数字磁性霍尔效应传感器工作原理及应用领域分析

数字磁传感器是一种这样的设备，其中，由于存在外部磁场，输出开关会在ON和OFF状态之间切换。这种类型的基础上的物理原理的装置的霍尔效应，被广泛地用作接近，定位，速度和电流检测传感器。与机械开关不同，它们是一种持久的解决方案，因为它们没有机械磨损，即使在特别关键的环境条件下也可以工作。由于具有非接触式操作，无需维护，坚固耐用以及对振动，灰尘和液体具有免疫力等特性，数字磁传感器正变得越来越普遍，尤其是在汽车和消费电子领域。

例如，在汽车领域，这些传感器用于检测位置，距离和速度。在发动机内部，它们用于标识曲轴的位置，在乘客舱中，用于检测座椅和安全带的位置（用于操作安全气囊控制系统的基本信息），在车轮上，它们用于检测车轮位置。检测ABS所需的旋转速度。

工作原理

每个磁传感器的心脏由霍尔元件表示，霍尔元件的输出电压（也称为霍尔电压，用VH表示）与通过半导体材料的磁场强度成正比。由于该电压非常低，约为几微伏，因此必须在设计中包括其他组件，例如运算放大器，电压比较器，电压调节器和输出驱动器。根据输出的类型，磁传感器分为线性和数字两种，其中线性输出和线性数字传感器之间呈线性关系，在线性输出中，模拟输出电压随磁场强度线性变化。在数字输出中，传感器只能呈现两种状态。在这两种情况下，VH电压均满足以下公式：

VH= RH·（（B·I）/ t）

其中：VH是以伏特为单位的霍尔电压，RH是霍尔效应系数，I是以安培为单位流经传感器的电流，t是以毫米为单位的传感器厚度，B是以特斯拉表示的磁通密度。图1显示了通用线性霍尔效应传感器的框图，而图2的框图涉及数字传感器。霍尔元件如图1所示通过带有“ X”的方框，并且根据类型，传感器可能包括多个相同类型的单元（需要两个来检测差分磁场，三个用于检测方向或运动）。为了增加接口的灵活性，模拟传感器通常包括一个开路发射极，开路集电极或推挽晶体管，它们连接到差分放大器的输出。两种方案之间的主要区别在于，具有数字输出的传感器包括一个内置迟滞的施密特触发器，该触发器与运算放大器相连。

图1：线性（模拟输出）霍尔效应传感器的框图

当通过传感器的磁通量超过某个阈值时，输出将从OFF切换到ON。磁滞用于消除传感器进入和离开磁场时输出信号的任何振荡。基于霍尔效应的设备分为单极和双极传感器。双极传感器需要正磁场（南极）才能运行，而负磁场（北极）则需要释放。单极传感器需要一个磁极（南极）来进行操作和释放。此外，传感器通常设计为在没有电磁场的情况下在OFF状态（开路）下产生输出，并在受到足够强度和正确磁场的情况下在ON状态（闭路）下输出。极性。

图2：数字霍尔效应传感器的框图

应用领域

不管具体的应用类型如何，霍尔效应传感器正确操作的基本要求是磁通线始终垂直于传感器表面并具有正确的极性。数字磁传感器的应用很多，包括汽车，消费电子，电子医疗系统，电信，工业过程控制。位置传感器用于检测磁体和传感器之间的滑动运动，两个元素之间的距离很短。磁体和传感器之间的相对运动在传感器向南移动时产生正磁场，而在传感器向北极移动时产生负磁场。

可以使用几种技术来确定位置：例如，如果应用程序需要有限且离散的位置，则可以使用简单的开关，而对于需要更高精度的应用程序，可以将线性设备与微处理器结合使用。位置或接近传感器还可以用于监视液体的液位，并应用于洗衣机或洗碗机等家用电器中。在这种情况下，将几个霍尔开关与放置在浮子上的磁铁结合使用。

当浮子在管内上升时，将激活位于外壳外部的相应分立开关，以数字方式指示水位。另一个重要的应用涉及直流无刷电动机，其速度由电气换向而不是机械换向控制。在这方面，三个数字磁传感器位于电机定子上，而永磁体则位于转子轴上。汽车行业已成为全球磁场传感器市场的领导者，占据了40％以上的市场份额。将多种安全功能集成到汽车中的需求不断增加，为霍尔传感器创造了机会，该传感器已在电子稳定控制系统（ESC）和防抱死制动系统（ABS）等几种与安全相关的应用中得到利用。

用于位置检测的数字磁传感器的一个示例是Allegro MicroSystemsA1210-A1214设备系列。A121x系列传感器获得了汽车应用的AEC-Q100认证，具有很高的可靠性，并在扩展的温度范围内保持稳定，连续的运行，强大的EMC性能以及较高的ESD额定值。A1210-A1214霍尔效应锁存器在单个硅芯片上包括以下组件：稳压器，霍尔电压发生器，小信号放大器，施密特触发器和NMOS输出晶体管。

当垂直于霍尔元件的磁场超过工作点阈值时，这些设备的输出切换为低电平（接通）。传感器具有闩锁行为，即足够强度的南极会打开设备，并且在移除南极后仍会保持打开状态。当磁场减小到释放点以下时，传感器输出变高（关闭）。磁操作点和释放点的差异是设备的磁滞。

磁传感器也适用于精确检测角位置。一个示例是AMS AS5048A / AS5048B磁性旋转编码器，一种传感器，可提供14位高分辨率输出以进行360°角度位置检测。图3显示了该设备的主要功能模块：霍尔传感器，模数转换器和数字信号处理。磁铁的绝对位置可以通过PWM输出直接访问，并且可以通过标准SPI或高速I²C接口（取决于型号）来获取。零位置可以通过SPI或I²C命令进行编程，因为不需要对磁铁进行机械对准，从而简化了整个系统。传感器可以承受未对准，气隙变化，温度和外部磁场变化的影响。可靠性，鲁棒性和宽温度范围使其成为苛刻的工业和医疗环境中旋转角度感测的理想选择。

图3：AS5048A的主要功能块[来源：AMS]

结论

数字磁性霍尔效应传感器以其坚固性，耐用性和适用于任何位置传感应用的可靠操作而在设计人员中广为人知。不管是简单地检测笔记本电脑机盖的关闭情况，还是执行复杂的电机换向和精确的位置测量，霍尔效应传感器即使在最恶劣的环境条件下也将以极高的精度感应位置。