汽車(chē)和消費(fèi)電子部門(mén),這是由于其特點(diǎn),如非接觸操作、缺乏維護(hù)、健壯性和對(duì)振動(dòng)、塵埃和液體的免疫力。
例如,在汽車(chē)部門(mén),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,他們被用來(lái)確定曲軸的位置,在乘客車(chē)廂中,他們被用來(lái)檢測(cè)座椅和安全帶的位置(操作氣袋控制系統(tǒng)的基本信息),在車(chē)輪上,他們被用來(lái)檢測(cè)到的旋轉(zhuǎn)速度,這是澳大利亞統(tǒng)計(jì)局所需要的。
操作原則
每個(gè)磁傳感器的心臟由霍爾元件表示,其輸出電壓(也稱(chēng)為霍爾電壓,用V表示 H 與通過(guò)半導(dǎo)體材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。由于這種電壓非常低,大約只有幾微伏,所以有必要將其包括在諸如運(yùn)算放大器、電壓比較器、電壓調(diào)節(jié)器和輸出驅(qū)動(dòng)器等其他組件的設(shè)計(jì)中。根據(jù)輸出的類(lèi)型,磁傳感器被劃分為線(xiàn)性的,在線(xiàn)性中,模擬輸出電壓隨磁場(chǎng)的強(qiáng)度而線(xiàn)性變化,在數(shù)字中,輸出只能具有兩個(gè)狀態(tài)。在這兩起案件中 H 電壓滿(mǎn)足下列公式:
V H = R H · ((B · I) / t)
where: V H 霍爾電壓是電壓,R H 是霍爾效應(yīng)系數(shù),我是電流通過(guò)傳感器在安培,T是傳感器的厚度在毫米,B是磁通量密度在特拉斯。由帶有"x"的方盒和視類(lèi)型而定,傳感器可能包括相同類(lèi)型的多個(gè)單元(需要兩個(gè)單元來(lái)檢測(cè)差動(dòng)磁場(chǎng),三個(gè)單元用來(lái)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)打開(kāi)的發(fā)射器,打開(kāi)的收集器,或與差動(dòng)放大器輸出連接的推拉晶體管。這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)置滯后的施密特觸發(fā)器,連接到光。
當(dāng)通過(guò)傳感器的磁通超過(guò)某一閾值時(shí),輸出就會(huì)從一開(kāi)始開(kāi)關(guān)。當(dāng)傳感器進(jìn)入和離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí),利用滯后來(lái)消除輸出信號(hào)的任何振蕩?;诨魻栃?yīng)的設(shè)備分為單極和雙極傳感器。雙極傳感器需要運(yùn)行的正磁場(chǎng)(南極)和釋放的負(fù)磁場(chǎng)(北極)。單極傳感器需要一個(gè)單獨(dú)的磁極(南極)來(lái)操作和釋放。此外,通常設(shè)計(jì)傳感器的目的是在沒(méi)有電磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生脫位輸出(開(kāi)路輸出),在受到足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)和正確極性的影響時(shí)產(chǎn)生脫位輸出(閉路輸出)。
應(yīng)用程序
無(wú)論具體的應(yīng)用類(lèi)型如何,影響傳感器正確操作的基本要求是磁通線(xiàn)總是垂直于傳感器表面,并具有正確的極性。數(shù)字磁傳感器的應(yīng)用有許多,包括汽車(chē)、消費(fèi)電子、電子醫(yī)療系統(tǒng)、電信、工業(yè)流程控制。位置傳感器用于檢測(cè)磁鐵和傳感器之間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng),兩個(gè)元件放在很短的距離。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)生一個(gè)正磁場(chǎng),而在傳感器向北極移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)磁場(chǎng)。
有幾種技術(shù)可以用來(lái)確定位置:例如,如果應(yīng)用程序需要有限和離散的位置,可以使用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān),而對(duì)于要求更高精度的應(yīng)用程序,可以使用線(xiàn)性設(shè)備與微處理器結(jié)合使用。位置或鄰近傳感器也可用于監(jiān)測(cè)液體的水平,應(yīng)用于家用電器,如洗衣機(jī)或洗碗機(jī)。在這種情況下,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)浮子上升到管內(nèi)時(shí),將激活位于殼外的相應(yīng)離散開(kāi)關(guān),提供水位的數(shù)字指示。另一個(gè)重要的應(yīng)用涉及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī),其速度控制電氣而不是機(jī)械換向。在這方面,三個(gè)數(shù)字磁傳感器被定位在電機(jī)定子上,而永久磁鐵被放置在轉(zhuǎn)子軸上。汽車(chē)行業(yè)已成為全球磁場(chǎng)傳感器市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者,占市場(chǎng)份額的40%以上。對(duì)將多種安全特性集成到汽車(chē)中的需求日益增加,為霍爾傳感器創(chuàng)造了一個(gè)機(jī)會(huì),在若干與安全相關(guān)的應(yīng)用中加以利用,如電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESC)和防鎖制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)。
用于位置檢測(cè)的數(shù)字磁傳感器的一個(gè)例子是快速的微系統(tǒng)?A1210-A1214 設(shè)備家庭。具有AEC-Q100汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證,A121X系列傳感器提供了高可靠性,在延長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定和持續(xù)的運(yùn)行,穩(wěn)健的EMC性能,和高的ESD評(píng)級(jí)。A1210-A1214的時(shí)間效應(yīng)鎖包括以下在一個(gè)單一硅芯片上:電壓調(diào)節(jié)器,高電壓發(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)操作點(diǎn)閾值時(shí),這些設(shè)備的輸出會(huì)低開(kāi)關(guān)(打開(kāi))。傳感器的特點(diǎn)是一種閉鎖行為,即,一個(gè)足夠強(qiáng)度的南極啟動(dòng)設(shè)備,它也是在去除南極之后。當(dāng)磁場(chǎng)降低到釋放點(diǎn)以下時(shí),傳感器輸出就會(huì)很高(關(guān)閉)。磁操作和釋放點(diǎn)的不同在于該裝置的滯后。
磁傳感器也適用于精確檢測(cè)角位置。例如?AMS AS5048A/AS5048B磁旋轉(zhuǎn)編碼器,一種傳感器,提供一個(gè)14位高分辨率輸出360度角位置檢測(cè)。顯示了設(shè)備的主要功能模塊:霍爾傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理。磁體的絕對(duì)位置是直接訪(fǎng)問(wèn)的一個(gè)壓波M輸出,并可以獲得通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI或高速等離子體接口,視版本而定。零位置可以通過(guò)SPI或IVOMC命令進(jìn)行編程,簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng),因?yàn)榇盆F不需要機(jī)械校準(zhǔn)。該傳感器能容忍錯(cuò)準(zhǔn)、氣隙變化、溫度和外部磁場(chǎng)變化。可靠性、魯棒性和寬溫度范圍使其在惡劣的工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中成為旋轉(zhuǎn)角傳感的理想選擇。
結(jié)論
數(shù)字磁霍爾效應(yīng)傳感器因其健壯性、耐久性和可靠的操作而聞名于設(shè)計(jì)者。無(wú)論是簡(jiǎn)單地檢測(cè)膝上型計(jì)算機(jī)蓋子的關(guān)閉,還是執(zhí)行復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)換相和精確的位置測(cè)量,霍爾效應(yīng)傳感器將以極高的精確度感知位置,即使在最?lèi)毫拥沫h(huán)境條件下。