使用霍尔效应传感技术的位置和水平传感
使用霍尔效应传感技术的位置和水平传感
由Gary Pepka，All亚博棋牌游戏egro Microsystems，LLC
摘要
近年来，霍尔效应(磁场)传感技术的发展使其应用成为现实。亚博尊贵会员本文介绍了霍尔效应技术，然后探讨了它是如何应用的，特别是区分主要类型的霍尔传感器集成电路，以及它们可以支持的高度差异化的传感行为范围。此外，它还探索了一些可行的技术，如信号处理方面的进步，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的应用范围比以往任何时候都更广泛，具有极高的可靠性。亚博尊贵会员
除了提供支持技术的改进之外，霍尔效应设备本身已经推出，有助于完整解决方案的设计。这些进步包括减少电源和空间，以及允许霍尔传感器IC的诊断和保护功能的集成，以便在小型化便携式消费电子，汽车和其他不断增长的行业中提供更高的数据驱动功能。
介绍
利用广泛的各种解决方案可用于定位传感和水平传感，设计人员可以选择最佳技术和包，以满足其商业和工程目标。在这些解决方案中，霍尔效应技术，其应用于非接触式磁感，提供了卓越的价值和可靠性。本申请说明审查了霍尔效应技术的好处以及这些设备的最新发展如何增强位置和水平传感结果。
霍尔效应的好处
当有需要这些功能的应用程序时，可能几乎存在感测位置和级别的方式。亚博尊贵会员电感，电容，机械，磁阻，霍尔效应和光学，只有几个，是所有可行的传感选项，列表继续扩大。然而，对于设计人员来说，始终存在需要解决的关键元素，并且不可避免地将应用程序的要求与适当的传感技术进行处理。
关键的要求，如:成本，旅行距离(有效的操作气隙)，分辨率，精度，经常再次成本，都需要确定有效和高效地选择合适的传感技术。当然，为这些元素构建答案并不总是一项简单的任务。不过，霍尔效应传感技术的灵活性在这方面是最有优势的。高可靠性，小尺寸，可行的生产成本，宽的工作电压范围，多种输出选择，易于实现，使霍尔效应传感技术服务于几乎每个市场的应用。亚博尊贵会员
Hall技术概述
首先，霍尔效应技术如何运作的简要教程。简单地说，大厅效果，所以以先生Edwin Hall和1879年发现的命名，是指导电材料上的可测量电压，例如硅（Si）或砷化镓（GaAs），当电流流过a时发生导体受磁场的影响（参见图1）。由磁场产生的该横向力被称为洛伦兹力。因此，霍尔效应装置需要磁场以致动该装置。
图1所示。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。
尽管霍尔效应技术在今天很普遍，但直到20世纪80年代，它才真正开始获得大众的认可。这是因为穿过霍尔元件的电压电位是极小的，并且可能受到外部力的影响，如温度和封装应力。如图2所示，除了利用片上偏移抵消技术外，最近的设备在放大信号能力方面也取得了进步，这使得霍尔效应传感技术甚至可以在极端环境条件下使用，比如汽车引罩下的应用。亚博尊贵会员此外，霍尔效应集成电路的“非接触”操作为用户提供了近乎无限的驱动和开关寿命。
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，制造出实用的器件。
霍尔设备选项
进一步研究需要考虑位置或电平传感应用的元件，霍尔效应集成电路为设计师提供了多种特性和变化，包括数字或模拟输出。前者的选择是最理想的感知离散位置，而后者为用户提供相对无限的位置，以获得更大的分辨率。一些需要离散位置或水平传感的应用实亚博尊贵会员例有:汽车换挡器、安全带扣开关、座位位置传感器、蜂窝翻盖手机、无刷直流电机换向、挡风玻璃雨刷液罐和油箱，等等。由于其高可靠性，霍尔效应技术被用于替代簧片开关和机械开关的应用。亚博尊贵会员
大多数霍尔效应开关的输出结构是开放漏极和提供低电阻，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，等等)的接口。典型的漏极开路输出，一旦“接通”，霍尔效应器件的输出电压从高到低转换。话虽如此，霍尔效应集成电路有大量的变化，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。亚博尊贵会员这些变化包括如下特性:微功耗、磁极无关的传感、用户可编程选项、两线电流源输出设备、用于传感铁靶的磁偏置和反向输出。这些问题不可能在一次讨论中得到充分的讨论，本文的重点是标准设备:它们的操作和应用程序的使用。
标准霍尔设备特性
标准数字位置和电平传感器IC的三种常见变化：单极，锁定和双极。通过单极开关，致动是由足够强度的磁场引起的，以“开启”。通常b南(B表示磁通密度)必须大于磁工作点B人事处，以便打开这些设备。一旦磁场减小到磁释放点以下，BRP，则这些设备返回“关闭”状态。
