数字磁传感器

Digital Magnetic Sensors

数字磁传感器是一种在外部磁场作用下，输出开关在接通和断开状态之间切换的装置。基于霍尔效应的物理原理，这种类型的器件被广泛用作接近、定位、速度和电流检测传感器。与机械开关不同，它们是一个长期的解决方案，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行业，这得益于诸如非接触操作、缺乏维护、鲁棒性以及对振动、灰尘和液体的免疫力。             

例如，在汽车行业，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，在乘客席中，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所需的旋转速度。             

工作原理             

每个磁传感器的心脏都由霍尔元件表示，霍尔元件的输出电压（也称为霍尔电压，用VH表示）与穿过半导体材料的磁场强度成正比。由于这个电压非常低，只有几微伏的量级，所以有必要在其他部件的设计中包括运算放大器、电压比较器、电压调节器和输出驱动器。根据输出类型的不同，磁传感器分为线性（模拟输出电压随磁场强度线性变化）和数字传感器（其输出只能呈现两种状态）。在这两种情况下，VH电压满足以下等式：

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，t为传感器的厚度，单位为毫米，B为磁通密度，单位为特斯拉。图1所示为一般线性霍尔效应传感器的框图，而图2所示为数字传感器。霍尔元件在图1中用带“X”的方框表示，根据类型，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运动）。为了增加接口的灵活性，模拟传感器通常包括一个开放发射极、开放集电极或与差分放大器输出相连的推挽晶体管。这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内置迟滞的施密特触发器，与运算放大器相连。

Figure 1: block diagram of a linear (analog output) Hall effect sensor

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，t为传感器的厚度，单位为毫米，B为磁通密度，单位为特斯拉。图1所示为一般线性霍尔效应传感器的框图，而图2所示为数字传感器。霍尔元件在图1中用带“X”的方框表示，根据类型，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运动）。为了增加接口的灵活性，模拟传感器通常包括一个开放发射极、开放集电极或与差分放大器输出相连的推挽晶体管。这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内置迟滞的施密特触发器，与运算放大器相连。

Figure 2: block diagram of a digital Hall effect sensor

应用             

不管是哪种应用，霍尔效应传感器正确工作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。当传感器向南移动时，磁铁和传感器之间的相对运动产生正磁场，当传感器向北极移动时产生负磁场。              

有几种技术可用于确定位置：例如，如果应用程序需要有限和离散的位置，则可以使用简单的开关；而对于需要更高精度的应用程序，可将线性装置与微处理器结合使用。位置传感器或接近传感器也可用于监测液体的液位，应用于洗衣机或洗碗机等家用电器中。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。另一个重要的应用是直流无刷电机，其速度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，而永久磁铁则放置在转子轴上。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，为霍尔传感器创造了机会，可用于电子稳定控制系统（ESC）和防抱死制动系统（ABS）等安全相关应用。             

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系列传感器具有AEC-Q100汽车应用认证，在扩展的温度范围内具有稳定和连续的工作性能、强健的EMC性能和较高的ESD额定值，具有高可靠性。A1210-A1214霍尔效应锁存器在单个硅芯片上包括以下部件：电压调节器、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，这些器件的输出开关低（打开）。该传感器具有闭锁特性，也就是说，具有足够强度的南极会打开设备，并且在南极被移除后，它也会保持开启状态。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区别在于装置的磁滞。             

磁性传感器也适用于角度位置的精确检测。例如，AMS AS5048A/AS5048B磁性旋转编码器，该传感器提供用于360°角位置检测的14位高分辨率输出。图3显示了该装置的主要功能模块：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，具体取决于型号。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准。该传感器可承受偏差、气隙变化、温度和外部磁场变化。可靠性，稳健性，和广泛的温度范围使其理想的旋转角度传感在恶劣的工业和医疗环境。

Figure 3: main functional blocks of AS5048A

结论             

数字磁霍尔效应传感器以其鲁棒性、耐用性和在任何位置传感应用中的可靠操作而闻名于设计人员。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精确的位置测量，霍尔效应传感器都能以极高的精度感知位置，即使在最恶劣的环境条件下也是如此。