基于霍尔效应传感技术的位置和电平传感
基于霍尔效应传感技术的位置和电平传感
作者：Gary Pepka，A雷竞技竞猜下载llegro MicroSystems，LLC
摘要
霍尔效应（磁场）传感应用已成为现实，最近通过先进的支持技术。本文介绍了霍尔雷竞技最新网址效应技术，然后探讨了它的应用，特别是区分霍尔传感器集成电路的主要类型，以及它们能够支持的高度不同的传感行为范围。此外，本书还探讨了一些使能技术，如信号处理技术的进步，这些技术使这项技术比早期更加强大。这使得非接触式霍尔应用具有极高的可靠性优势，应用范围比以往任何时候都更广。
除了支撑技术的改进外，霍尔效应器件本身也取得了进步，为完整解决方案的设计做出了贡献。这些进步包括功率和空间的减少，以及诊断和保护功能的集成，使霍尔传感器集成电路能够提供先进的数据驱动功能，这些功能在小型便携式消费电子产品、汽车和其他不断增长的行业中越来越受欢迎。
介绍
随着各种各样的解决方案可用于位置传感和水平传感，设计师可以选择最佳的技术和包，以满足他们的商业和工程目标。在这些解决方案中，霍尔效应技术及其非接触式磁传感的应用提供了非凡的价值和可靠性。此应用说明审查霍尔效应技术的好处，以及如何在这些设备的最新发展提高位置和水平感测结果。
霍尔效应效益
可能有几乎一样多的手段，传感位置和水平，因为有许多应用程序需要这些功能。电感式、电容式、机械式、磁阻式、霍尔效应和光学，仅举几例，都是可行的传感选择，而且雷竞技最新网址名单还在继续扩大。然而，对于设计师来说，始终存在着同样需要解决的关键要素，这些要素不可避免地将应用程序的要求与适当的传感技术相匹配。
关键要求，如：成本、行程距离（有效工作气隙）、分辨率、精度，以及经常是成本的倍数，都需要确定，以便有效地选择适当的传感技术。当然，为这些元素中的每一个构建答案并不总是一项简单的任务。然而，在这里，霍尔效应传感技术的灵活性是最有利的。高可靠性，小尺寸，生产可行的成本，宽工作电压范围，多种输出选项，易于实施，使霍尔效应传感技术服务于大多数市场的应用。雷竞技最新网址
霍尔技术概述
首先，简要介绍霍尔效应技术的工作原理。简单地说，霍尔效应（Hall effect）是以埃德温·霍尔爵士（Sir Edwin Hall）的名字命名的，发现于1879年，它是指当流过导体的电流受到磁场影响时，导体上可测量的电压，例如硅（Si）或砷化镓（GaAs）。磁场产生的横向力称为洛伦兹力。因此，霍尔效应装置需要磁场来驱动装置。
图1。在霍尔效应中，垂直于电流流动的磁通量产生可测量的电压。
霍尔效应技术虽然在今天很普遍，但直到20世纪80年代才真正开始为大众所接受，这是因为霍尔元件上的电压电势很小，并且可能受到外力的影响，例如温度和封装应力。如图2所示，除了利用片上偏移消除技术外，最近的设备还结合了信号放大能力方面的进步，这使得霍尔效应传感技术即使在极端环境条件下也能得到应用，例如汽车引擎盖下的应用。此外，霍尔效应集成电路的“非接触”操作为用户提供了几乎无限的驱动和切换寿命。雷竞技最新网址
图2。现代霍尔效应传感器集成电路集成了信号调理和放大技术，使之成为实用的器件。
霍尔设备选项
进一步研究的元素，需要考虑的位置或水平感测应用，霍尔效应集成电路提供了设计师与众多的特点和变化，包括数字或模拟输出。前一种方法对于检测离散位置是最佳的，而后一种方法为用户提供相对无限的位置以获得更高的分辨率。一些需要离散位置或液位传感的应用示例包括：汽车换档选择器、安全带锁扣开关、座椅位置传感器、手机翻盖、无刷直流电机换向、挡风玻璃雨刮器储液罐和油箱等。由于其高可靠性，霍尔效应技术被用来取代簧片开关和机械开关在这些应用。雷竞技最新网址
