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,其中的輸出開關(guān)之間的上和下的狀態(tài)作為一個影響的一個外部磁場的存在。這種類型的裝置,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,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越廣泛,特別是在汽車和消費(fèi)電子部門,這是由于其特點(diǎn),如非接觸操作、缺乏維護(hù)、健壯性和對振動、塵埃和液體的免疫力。

例如,在汽車部門,這些傳感器用于檢測位置、距離和速度。在發(fā)動機(jī)內(nèi)部,他們被用來確定曲軸的位置,在乘客車廂中,他們被用來檢測座椅和安全帶的位置(操作氣袋控制系統(tǒng)的基本信息),在車輪上,他們被用來檢測到的旋轉(zhuǎn)速度,這是澳大利亞統(tǒng)計(jì)局所需要的。

操作原則

每個磁傳感器的心臟由霍爾元件表示,其輸出電壓(也稱為霍爾電壓,用V表示 H 與通過半導(dǎo)體材料的磁場強(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)動器等其他組件的設(shè)計(jì)中。根據(jù)輸出的類型,磁傳感器被劃分為線性的,在線性中,模擬輸出電壓隨磁場的強(qiáng)度而線性變化,在數(shù)字中,輸出只能具有兩個狀態(tài)。在這兩起案件中 H 電壓滿足下列公式:

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"的方盒和視類型而定,傳感器可能包括相同類型的多個單元(需要兩個單元來檢測差動磁場,三個單元用來檢測方向或運(yùn)動)。為了增加接口的靈活性,模擬傳感器通常包括一個打開的發(fā)射器,打開的收集器,或與差動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內(nèi)置滯后的施密特觸發(fā)器,連接到光。

當(dāng)通過傳感器的磁通超過某一閾值時,輸出就會從一開始開關(guān)。當(dāng)傳感器進(jìn)入和離開磁場時,利用滯后來消除輸出信號的任何振蕩。基于霍爾效應(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(南極)和釋放的負(fù)磁場(北極)。單極傳感器需要一個單獨(dú)的磁極(南極)來操作和釋放。此外,通常設(shè)計(jì)傳感器的目的是在沒有電磁場的情況下產(chǎn)生脫位輸出(開路輸出),在受到足夠強(qiáng)度的磁場和正確極性的影響時產(chǎn)生脫位輸出(閉路輸出)。

應(yīng)用程序

無論具體的應(yīng)用類型如何,影響傳感器正確操作的基本要求是磁通線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、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磁鐵和傳感器之間的滑動運(yùn)動,兩個元件放在很短的距離。磁體和傳感器之間的相對運(yùn)動在傳感器向南移動時產(chǎn)生一個正磁場,而在傳感器向北極移動時產(chǎn)生一個負(fù)磁場。

有幾種技術(shù)可以用來確定位置:例如,如果應(yīng)用程序需要有限和離散的位置,可以使用簡單的開關(guān),而對于要求更高精度的應(yīng)用程序,可以使用線性設(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,幾個霍爾開關(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,將激活位于殼外的相應(yīng)離散開關(guān),提供水位的數(shù)字指示。另一個重要的應(yīng)用涉及直流無刷電動機(jī),其速度控制電氣而不是機(jī)械換向。在這方面,三個數(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。對將多種安全特性集成到汽車中的需求日益增加,為霍爾傳感器創(chuàng)造了一個機(jī)會,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)和防鎖制動系統(tǒng)(ABS)。

用于位置檢測的數(shù)字磁傳感器的一個例子是快速的微系統(tǒng)?A1210-A1214 設(shè)備家庭。具有AEC-Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證,A121X系列傳感器提供了高可靠性,在延長的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定和持續(xù)的運(yùn)行,穩(wěn)健的EMC性能,和高的ESD評級。A1210-A1214的時間效應(yīng)鎖包括以下在一個單一硅芯片上:電壓調(diào)節(jié)器,高電壓發(fā)生器,小信號放大器,施密特觸發(fā)器,和NMOS輸出晶體管。

當(dāng)垂直于霍爾元件的磁場超過操作點(diǎn)閾值時,這些設(shè)備的輸出會低開關(guān)(打開)。傳感器的特點(diǎn)是一種閉鎖行為,即,一個足夠強(qiáng)度的南極啟動設(shè)備,它也是在去除南極之后。當(dāng)磁場降低到釋放點(diǎn)以下時,傳感器輸出就會很高(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角位置。例如?AMS AS5048A/AS5048B磁旋轉(zhuǎn)編碼器,一種傳感器,提供一個14位高分辨率輸出360度角位置檢測。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)字信號處理。磁體的絕對位置是直接訪問的一個壓波M輸出,并可以獲得通過標(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SPI或IVOMC命令進(jìn)行編程,簡化了整個系統(tǒng),因?yàn)榇盆F不需要機(jī)械校準(zhǔn)。該傳感器能容忍錯準(zhǔn)、氣隙變化、溫度和外部磁場變化?？煽啃浴Ⅳ敯粜院蛯挏囟确秶蛊湓趷毫拥墓I(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。無論是簡單地檢測膝上型計(jì)算機(jī)蓋子的關(guān)閉,還是執(zhí)行復(fù)雜的電動機(jī)換相和精確的位置測量,霍爾效應(yīng)傳感器將以極高的精確度感知位置,即使在最惡劣的環(huán)境條件下。