锁存装置以类似于单极开关的方式打开。然而，只有当器件看到足够的相反极性的磁场强度B时，闭锁器件才能被关闭(不闭锁)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，它们不能保证作为一个锁存器运行。在某些情况下，双极开关可以有开关点(B人事处和BRP)，使得它们可以作为标准的单极开关，甚至是负极性开关(只有在存在足够的北磁极的情况下才会开关)。
低分辨率的应用程序亚博尊贵会员
使用离散位置感测的应用的一个很好的例子是汽车换档选择器。在移位选择器中，通常少于五个离散位置（公园，反向，中性，驱动器和低）。利用放置在每个单独位置的单极开关（P，R，N，D和L），当移位器中的磁体直接邻近开关时，每个开关仅接通，如图3所示。
图3。霍尔器件可以用作接近开关，与传感位置一对一匹配，或通过使用多个器件分析磁串音来排列提供额外的传感位置。
如果设计者需要额外的位置，设备之间的间距可以缩小，从而在设备之间产生“串音”。通过这种方式，当磁铁与两个设备足够接近，两个设备都打开时，就可以获得额外的位置，从而将位置的数量从，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，如灰色码或密集压缩十进制(DPD)，可以用来解码逻辑和获取位置信息。
类似地，这种策略可用于通过内部浮选装置感测罐中的液体水平，如图4所示。随着磁体浮动，随着流体水平的变化，离散水平上下的变化通过该传感器IC处于ON状态确定。
图4。液位传感技术在储液罐中的应用球形浮子与按钮磁铁内部骑在流体表面，而霍尔设备和线路完全隔离在一个单独的腔室。
高分辨率的应用程序亚博尊贵会员
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。
进入带有模拟输出的线性霍尔效应器件。与数字开关类似，线性开关具有丰富的特性;例如，比率输出，用户可编程性，数字输出(如PWM)，以及单向或双向传感。与前面对离散位置或电平的器件的描述一样，本文将只集中讨论标准线性霍尔效应传感器ic:它们的操作方式和应用用途。
大多数标准线性霍尔效应传感器ic具有比率输出(0.5 × V)DD.)，与磁场强度成正比。这些器件通常需要5.0 V稳压电源和QVO(静态电压输出，V(问))为2.5 V(见图5)。当从磁体南极感应到增大的磁场时，输出电压增大，接近5.0 V。相反，当从磁体北极感应到增大的磁场时，输出电压会降低，接近0 V。
图5.线性霍尔效应装置在传感磁通量范围内响应，输出比模拟信号。
线性器件的应用有两种常见的配置，它们构成了大多数设计的基础。亚博尊贵会员这些技术被称为滑动和正面。
按配置滑动
在标准的滑动应用程序中，一个磁铁穿过封装的表面，使霍尔元件感知一个或两个磁极，如图6所示。实际上可以有三个位置的电压输出为零:(a)字段的磁铁是足够接近之前感觉到的设备,(b)一旦零交叉(b = 0)两极之间直接相邻的霍尔元件,和(c)一旦磁铁已经过去的设备足够远,不再有足够的现场检测的元素。实际上，输出电压的变化从2.5 V到0 V(假设VDD.为5 V)，当磁场北极经过包的表面时，磁场南极经过包的表面时，磁场从2.5 V到5.0 V。这通常被标记为双向感应。
图6.按应用配置和响应曲线滑动，显示北极和南极峰的单独节点。
当然，也有可能在整个设备上只感知一个极点的变化，尽管这可能会限制可用范围。被称为单向传感，输出的变化被限制在只有2.5 V的标准线性。要获得全范围的操作，必须使用具有此功能的用户可编程线性。霍尔效应IC输出的电压随着磁场在表面的变化可以用来确定运动磁铁的相对位置。然后在标准微处理器上使用a - d转换器和一个简单的查找表来传递实际位置。在这种情况下，分辨率(可以检测到的位置数量)是基于a - d转换器的分辨能力，但模拟信号提供了相对无限的位置数量。
可以使用滑块的应用程序的一个例子是阀门位置，如图7所示。在本申请中，磁体通常是一个双极环形磁体，其在霍尔效应包的前面（窗口的载玻片）旋转．当相对的磁场通过元件前面时，电压输出与场强的变化相比成比例地变化。借助于精确感测，可以控制阀的位置以更精确地通过载体更准确地示出物质的流动。
图7。阀门位置传感是经过验证的玻尔集成电路配置的应用。
正面配置
正面位置传感与滑动结构的单向传感非常相似。本质上，线性霍尔集成电路只区分一个磁极的磁场强度的变化，这个磁极可以是南北极性。检测模式很简单。当磁铁靠近器件时，集成电路检测到的磁场增大，当磁铁移开时，磁场强度减小，如图8所示。
图8.头部应用配置和响应曲线，显示出单调特性，无论极点方向如何。