大多数霍尔效应开关的输出结构是开漏的，电阻很低，因此简化了与大多数微处理器和其他数字电子器件（阈值比较器、多路复用器、基本TTL门等）的接口。典型的开漏输出，一旦打开，霍尔效应器件的输出电压从高变低。这就是说，霍尔效应集成电路有很多变化，以服务于过多的位置和水平传感应用，每一个都有自己的细微差别。这些变化包括功能，如：微功耗，磁极独立的传感，用户可编程的选择，两线电流源输出设备，磁偏置感应铁目标，并反向输出。这些不可能在一次会议上充分讨论，为了本文的目的，重点将放在标准设备上：它们的操作和应用用途。雷竞技最新网址
标准霍尔器件特性
标准数字位置和液位传感器IC有三种常见的变化：单极、锁存和双极。对于单极开关，驱动是由足够强度的磁场引起的，以使设备“打开”南方（B表示磁通密度）必须大于磁工作点B操作，以打开这些设备。一旦磁场降低到磁性释放点以下，B卢比，则这些设备返回到“关闭”状态。
闭锁装置的开启方式类似于单极开关。然而，闭锁装置只能在装置看到相反极性的足够磁场强度时关闭（解锁）北.
双极开关类似于锁存装置，它们使用相反的磁极来开启和关闭。但由于这些设备的高灵敏度，它们不能保证作为锁存器工作。在某些情况下，双极开关可以有开关点（B操作和B卢比)这使得它们可以作为一个标准的单极开关，甚至可以作为一个负开关（只有在有足够的北磁极性的情况下才能进行切换）。
低分辨率应用雷竞技最新网址
使用离散位置传感的应用程序的一个很好的例子是汽车换档选择器。在档位选择器中，通常只有五个离散位置（驻车档、倒档、空档、行驶档和低速档）。在每个单独的位置（P、R、N、D和L）放置一个单极开关时，只有当换档杆中的磁铁直接靠近开关移动时，每个开关才会打开，如图3所示。
图3。霍尔器件可用作接近开关，与感测位置1对1匹配，或通过使用多个器件分析磁串扰来排列以提供额外的感测位置。
如果设计者需要额外的位置，可以减小设备之间的间距，从而在设备之间产生“串扰”。以这种方式，当磁体足够接近两个装置以使得它们都接通时，获得额外的位置，从而将位置的数目从例如5个增加到9个。简单的二进制编码十进制（BCD）系统，或更高级的系统，如格雷码或密集十进制（DPD），可以用来解码逻辑和获取位置信息。
类似地，这种方法可以通过一个内部带有磁铁的浮选装置来检测储罐中的液位，如图4所示。当磁铁随着液位的变化上下浮动时，离散液位由哪个传感器IC处于开启状态决定。
图4。液位传感在流体箱中的应用；内部带有按钮磁铁的球形浮子位于流体表面，而霍尔装置和接线在单独的腔室中完全隔离。
高分辨率应用雷竞技最新网址
从档位选择器示例可以很快看出，当只需要几个位置时，离散位置或液位感应是理想的。当应用程序需要更高的分辨率时，这种为每个位置添加设备的方法很快就变得成本高昂并且在空间上具有挑战性。
输入具有模拟输出的线性霍尔效应装置。与数字开关类似，线性开关也有许多可用的功能；例如，比率输出、用户可编程性、数字输出（如PWM）和单向或双向传感。与前面描述的用于离散位置或电平的装置一样，本讨论将仅集中于标准线性霍尔效应传感器IC：它们的操作方法和应用用途。
大多数标准的线性霍尔效应传感器IC都有比率输出（0.5×VDD公司)与磁场强度成比例的反应。这些设备通常需要5.0伏稳压电源和QVO（静态电压输出，V输出（Q）)当不存在明显磁场时为2.5 V（见图5）。当感应到来自磁铁南极的磁场增加时，输出电压会增加，接近5.0 V。相反，当感应到来自磁铁北极的磁场增加时，输出电压会降低，接近0 V。
