数字磁传感器基础

    数字磁传感器是一种输出在 ON 和 OFF 状态之间切换的设备，作为外部磁场存在的影响。这类器件基于霍尔效应的物理原理，被广泛用作接近、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，甚至可以在特别恶劣的环境条件下运行。数字磁传感器正变得越来越普遍，特别是在汽车和消费电子领域，这要归功于非接触式操作、免维护、坚固耐用以及抗振动、灰尘和液体等特性。
    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，它们用于检测座椅和安全带的位置（操作安全气囊控制系统的基本信息），在车轮上，它们检测 ABS 所需的转速。
    工作原理
    每个磁性传感器的都是霍尔元件，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。由于此电压非常低，只有几微伏，因此有必要在设计中包括运算放大器、电压比较器、稳压器和输出驱动器等其他组件。根据输出类型，磁传感器分为线性传感器和数字传感器，线性传感器的模拟输出电压随磁场强度线性变化，而数字传感器的输出只能呈现两种状态。在这两种情况下，VH电压都满足以下等式：
    V H = R H · ((B · I) / t)
    其中：V H是以伏特为单位的霍尔电压，R H是霍尔效应系数，I 是以安培为单位的流经传感器的电流，t 是以毫米为单位的传感器厚度，B 是以特斯拉为单位的磁通量密度。图 1显示了通用线性霍尔效应传感器的方框图，而图 2中的框图指的是数字传感器。霍尔元件如图 1所示由带“X”的方框组成，根据类型，传感器可能包括多个相同类型的单元（需要两个单元来检测差分磁场，三个单元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发射极开路、集电极开路或推挽晶体管，连接到差分放大器的输出端。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连接到运算放大器的具有内置迟滞的施密特触发器。
    当通过传感器的磁通量超过某个阈值时，输出从 OFF 切换到 ON。迟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。基于霍尔效应的器件分为单极和双极传感器。双极传感器需要正磁场（南极）进行操作，需要负磁场（北极）进行释放。单极传感器需要一个磁极（南极）来操作和释放。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，而在受到足够强度且具有正确的磁场时在 ON 状态（闭合电路）下输出极性。
    应用
    无论应用的具体类型如何，霍尔效应传感器正确运行的一个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内。当传感器向南移动时，磁铁和传感器之间的相对运动会产生正磁场，当传感器向北极移动时会产生负磁场。
    有几种技术可用于确定位置：例如，如果应用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，可以将线性设备与微处理器结合使用。位置或接近传感器也可用于监测液位，应用于洗衣机或洗碗机等家用电器。在这种情况下，多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，位于外壳外部的相应离散开关被激活，提供水位的数字指示。另一个重要应用涉及直流无刷电机，其速度由电气而非机械换向控制。在这方面，三个数字磁传感器位于电机定子上，而永磁体位于转子轴上。汽车行业已成为磁场传感器市场的，占据超过 40% 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，这为霍尔传感器创造了机会，可用于多种安全相关应用，例如电子稳定控制系统 (ESC) 和防抱死制动系统 (ABS)。
    用于位置检测的数字磁传感器的一个示例是 Allegro MicroSystems A1210-A1214设备系列。A121x 系列传感器通过了汽车应用的 AEC-Q100 ，具有高可靠性，可在扩展的温度范围内稳定和连续运行，具有强大的 EMC 性能和高 ESD 额定值。A1210-A1214 霍尔效应锁存器在单个硅芯片上包含以下组件：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（开启）。该传感器具有闭锁特性，即足够强度的南极会打开设备，并且在移除南极后它也会保持打开状态。当磁场降低到释??放点以下时，传感器输出变高（关闭）。磁性操作点和释放点的差异是设备的滞后现象。
    磁传感器也适用于准确检测角度位置。一个例子是AMS AS5048A/AS5048B磁性旋转编码器，一种提供 14 位高分辨率输出以进行 360° 角位置检测的传感器。图 3 显示了该设备的主要功能块：霍尔传感器、模数转换器和数字信号处理。磁铁的位置可通过 PWM 输出直接访问，并可通过标准 SPI 或高速 I?C 接口获取，具体取决于版本。零位可以通过 SPI 或 I?C 命令编程，简化了整个系统，因为磁铁不需要机械对齐。该传感器可承受未对准、气隙变化、温度和外部磁场变化。可靠性、稳健性和宽温度范围使其成为恶劣工业和医疗环境中旋转角度感测的理想选择。
    结论
    数字磁性霍尔效应传感器以其在任何位置传感应用中的稳健性、耐用性和可靠运行而为设计人员所熟知。无论是简单地检测笔记本电脑盖的关闭还是执行复杂的电机换向和的位置测量，霍尔效应传感器即使在恶劣的环境条件下也能以极高的精度感测位置。