数字磁传感器的基本原理

数字磁传感器是一种设备,其中的输出开关之间的上和下的状态作为一个影响的一个外部磁场的存在。这种类型的装置,基于 霍尔效应 , 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,即使在特别危急的环境条件下也能工作。数字磁传感器正变得越来越广泛,特别是在汽车和消费电子部门,这是由于其特点,如非接触操作、缺乏维护、健壮性和对振动、尘埃和液体的免疫力。

例如,在汽车部门,这些传感器用于检测位置、距离和速度。在发动机内部,他们被用来确定曲轴的位置,在乘客车厢中,他们被用来检测座椅和安全带的位置(操作气袋控制系统的基本信息),在车轮上,他们被用来检测到的旋转速度,这是澳大利亚统计局所需要的。

操作原则

每个磁传感器的心脏由霍尔元件表示,其输出电压(也称为霍尔电压,用V表示 H 与通过半导体材料的磁场强度成正比。由于这种电压非常低,大约只有几微伏,所以有必要将其包括在诸如运算放大器、电压比较器、电压调节器和输出驱动器等其他组件的设计中。根据输出的类型,磁传感器被划分为线性的,在线性中,模拟输出电压随磁场的强度而线性变化,在数字中,输出只能具有两个状态。在这两起案件中 H 电压满足下列公式:

V H = R H · ((B · I) / t)

where: V H 霍尔电压是电压,R H 是霍尔效应系数,我是电流通过传感器在安培,T是传感器的厚度在毫米,B是磁通量密度在特拉斯。由带有"x"的方盒和视类型而定,传感器可能包括相同类型的多个单元(需要两个单元来检测差动磁场,三个单元用来检测方向或运动)。为了增加接口的灵活性,模拟传感器通常包括一个打开的发射器,打开的收集器,或与差动放大器输出连接的推拉晶体管。这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滞后的施密特触发器,连接到光。

当通过传感器的磁通超过某一阈值时,输出就会从一开始开关。当传感器进入和离开磁场时,利用滞后来消除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。双极传感器需要运行的正磁场(南极)和释放的负磁场(北极)。单极传感器需要一个单独的磁极(南极)来操作和释放。此外,通常设计传感器的目的是在没有电磁场的情况下产生脱位输出(开路输出),在受到足够强度的磁场和正确极性的影响时产生脱位输出(闭路输出)。

应用程序

无论具体的应用类型如何,影响传感器正确操作的基本要求是磁通线总是垂直于传感器表面,并具有正确的极性。数字磁传感器的应用有许多,包括汽车、消费电子、电子医疗系统、电信、工业流程控制。位置传感器用于检测磁铁和传感器之间的滑动运动,两个元件放在很短的距离。磁体和传感器之间的相对运动在传感器向南移动时产生一个正磁场,而在传感器向北极移动时产生一个负磁场。

有几种技术可以用来确定位置:例如,如果应用程序需要有限和离散的位置,可以使用简单的开关,而对于要求更高精度的应用程序,可以使用线性设备与微处理器结合使用。位置或邻近传感器也可用于监测液体的水平,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。

当浮子上升到管内时,将激活位于壳外的相应离散开关,提供水位的数字指示。另一个重要的应用涉及直流无刷电动机,其速度控制电气而不是机械换向。在这方面,三个数字磁传感器被定位在电机定子上,而永久磁铁被放置在转子轴上。汽车行业已成为全球磁场传感器市场的领导者,占市场份额的40%以上。对将多种安全特性集成到汽车中的需求日益增加,为霍尔传感器创造了一个机会,在若干与安全相关的应用中加以利用,如电子稳定性控制系统(ESC)和防锁制动系统(ABS)。

用于位置检测的数字磁传感器的一个例子是快速的微系统 A1210-A1214 设备家庭。具有AEC-Q100汽车应用认证,A121X系列传感器提供了高可靠性,在延长的温度范围内稳定和持续的运行,稳健的EMC性能,和高的ESD评级。A1210-A1214的时间效应锁包括以下在一个单一硅芯片上:电压调节器,高电压发生器,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,这些设备的输出会低开关(打开)。传感器的特点是一种闭锁行为,即,一个足够强度的南极启动设备,它也是在去除南极之后。当磁场降低到释放点以下时,传感器输出就会很高(关闭)。磁操作和释放点的不同在于该装置的滞后。

磁传感器也适用于精确检测角位置。例如 AMS AS5048A/AS5048B磁旋转编码器,一种传感器,提供一个14位高分辨率输出360度角位置检测。显示了设备的主要功能模块:霍尔传感器、模拟数字转换器和数字信号处理。磁体的绝对位置是直接访问的一个压波M输出,并可以获得通过标准SPI或高速等离子体接口,视版本而定。零位置可以通过SPI或IVOMC命令进行编程,简化了整个系统,因为磁铁不需要机械校准。该传感器能容忍错准、气隙变化、温度和外部磁场变化。可靠性、鲁棒性和宽温度范围使其在恶劣的工业和医疗环境中成为旋转角传感的理想选择。

结论

数字磁霍尔效应传感器因其健壮性、耐久性和可靠的操作而闻名于设计者。无论是简单地检测膝上型计算机盖子的关闭,还是执行复杂的电动机换相和精确的位置测量,霍尔效应传感器将以极高的精确度感知位置,即使在最恶劣的环境条件下。