数字磁传感器基础

数字磁传感器是一种设备，在该设备中，由于外部磁场的存在，输出开关会在 ON 和 OFF 状态之间切换。这种类型的设备，基于霍尔效应的物理原理, 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，尤其是在汽车和消费电子领域，这要归功于非接触式操作、无需维护、坚固耐用以及抗振、防尘和抗液体等特点。

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，它们用于检测检测ABS所需的转速。

工作原理

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 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，只有几微伏的数量级，因此有必要在其他组件（例如运算放大器、电压比较器、电压调节器和输出驱动器）的设计中包括在内。根据输出的类型，磁传感器分为线性（模拟输出电压随磁场强度线性变化）和数字（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：

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 是以安培为单位流过传感器的电流，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 指的是数字传感器。霍尔元件在 图 1 中表示 由带有“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、集电极开路或连接到差分放大器输出端的推挽晶体管。两种方案的主要区别在于，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。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。基于霍尔效应的器件分为单极和双极传感器。双极传感器需要一个正磁场（南极）进行操作，一个负磁场（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关闭状态（开路）下产生输出，并在它们受到足够强度的磁场并具有正确的磁场时在开启状态下输出（闭合电路）极性。

应用

无论何种特定类型的应用，霍尔效应传感器正确运行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有很多，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。磁铁与传感器之间的相对运动，当传感器向南移动时产生正磁场，当传感器向北极移动时产生负磁场。

可使用多种技术来确定位置：例如，如果应用需要有限的离散位置，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。位置或接近传感器还可用于监测液体的液位，可用于洗衣机或洗碗机等家用电器。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。另一个重要的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，三个数字磁传感器放置在电机定子上，而永磁体放置在转子轴上。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。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，霍尔传感器可用于电子稳定控制系统 (ESC) 和防抱死制动系统 (ABS) 等多种安全相关应用。

用于位置检测的数字磁传感器的一个例子是 Allegro MicroSystems A1210-A1214 设备系列。 A121x 系列传感器通过汽车应用的 AEC-Q100 认证，提供高可靠性、在扩展温度范围内稳定和连续运行、强大的 EMC 性能和高 ESD 额定值。 A1210-A1214霍尔效应锁存器在单硅片上包括：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，这些设备的输出会切换为低电平（打开）。传感器具有闭锁行为，即具有足够强度的南极打开设备，并且在移除南极后它也保持开启。当磁场降低到释​​放点以下时，传感器输出变高（关闭）。磁操作和释放点的差异是器件的磁滞。

磁性传感器也适用于角位置的精确检测。一个例子是 AMS AS5048A/AS5048B 磁性旋转编码器，这是一种为 360° 角位置检测提供 14 位高分辨率输出的传感器。图 3 显示了该器件的主要功能块：霍尔传感器、模数转换器和数字信号处理。磁铁的绝对位置可通过 PWM 输出直接访问，并可通过标准 SPI 或高速 I²C 接口获取，具体取决于版本。零位可通过 SPI 或 I²C 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传感的理想选择。

结论

数字磁性霍尔效应传感器因其稳健性、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盖子的关闭，还是执行复杂的电机换向和准确的位置测量，即使在最恶劣的环境条件下，霍尔效应传感器也能以极高的精度感知位置。

作者：S. Lovati，电子工程师和技术作者