图5。线性霍尔效应器件在整个感应磁通范围内响应，输出比例模拟信号。
线性器件的应用有两种常见的配置，这是大多数设计的基础。这些技术被称为滑动和迎面。雷竞技最新网址
按配置滑动
在标准的滑动应用程序中，磁铁在封装表面上移动，这样霍尔元件就能感应到一个或两个磁极，如图6所示。在电压输出为零的位置可以有效地分为三个位置：（a）在磁铁足够接近设备感应到的磁场之前，（b）一旦磁极之间的过零（b=0）与霍尔元件直接相邻，以及（c）一旦磁铁经过设备足够远而不再有足够的磁场可在元素处检测到的场。实际上，输出电压的变化是从2.5伏到0伏（假设DD公司当磁场的北极穿过封装表面时为5 V，当磁场的南极穿过封装表面时为2.5至5.0 V。这通常被标记为双向感应。
图6。按应用程序配置和响应曲线滑动，显示北极和南极峰值的单独节点。
当然，也可以只感知设备上一个电极的变化，尽管这可能会限制可用范围。被称为单向感应，在输出的变化，然后仅限于2.5伏的标准线性。要获得全范围的操作，就必须采用一个用户可编程的线性与此功能。霍尔效应集成电路输出的电压随磁场在表面上的变化，可以用来确定移动磁铁的相对位置。一个标准微处理器上的A-D转换器和一个简单的查找表可以用来传递实际位置。在这种情况下，分辨率（可检测的位置数）取决于A-to-D转换器的分辨率，但是模拟信号提供了相对无限的位置数。
一个应用程序的一个例子，可以使用滑动感应阀的位置，如图7所示。在这种应用中，磁铁通常是一个两极环形磁铁，在霍尔效应封装的前面旋转（滑动面）。当反向磁场通过元件前面时，电压输出与磁场强度的变化成正比。通过精确的传感，可以控制阀门的位置，以便更准确地指示物质通过载体的流量。
图7。阀位传感是一个经验证的应用，滑动霍尔集成电路配置。
正面配置
头戴式位置感测与按配置滑动的单向感测非常相似。本质上，线性霍尔集成电路只区分一个磁极的磁场强度变化，磁极可以是南北极。检测模式很简单。当磁铁靠近设备时，IC检测到的磁场增加，磁场强度随着磁铁的移除而降低，如图8所示。
图8。迎面应用程序配置和响应曲线，无论磁极方向如何，都呈现单调特性。
在跑步机上检测甲板的高度很好地说明了迎头感应技术的用途。当改变甲板高度以改变转轮的坡度时，可以使用线性霍尔IC来检测甲板的位移。通常，当传感器组件保持静止时，磁铁连接到甲板本身。当流道增大或减小桥面坡度时，传感器IC通过霍尔元件观察到的场强变化，向控制模块提供相对位移的反馈。
确定现场规范
与任何技术一样，在设计使用霍尔效应传感器IC的应用程序时，都有一些特定的考虑因素。仔细选择磁铁是最重要的，包括形状和位置，如图9所示。磁场强度随距离呈指数衰减。此外，磁铁具有需要考虑的温度系数。
图9。该模型描述了按钮磁铁磁场强度的变化（类似于图10所示）。箭头表示磁通线。磁力线越靠近磁铁，磁场强度就越强。
因此，对于离散位置感测而言，在所需的开关位置确定从封装表面到磁铁的有效气隙，然后在该距离确定额定温度范围内的最大和最小场强始终是一种良好的做法。然后将该值与每个替代装置的最大额定工作开关点进行比较。
图10提供了通过有效气隙估算场退化的图表和公式。可使用以下公式计算此变化：
哪里：
- Br=材料的剩余磁感应系数，单位：G，
- L=磁铁长度，单位：mm，
- X=磁铁表面和设备之间的距离，单位为mm，以及
- R=磁铁半径，单位：mm。
