數(shù)字磁傳感器是一種設(shè)備，在該設(shè)備中，由于外部磁場(chǎng)的存在，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，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(lái)越普遍，尤其是在汽車(chē)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，這要?dú)w功于非接觸式操作、無(wú)需維護(hù)、堅(jiān)固耐用以及抗振、防塵和抗液體等特性。

例如，在汽車(chē)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，它們用于識(shí)別曲軸的位置，在乘客艙中，它們用于檢測(cè)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(chē)輪上，它們用于檢測(cè)檢測(cè) 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，只有幾微伏的數(shù)量級(jí)，因此有必要在其他組件（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）的設(shè)計(jì)中包括在內(nèi)。根據(jù)輸出的類型，磁傳感器分為線性（模擬輸出電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度線性變化）和數(shù)字（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(guò)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。圖 1顯示了通用線性霍爾效應(yīng)傳感器的框圖，而圖 2的框圖指的是數(shù)字傳感器。霍爾元件如圖 1 所示由帶有“X”的方框組成，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)單元來(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)發(fā)射極開(kāi)路、集電極開(kāi)路或連接到差分放大器輸出端的推挽晶體管。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)連接到運(yùn)算放大器的具有內(nèi)置遲滯的施密特觸發(fā)器。

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(chǎng)（南極）進(jìn)行操作，一個(gè)負(fù)磁場(chǎng)（北極）進(jìn)行釋放。單極傳感器需要一個(gè)磁極（南極）來(lái)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)的情況下在關(guān)閉狀態(tài)（開(kāi)路）下產(chǎn)生輸出，并在它們受到足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)并具有正確的磁場(chǎng)時(shí)在開(kāi)啟狀態(tài)下輸出（閉合電路）極性。

圖 2：數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器框圖

應(yīng)用

無(wú)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)用有很多，包括汽車(chē)、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)磁鐵和傳感器之間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)元件放置在非常短的距離。當(dāng)傳感器向南移動(dòng)時(shí)，磁鐵與傳感器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生正磁場(chǎng)，當(dāng)傳感器向北極移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)磁場(chǎng)。

可使用多種技術(shù)來(lái)確定位置：例如，如果應(yīng)用需要有限的離散位置，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，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(cè)液體的液位，可用于洗衣機(jī)或洗碗機(jī)等家用電器。在這種情況下，幾個(gè)霍爾開(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)，位于外殼外部的相應(yīng)離散開(kāi)關(guān)被激活，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(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。將多種安全功能集成到汽車(chē)中的需求不斷增加，這為霍爾傳感器創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，霍爾傳感器在電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC) 和防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS) 等多個(gè)安全相關(guān)應(yīng)用中得到了利用。

用于位置檢測(cè)的數(shù)字磁傳感器的一個(gè)例子是 Allegro MicroSystems A1210-A1214設(shè)備系列。A121x 系列傳感器通過(guò)汽車(chē)應(yīng)用的 AEC-Q100 認(rèn)證，提供高可靠性、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 額定值。A1210-A1214 霍爾效應(yīng)鎖存器在單個(gè)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(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)備的輸出會(huì)切換為低電平（打開(kāi)）。傳感器具有閉鎖行為，即具有足夠強(qiáng)度的南極打開(kāi)設(shè)備，并且在移除南極后它也保持開(kāi)啟。當(dāng)磁場(chǎng)降低到釋??放點(diǎn)以下時(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)別在于設(shè)備的磁滯。

磁性傳感器也適用于角位置的精確檢測(cè)。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(cè)提供 14 位高分辨率輸出的傳感器。圖 3 顯示了該器件的主要功能塊：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)位置可通過(guò) PWM 輸出直接訪問(wèn)，并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) SPI 或高速 I2C 接口獲取，具體取決于版本。零位可通過(guò) SPI 或 I2C 命令編程，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)榇盆F不需要機(jī)械對(duì)齊。該傳感器可承受未對(duì)準(zhǔn)、氣隙變化、溫度和外部磁場(chǎng)變化。可靠性、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。

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)傳感器因其穩(wěn)健性、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(wú)論是簡(jiǎn)單地檢測(cè)筆記本電腦蓋子的關(guān)閉，還是執(zhí)行復(fù)雜的電機(jī)換向和準(zhǔn)確的位置測(cè)量，即使在最惡劣的環(huán)境條件下，霍爾效應(yīng)傳感器也能以極高的精度感知位置。
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