在跑步机上检测甲板的高度说明了头部传感技术的用途。当甲板的高度被改变以改变跑步者的梯度时，可以使用线性霍尔IC来检测甲板的位移。通常，磁体在传感器组件保持静止时附接到甲板本身。当转换器增加或减少甲板的梯度时，传感器IC通过霍尔元件目击所目的的场强的变化向控制模块提供反馈。
确定现场规范
与任何技术一样，使用霍尔效应传感器IC设计应用程序时存在一些具体的考虑因素。仔细选择磁铁是至关重要的，包括形状和放置，如图9所示。磁场强度在距离下呈指数呈指数下降。此外，磁铁具有需要考虑的温度系数。
图9.该模型描绘了纽扣磁铁的场强的变化（类似于图10的类似）。箭头代表磁通线。线路越靠近磁铁，较强的场强。
因此，对于离散位置感测，在所需的切换位置，从封装的面部到磁体的面部始终是良好的做法，然后在所需的切换位置，然后确定在额定温度范围内的最大和最小场强，在那个距离。然后应将该值与每个替代设备的最大额定操作开关进行比较。
图10中提供了通过有效气隙估计场劣化的图表和公式。可以使用以下公式计算这种改变：
在哪里：
- Br =材料的剩余磁电感，以G表示，
- L =磁铁的长度，mm，
- X =磁铁表面与设备之间的距离，单位为毫米
- R =磁体半径，单位为毫米。
该图表反映了按钮磁铁的典型结果，类似于图9的典型结果，由NDFE组成，额定为30米（OE = 100 microTesla，微型; T），厚度为2毫米，厚度为1毫米。
对于设计人员来说，一个好的经验法则是确保在设备开关所需的位置，比最大额定开关点所需的场强至少多10%。例如，如果需要带B的单极开关人事处(最大)在一定距离处开启，则该距离处的场强在所有情况下均不小于55 G。
设计线性应用亚博尊贵会员
数字霍尔效应开关只需要一定的磁场强度和极性就可以启动，而线性器件则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在给定距离下的分辨率。因此，无论应用程序是滑动的还是正面的，都必须选择适当的增益。
为了做到这一点，必须建立两个已知的端点和所需的分辨率(数据点的数量)。下面是一个简单的确定适当增益的例子。
假设应用要求如图11所示，可用的线性范围应为3 V。当磁铁穿过设备时，整个范围将是200g(高斯;10g = 1毫特斯拉，mT)。除以输出电压的变化量V出去，通过应用领域的变化，Bapplied，为这种应用提供了合适的线性霍尔效应器件增益。
为了提高清晰度，这里是该示例的等式和结果。一般方程是：
要使用示例数据，首先转换V出去从V到mV。
然后：
V出去= V.- - - - - -VOUT1.
= 4000mv - 1000mv
= 3000 mV（完整的线性范围），
和
B应用(G) = B马克斯- B.最小值
= 100g - (- 100g) = 200g
注:应用的代数惯例是:B的正值表示南极性，B的负值表示北极性。
进入一般方程式：
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，系统中可亚博尊贵会员能存在固有的偏移。因此，必须进一步考虑应用程序所需的精度，以及必须读取输出的a - d转换器或类似设备的分辨能力，以及磁体的温度系数。
在这些情况下有助于考虑：
- 静态输出电压的变化作为温度的函数，V(问)(助教)
- 灵敏度的变化（增益）作为温度，V的函数SENS（Q）(TA)和
- 器件在给定磁场强度范围内的线性度。
线性霍尔效应IC可以用磁场反向偏置，以感测含铁靶。例如，基于Hall基于AC的传感器在汽车行业中广泛接受，以精确地感知凸轮凸起的位置和发动机中的曲轴速度，以改善定时，从而赋予更有效的燃料消耗。许多霍尔效应线性的高带宽能力允许它们用于在混合动力车辆中感测DC-DC转换器和电池管理系统的电流变化。
总结
显然这些是可以使用霍尔效应感测的应用程序的简化示例，以及这种技术提供的能力和功能的非常亚博尊贵会员压缩的描述。重要的霍尔技术选项的其他有趣例子包括：
- 双线设备的电流源输出是安全关键应用的理想选择，例如座椅位置和安全带扣传感器。亚博尊贵会员这是因为这些设备输出了两个不同的电流电平，以指示开启和关闭状态。偏离这些级别的任何输出都是故障条件，为用户提供固有的诊断。
- 极低电流draw (<5 W)允许霍尔效应集成电路用于开路/闭合电路传感器。这在耗电敏感的电池操作应用中尤其有价值，例如:移动翻盖手机、笔记本电脑和寻呼机。亚博尊贵会员
- 通过各种包选项进一步增强了这些传感器IC的灵活性。一些微铅封装（MLP，也称为无引线DFN或QFN封装）的小于2.0×2.0×0.5mm，而其他物质足以包括钐钴磁铁以反向偏置IC。
它是霍尔效应技术可以提供的无数的应用，这亚博尊贵会员些技术推动了这些设备的不断增长的多样性。结果，该技术继续发展。持续减少尺寸和持续增长能力LENT HALL技术，是几乎任何位置或级别传感应用的可行解决方案。