Position and Level Sensing Using Hall-Effect Sensing Technology

Position and Level Sensing Using Hall-Effect Sensing Technology

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作者：Gary Pepka，A亚博棋牌游戏llegro MicroSystems，LLC

抽象

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。本文介绍了霍尔亚博尊贵会员效应技术，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，而且亚博尊贵会员名单还在继续扩大。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。亚博尊贵会员

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。

虽然今天很常见，但霍尔效应技术并没有真正开始在20世纪80年代获得批量接受。这是因为霍尔元素跨越电压的电压是微小的，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，除了使用片上的胶印取消技术之外，还包括扩增信号的能力的进步，该装置允许允许霍尔效应感测技术允许在极端环境条件下采用霍尔效应感测技术，如汽车欠罩应用。亚博尊贵会员此外，霍尔效应IC的“非接触”操作在致动和切换方面为用户提供了几乎无限的寿命。

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。亚博尊贵会员

大多数霍尔效应开关具有开路漏极的输出结构，提供低电阻，从而简化了大多数微处理器和其他数字电子设备的接口（阈值比较器，多路复用器，基本TTL门等）。典型的开漏输出，一旦切换“开”，霍尔效应装置的输出电压从高电平到低电平。据说，霍尔效应IC有丰富的变化，以便为血腥的位置和水平传感应用服务，每个都有自己的细微差别。亚博尊贵会员这些变化包括：微功耗，磁极无关的传感，用户可编程选项，双线电流源输出装置，用于感测亚铁靶的磁偏压和反相输出的功能。这些不能在一次坐着中充分讨论，并且为了本文的目的，重点将在标准设备上：其操作和应用程序使用。

标准霍尔器件特性

There are three common variations of standard digital position and level sensor ICs: unipolar, latching, and bipolar. With unipolar switches the actuation is caused by a magnetic field of sufficient strength to turn the device "on." Typically B_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，设备的这些设备返回“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）。

低分辨率应用亚博尊贵会员

An excellent example of an application that uses discrete position sensing is an automobile shift selector. In shift selectors there are commonly as few as five discrete positions (Park, Reverse, Neutral, Drive and Low). With a unipolar switch placed at each individual position (P, R, N, D, and L), each switch only turns on when the magnet in the shifter is moved directly adjacent to the switch, as shown in figure 3.

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。

Similarly this tactic could be used to sense fluid levels in a tank by means of a flotation device with a magnet inside, as illustrated in figure 4. As the magnet floats up and down with the changes in the level of the fluid, discrete levels are determined by which sensor IC is in the on state.

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。

高分辨率应用亚博尊贵会员

可以从移位选择器示例非常快地看到，即离散位置或电平检测是仅需要几个位置时的理想选择。当应用程序需要更精细的分辨率时，为每个位置添加每个位置的设备的方法在其每种位置添加到成本且空间地挑战。

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×V_DD)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_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Hall-effect devices respond throughout the range of sensed magnet flux, outputting a ratiometric analog signal.

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。亚博尊贵会员

按配置滑动

在标准逐件施加中，磁体在封装的面上移动，使得霍尔元件感测一个或两个磁极，如图6所示。可以有效地有三个位置，电压输出为零：（a）在磁铁足够接近的情况下，例如由装置感测到的场，（b）磁极之间的零交叉（b = 0）直接与霍尔元件相邻，并且一旦磁体有通过该装置移动超过设备，即在元件处不再可检测到足够的场景。有效地，输出电压的变化为2.5到0 V（假设V._DD由于磁场的北极通过了包装的底部，并且在南极通过了包装的面部，从2.5到5.0 V.这通常标记为双向感测。

Figure 6. Slide-by application configuration and response curve, showing separate nodes for the peaks at the north pole and at the south pole.

当然也可以在设备上感测仅一个极点的变化，尽管这可能会限制可用范围。被称为单向感测，然后将输出的变化限制为仅为2.5V的标准线性。为了获得全方位的操作，必须使用此功能使用用户可编程线性。然后，可以使用从霍尔效应IC输出的电压的变化作为脸部的场发生变化来确定移动磁体的相对位置。然后可以采用标准微处理器上的A-TO-D转换器和简单的查找表来传达实际位置。在这种情况下，分辨率（可以检测的位置的数量）是关于A-TO-D转换器的解析能力的预测，但模拟信号提供了相对无限的位置。

An example of an application that can use slide-by sensing is valve position, diagrammed in figure 7. In this application often the magnet is a two-pole ring magnet that rotates in front (slides by the face) of the Hall-effect package. As the opposing magnetic fields pass in front of the element, the voltage output changes proportionately to the change in field strength. By means of precise sensing, the position of the valve can be controlled to dictate more accurately the flow of a substance through a carrier.

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。

Head-On Configurations

头部位置感测与逐个配置的单向传感非常相似。实质上，线性霍尔IC仅区分一个磁极的磁场强度的变化，这可以是北方或南极极性。检测图案是简单的。当磁体接近器件时，由IC检测的场增加，并且在移除磁体时，场强降低，如图8所示。

Figure 8. Head-on application configuration and response curve, showing a monotonic characteristic regardless of pole orientation.

Detecting the height of the deck on a treadmill illustrates well the uses of a head-on sensing technique. When the height of the deck is altered to change the gradient for the runner, a linear Hall IC can be used to detect the displacement of the deck. Typically the magnet is attached to the deck itself while the sensor assembly remains stationary. As the runner increases or decreases the gradient of the deck, the sensor IC provides feedback to the control module as to the relative displacement, by means of the change in field strength witnessed by the Hall element.

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。

Therefore for discrete position sensing, it is always good practice to determine the effective air gap, from the face of the package to the magnet, at the required switching position, and then determine the maximum and minimum field strengths, over the rated temperature range, at that distance. This value should then be compared to the maximum rated operating switchpoint for each alternative device.

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：

where:

• Br=材料的剩余磁感应系数，单位：G，
• L = Length of the magnet, in mm,
• X=磁铁表面和设备之间的距离，单位为mm，以及
• r =磁铁的半径，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。

设计师的拇指很好的规则是确定，在设备的所需位置，在最大额定切换点处需要比所需的现场强度更多。例如，如果使用B的单极开关是必需的_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。

Designing Linear Applications

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_applied（G） =B级_最大–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。

Entering these into the general equation:

增益（mV/G）=3000 mV/200 G

= 15 mV / g。

当然，在实际应用中，传递函数不是完全线性的，系统中亚博尊贵会员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：

• 静态输出电压的变化作为温度的函数，V_出（q）（助教），
• 灵敏度（增益）随温度的变化，V_{传感器（Q）}（ta），和
• 在给定的磁场强度范围内器件的线性度。

线性Hall-effect ICs can be back-biased with a magnetic field in order to sense ferrous targets. For example, Hall IC-based sensors are widely accepted in the automotive industry to accurately sense the position of cam lobes and the speed of crankshafts in engines, in order to improve timing and thereby grant more efficient consumption of fuel. The high bandwidth capability of many Hall-effect linears allows them to be used to sense changes in current for DC-to-DC converters and battery management systems in hybrid vehicles.

摘要

Obviously these are simplified examples of applications that can employ Hall-effect sensing, and very compressed descriptions of capabilities and features offered by this technology. Other interesting examples of important Hall technology options include:

• 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亚博尊贵会员都是一种故障状态，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。亚博尊贵会员
• 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，推亚博尊贵会员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。