數(shù)字磁傳感器基礎(chǔ)

    數(shù)字磁傳感器是一種輸出在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間切換的設(shè)備，作為外部磁場存在的影響。這類器件基于霍爾效應(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。與機械開關(guān)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，特別是在汽車和消費電子領(lǐng)域，這要歸功于非接觸式操作、免維護、堅固耐用以及抗振動、灰塵和液體等特性。
    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)動機內(nèi)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（操作安全氣囊控制系統(tǒng)的基本信息），在車輪上，它們檢測 ABS 所需的轉(zhuǎn)速。
    工作原理
    每個磁性傳感器的都是霍爾元件，其輸出電壓（也稱為霍爾電壓，用 VH 表示）與通過半導(dǎo)體材料的磁場強度成正比。由于此電壓非常低，只有幾微伏，因此有必要在設(shè)計中包括運算放大器、電壓比較器、穩(wěn)壓器和輸出驅(qū)動器等其他組件。根據(jù)輸出類型，磁傳感器分為線性傳感器和數(shù)字傳感器，線性傳感器的模擬輸出電壓隨磁場強度線性變化，而數(shù)字傳感器的輸出只能呈現(xiàn)兩種狀態(tài)。在這兩種情況下，VH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 是以安培為單位的流經(jīng)傳感器的電流，t 是以毫米為單位的傳感器厚度，B 是以特斯拉為單位的磁通量密度。圖 1顯示了通用線性霍爾效應(yīng)傳感器的方框圖，而圖 2中的框圖指的是數(shù)字傳感器?；魻栐鐖D 1所示由帶“X”的方框組成，根據(jù)類型，傳感器可能包括多個相同類型的單元（需要兩個單元來檢測差分磁場，三個單元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一個發(fā)射極開路、集電極開路或推挽晶體管，連接到差分放大器的輸出端。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連接到運算放大器的具有內(nèi)置遲滯的施密特觸發(fā)器。
    當通過傳感器的磁通量超過某個閾值時，輸出從 OFF 切換到 ON。遲滯用于消除傳感器進入和離開磁場時輸出信號的任何振蕩?；诨魻栃?yīng)的器件分為單極和雙極傳感器。雙極傳感器需要正磁場（南極）進行操作，需要負磁場（北極）進行釋放。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(shè)計為在沒有電磁場的情況下在 OFF 狀態(tài)（開路）下產(chǎn)生輸出，而在受到足夠強度且具有正確的磁場時在 ON 狀態(tài)（閉合電路）下輸出極性。
    應(yīng)用
    無論應(yīng)用的具體類型如何，霍爾效應(yīng)傳感器正確運行的一個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，兩個元件放置在非常短的距離內(nèi)。當傳感器向南移動時，磁鐵和傳感器之間的相對運動會產(chǎn)生正磁場，當傳感器向北極移動時會產(chǎn)生負磁場。
    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，則可以使用簡單的開關(guān)，而對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。位置或接近傳感器也可用于監(jiān)測液位，應(yīng)用于洗衣機或洗碗機等家用電器。在這種情況下，多個霍爾開關(guān)與放置在浮子上的磁鐵結(jié)合使用。
    當浮子在管內(nèi)上升時，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。另一個重要應(yīng)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)字磁傳感器位于電機定子上，而永磁體位于轉(zhuǎn)子軸上。汽車行業(yè)已成為磁場傳感器市場的，占據(jù)超過 40% 的市場份額。將多種安全功能集成到汽車中的需求不斷增加，這為霍爾傳感器創(chuàng)造了機會，可用于多種安全相關(guān)應(yīng)用，例如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC) 和防抱死制動系統(tǒng) (ABS)。
    用于位置檢測的數(shù)字磁傳感器的一個示例是 Allegro MicroSystems A1210-A1214設(shè)備系列。A121x 系列傳感器通過了汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 ，具有高可靠性，可在擴展的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定和連續(xù)運行，具有強大的 EMC 性能和高 ESD 額定值。A1210-A1214 霍爾效應(yīng)鎖存器在單個硅芯片上包含以下組件：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，這些設(shè)備的輸出切換為低電平（開啟）。該傳感器具有閉鎖特性，即足夠強度的南極會打開設(shè)備，并且在移除南極后它也會保持打開狀態(tài)。當磁場降低到釋??放點以下時，傳感器輸出變高（關(guān)閉）。磁性操作點和釋放點的差異是設(shè)備的滯后現(xiàn)象。
    磁傳感器也適用于準確檢測角度位置。一個例子是AMS AS5048A/AS5048B磁性旋轉(zhuǎn)編碼器，一種提供 14 位高分辨率輸出以進行 360° 角位置檢測的傳感器。圖 3 顯示了該設(shè)備的主要功能塊：霍爾傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理。磁鐵的位置可通過 PWM 輸出直接訪問，并可通過標準 SPI 或高速 I?C 接口獲取，具體取決于版本。零位可以通過 SPI 或 I?C 命令編程，簡化了整個系統(tǒng)，因為磁鐵不需要機械對齊。該傳感器可承受未對準、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)角度感測的理想選擇。
    結(jié)論
    數(shù)字磁性霍爾效應(yīng)傳感器以其在任何位置傳感應(yīng)用中的穩(wěn)健性、耐用性和可靠運行而為設(shè)計人員所熟知。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)雜的電機換向和的位置測量，霍爾效應(yīng)傳感器即使在惡劣的環(huán)境條件下也能以極高的精度感測位置。