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数字磁传感器的操作和应用

发布者: 静待花开 | 发布时间: 2019-11-8 12:20| 查看数: 6| 评论数: 0 |帖子模式 |只看大图 |关灯


数字磁传感器是一种装置,它的输出受外部磁场的影响,在开关状态之间进行切换。这类设备基于霍尔效应的物理原理,广泛应用于邻近、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,甚至可以在特别关键的环境条件下操作。数字磁传感器正变得越来越广泛,尤其是在汽车和消费电子领域,这要归功于其非接触式操作、缺乏维护、坚固性和对振动、灰尘和液体的免疫力等特性。电子元器件




        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,它们用于识别曲轴的位置,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。



        操作原理



        每个磁传感器的核心由霍尔元件表示,其输出电压(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,只有几微伏的量级,因此在设计其他元件时,如运算放大器、电压比较器、电压调节器和输出驱动器时,有必要考虑这一因素。根据输出类型的不同,磁传感器分为线性和数字两种,前者的模拟输出电压随磁场强度线性变化,后者的输出只能有两种状态。两种情况下,VH电压均满足以下方程:



        VH = RH·((B·I)  )



        式中:VH为霍尔电压,单位为伏特;RH为霍尔效应系数;I为流经传感器的电流,单位为安培;为传感器的厚度,单位为;图1为一般线性霍尔效应传感器的框图,图2为数字传感器的框图。霍尔元件在图1中由带“X”的方框表示,根据类型的不同,传感器可能包括相同类型的多个单元(两个用于检测差分磁场,三个用于检测方向或移动)。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,或推挽晶体管连接到差分放大器的输出。这两种方案的主要区别在于,数字输出的传感器包括一个内置滞后的施密特触发器,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超过一定的阈值时,输出从OFF切换到ON。当传感器进入和离开磁场时,磁滞用来消除输出信号的任何振荡。基于霍尔效应的器件分为单极型和双极型。双极传感器需要一个正磁场(南极)来工作,一个负磁场(北极)来释放。单极传感器需要一个单磁极(南极)来操作和释放。此外,传感器通常被设计成在没有电磁场的情况下产生关闭状态(开路)的输出,而在受到足够强且极性正确的磁场时则产生打开状态(闭路)的输出。



         



        图2:数字霍尔效应传感器的框图



        应用程序



        无论何种特殊类型的应用,霍尔效应传感器正确工作的基本要求是磁通量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非常广泛,包括汽车、消费电子、电子医疗系统、电信、工业过程控制等。位置传感器用于检测磁铁和传感器之间的滑动运动,两个元件放置在非常短的距离。磁体与传感器之间的相对运动在传感器向南运动时产生正磁场,在传感器向北极运动时产生负磁场。



        有几种技术可以用来确定位置:例如,如果应用程序需要一个有限的和离散的位置,可以使用简单的开关,而对于需要更高精度的应用程序,可以结合使用线性设备和微处理器。位置或接近传感器也可用于监测液位,应用于家用电器,如洗衣机或洗碗机。在这种情况下,几个霍尔开关与放置在浮子上的磁铁结合使用。



        当浮球在管内上升时,位于外壳外的相应的分立开关被激活,提供水位的数字指示。另一个重要的应用涉及直流无刷电机,其速度是由电气而不是机械换向控制。在这方面,三个数字磁传感器定位在电机定子上,而永磁体放置在转子轴上。汽车行业已经成为全球磁场传感器市场的领导者,占据了超过40的市场份额。越来越多的人要求在汽车中集成多种安全特性,这为霍尔传感器创造了机会。霍尔传感器被应用于电子稳定控制系统(ESC)和防抱死制动系统(ABS)等与安全相关的应用中。



        用于位置检测的数字磁传感器的一个例子是A MS A1210-A1214设备族。A121系列传感器获得AEC-Q100汽车应用认证,具有高可靠性,在扩展温度范围内稳定连续工作,强大的EMC性能,高ESD等级。A1210-A1214霍尔效应门闩包括以下单晶片:调压器,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操作点阈值时,这些器件的输出就会降低(打开)。该传感器的特点是一个锁存行为,即一个有足够力量的南极打开设备,并保持在删除南极后。当磁场降低到释放点以下时,传感器输出变高(关闭)。磁操作点和释放点的区别在于器件的迟滞。



        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,该传感器提供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工业和医疗环境中旋转角度感应的理想选择。



         



        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。 无论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。



        本文编译自。

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