霍尔效应和簧片开关传感器的应用指南

在前一篇文章讨论了关注整个系统设计而不是磁路的某个特定部件的重要性。在那些需要定制传感器的系统中，设计师必须量化整个系统的环境、机械、电气和磁参数，以便能够选择满足这些操作条件的传感器。

也在第一篇文章中提到过,清晰和设计师之间的直接沟通,OEM制造商,和客户需要维护在整个设计过程中,这样的操作要求任何传感器和系统作为一个整体可以明确定义和理解所涉及的各方。如果没有这种持续的通信，一个能按需要工作的强大电路几乎不可能被设计出来。相反，如果设计团队在整个过程中都有良好的沟通，就可以开发出满足或超过所有已知设计参数的可靠电路。

本文将进一步研究如何在模拟和数字应用中选择磁传感技术。它还将定义和描述簧片和霍尔效应传感器的好处，同时提供利用这些传感器的微处理器控制应用实例。

数字传感器:在离散应用中提供高可靠性

许多应用程序利用数字输出来确定物体是否处于某一特定位置。例如，传感器可以用来验证机器上的安全防护是否到位。如果防护就位，机器就会运转。否则，机器将无法运行。在这种离散应用中，数字输出是必需的。以下数字传感器为定制磁敏感应用提供卓越的可靠性:

簧片开关:优点和应用

簧片开关是一种不需要功率就能像集成电路那样工作的电气开关。触点密封在一个玻璃管内，玻璃管内使用贵金属触点材料。因此，该开关是高度可靠的，因为它不受湿度或其他环境因素的影响。因此，触点将不会氧化，并将继续与逻辑级负载运行数百万次循环。

簧片开关在电池供电的应用中非常受欢迎。它们被用于汽车安全产品，如安全带扣夹紧/闭合检测传感器和碰撞检测碰撞传感器。由于簧片传感器可以开关交流或直流负载，它们是数字开关应用的热门选择，如安防和家用电器市场的门关闭检测。

例如，冰箱门使用簧片开关进行门的关闭检测。磁铁安装在门上，簧片传感器安装在隐藏在冰箱外墙后面的固定框架上。当门打开时，磁簧传感器无法感应到磁场，导致LED灯泡打开。当门关闭时，传感器检测到合适的磁场，LED关闭。在这种应用中，器具内的微控制器从簧片传感器获得信号，然后控制单元激活或关闭LED。

图1:用于冰箱门开关LED灯的簧片传感器

数字霍尔效应传感器:优点和应用

数字霍尔效应传感器是基于半导体的，其输出电压随磁场的变化而变化。这些传感器将霍尔效应传感元件与电路相结合，在不使用任何运动部件的情况下，提供与磁场变化相对应的数字开关输出信号。霍尔效应单元仅限于低直流电压和电流的应用。与簧片开关不同，霍尔效应装置包含有源电路，因此它在任何时候都能吸收少量电流。

数字霍尔效应传感器提供了高可靠性，并可以编程激活在给定的磁场公差，以满足精确的传感需求。

这些传感器非常受欢迎的高速传感应用在白色家电，如洗衣机和烘干机。在这个应用中，一个旋转的16极环形磁铁激活霍尔效应芯片与每个通过的红色(北极)段，并使其失效与每个通过的白色(南极)段，导致非常精确的速度信号。数字霍尔效应传感器是特别有用的汽车安全应用，如安全带扣夹检测和变速器齿轮齿速度传感。

图2:霍尔效应速度传感应用示意图

模拟/比率传感器增加稳定性和准确性

模拟传感应用允许终端用户获得磁体位置的瞬时反馈。模拟霍尔效应传感器具有高精度、高分辨率的比率输出信号。

以前，模拟霍尔效应传感器测量磁体的磁通密度，受到应用的温度值的很大影响。由于模拟霍尔效应技术近年来的发展，霍尔效应芯片现在测量的是磁通场的角度，而不是传统的振幅，这使得它对温度变化的敏感性大大降低。这种改进使传感器能够在较大的温度范围内提供更稳定的模拟输出

考虑两种类型的霍尔效应传感器，可以选择自定义模拟传感应用:

旋转霍尔效应传感器:优点和应用

这种基于半导体的传感器根据磁场的变化改变输出电压。它将霍尔效应传感元件与电路相结合，在不涉及任何运动部件的情况下，提供对应于旋转磁场变化的模拟输出信号。该传感器提供两个输出选项:模拟或脉宽调制(PWM)。该设备是可编程的，因此工程师可以将特定的输出电压或PWM与精确的旋转度相关联。多个编程点可进行360度旋转。每个编程点代表一个电压或PWM输出值，对应于给定的磁场角度。这导致了一个相对于旋转度的比率输出信号。

与机械旋转或电阻膜旋转装置不同，旋转霍尔效应传感器不会经历机械磨损或电阻值的变化。此外，它在正常工作温度为+105°C时非常稳定。单位精确从0-360度旋转0.5 V-4.5 VDC输出或10-90%占空比PWM。

旋转霍尔效应传感器已成为替代电阻膜或电位器的机械器件。它们被用于汽车和非公路应用，如检测发动机上的EGR气门位置。这些传感器也可用于在家电和白色家电应用中检测拨盘位置。

图3:旋转式霍尔效应传感器用于洗衣机控制拨盘

线性霍尔传感器:优点和应用

线性霍尔效应传感器与旋转霍尔效应传感器相似，不同之处是它们测量的是磁场的线性运动而不是旋转。霍尔效应传感器是可编程的一组输出电压，是比率测量的给定旅行距离。输出选项与旋转霍尔效果相同。该传感器通过单个霍尔效应芯片测量磁性致动器的线性运动和相对磁通角，可达30毫米的移动距离。这导致一个比率输出信号相对于传感器的精确运动。

传感器和执行器可以放置在应用程序的最终安装区域，这将包括来自附近环境的所有磁场影响，然后编程输出电压或PWM值，以对应于驱动磁铁的相对磁场值。这使得工程师可以优化应用程序的输出，因为任何分流、机械公差或磁场的叠加公差都将包含在编程环境中。

线性霍尔效应传感器通常用作液位传感器，用于监测流体的液位。在这个应用中，传感器检测移动的浮子的位置，它有一个磁铁附着在上面。线性传感器也有利于更复杂的设计，如汽车变速器换挡。

结论

这篇文章及其配套文章解释了一种开发需要定制传感器的最佳磁路的方法。在开始设计过程之前，与客户和OEM制造商一起明确定义整个系统设计的参数总是谨慎的。

在那些需要定制传感器的电路中，如复杂的微处理器控制应用程序，簧片开关和霍尔效应传感器提供了高度可重复和可靠的非接触技术。数字输出可用于簧片开关和霍尔效应传感器，该技术广泛应用于白色家电和汽车市场。类似地，这两种类型的传感器都可以设计用于定制模拟应用，在这些应用中需要高水平的精度和稳定性。

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