图表反映了按钮磁铁的典型结果，与图9所示类似，由NdFe组成，额定值为30 MOe（oersted；1 Oe=100微特斯拉，micro；T），半径为2 mm，厚度为1 mm。
对于设计者来说，一个好的经验法则是确保在设备切换所需的位置，磁场强度至少比最大额定切换点所需的磁场强度高10%。例如，如果单极开关需要B操作（最大）50克，则在任何情况下，该距离处的场强应不小于55克。
设计线性应用程序雷竞技最新网址
与数字霍尔效应开关不同，数字霍尔效应开关只需要一定的场强和极性就可以驱动，而线性器件需要更多的应用规范才能获得满意的结果。线性集成电路的增益决定了给定距离下的分辨率。因此，无论应用程序是滑动还是正面，都必须选择适当的增益。
为此，必须确定两个已知的端点和所需的分辨率（数据点的数量）。以下是确定适当增益的简要示例。
假设应用要求如图11所示，可用线性范围为3 V。磁铁穿过装置时的全范围为200 G（高斯；10 G=1毫特斯拉，mT）。除以输出电压的变化，V出去通过改变外加电场，为本应用提供了合适的线性霍尔效应器件增益。
为了更清楚，这里是这个例子的方程式和结果。一般方程式为：
要使用示例数据，首先转换V出去从V到mV。
然后：
五出去=V–五出口1
=4000 mV–1000 mV
=3000 mV（全线性范围），
和
B类应用（G） =B级最大值–B级最小
=100克–（–100克）=200克。
注：应用的代数惯例是：B的正值表示南极，B的负值表示北极。
将这些输入到一般方程中：
增益（mV/G）=3000 mV/200 G
=15毫伏/克。
当然，在实际应用中，传递函数不是完全线性的，系统中雷竞技最新网址可能存在固有的偏移。因此，必须进一步考虑应用所需的精度，以及必须读取输出的A-D转换器或类似设备的分辨率能力，以及磁铁的温度系数。
在这些情况下，有必要考虑：
- 静态输出电压随温度的变化，V输出（Q）（助教），
- 灵敏度（增益）随温度的变化，V传感器（Q）（TA），以及
- 在给定的磁场强度范围内器件的线性度。
线性霍尔效应集成电路可以用磁场反向偏置，以检测铁目标。例如，基于霍尔IC的传感器在汽车工业中被广泛接受，以精确地检测凸轮凸角的位置和发动机中曲轴的转速，从而改善正时，从而提高燃油消耗效率。许多霍尔效应线性器的高带宽能力使其能够用于检测混合动力车辆中DC-DC转换器和电池管理系统的电流变化。
摘要
显然，这些都是可以使用霍尔效应传感的应用程序的简化示例，以及对该技术提供的功能和特性的雷竞技最新网址非常压缩的描述。重要霍尔技术选择的其他有趣示例包括：
- 二线制装置的电流源输出是安全关键应用的理想选择，如座椅位置和安全带扣传感器。这是因为这些设备输出两个不同的电流水平来指示开和关状态。任何偏离这些水平的输出雷竞技最新网址都是一种故障状态，为用户提供固有的诊断。
- 极低的电流消耗（<5 W）允许霍尔效应集成电路用于开路/闭路传感器。这在对电源损耗敏感的电池供电应用中尤其有价值，例如：移动翻盖电话、笔记本电脑和寻呼机。雷竞技最新网址
- 这些传感器集成电路的灵活性进一步增强了包装选项的分类。一些微铅封装（MLP，也称为无铅DFN或QFN封装）小到2.0×2.0×0.5 mm，而其他封装则大到足以包括钐钴磁体以使IC反向偏置。
霍尔效应技术可以为无数的应用提供服务，推雷竞技最新网址动了这些设备的日益多样化。因此，技术不断发展。不断缩小的尺寸和不断增加的能力使霍尔技术成为几乎任何位置或水平传感应用的可行解决方案。