霍爾效應傳感器的介紹及特殊應用
2021/2/20 21:54:01 點擊：
開關型霍爾效應傳感器是磁敏接近式傳感器，具有應用靈活、寬工作電壓范圍和采樣頻率高等特點，是一種可靠性高無接觸清潔型傳感器，在位置傳感、旋轉測量等方面得到了廣泛應用。開關型霍爾效應傳感器主要分單極接近型和雙極鎖存型，其基本原理和應用不再闡述，以下介紹幾種在位置傳感和旋轉測量中的特殊用法。
1 雙極性開關型霍爾效應傳感器
成品霍爾傳感器在芯片封裝時無統一標準，或用磁體的S極觸發，或用N極觸發，當磁體是嵌入固定時，用戶在維護和更換時需要對磁體極性做出判別，應用不便。雙極性開關型霍爾傳感器則無須判別磁體極性，具有很大的靈活性和方便性。
1．1 基本原理
霍爾芯片SS3144的某一個感應面為磁體的S極敏感，假設該面為s面，那么另一面一定是N極敏感，假設該面叫N面。
將兩個開關型霍爾芯片A、B貼近疊放在一起，A芯片在前且s面朝外，B芯片在后且N面朝外，兩芯片的開路輸出0a、0b連接作為一個輸出端，共用同一電源，并封裝在一個銅質羅栓裝置中，芯片的作用面朝向磁體的磁極N或S，結構原理參見圖1。
1．2 實現方法 由于A、B芯片前后疊放，磁場要穿過A芯片作用B芯片的敏感面，顯然B芯片的靈敏度會有所下降。實驗證明磁體對底層B芯片的觸發距離與A芯片相比減少1．5mm左右，為補償B芯片靈敏度的降低，可通過在其背后襯加一小鐵磁質材料的方法來補償。稀土磁鋼的磁場無須補償就能夠穿過A芯片并能作用觸發B芯片，當S極接近傳感器時，A芯片輸出，N極接近傳感器時，B芯片輸出。這樣，無論磁體的那個磁極接近傳感器，總有一個芯片輸出，而對磁體的極性無需關心。雙極性開關型霍爾效應傳感器優點是無須關心磁體極性，傳感器的互換性強，更換維護方便。不足的是采用兩個芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距離稍微減少。
2 霍爾效應高速旋轉編碼器
精確測量旋轉角時常采用光電旋轉編碼器來實現，但在使用環境惡劣和精度要求不高的場合，使用光電旋轉編碼器會造成系統成本過高，為提高可靠性一般采用多個廉價可靠的開關型霍爾效應傳感器按不同的角度位置安裝，用旋轉的磁體分別掠過傳感器的作用面來采樣。當采樣點較多時，這種方法使用的傳感器數量和信號線較多，安裝不便，且占用控制系統接口資源較多。
2．1 基本原理 同雙極性開關型霍爾效應傳感器，不同點是A、B兩芯片分別輸出。其中芯片A作為起始”零點”脈沖輸出，芯片B作為旋轉角度”順序”脈沖輸出，無論采樣點是多少，只需安裝一支旋轉編碼傳感器，一條四芯電纜線，占用兩個系統接口，結構原理參見附圖1。
2．2 實現方法 安裝磁體時，其中只有一個比如s極朝向傳感器的作用面，其它磁體N極朝向作用面，當磁體旋轉時，s極作用開關型霍爾效應旋轉編碼器時，編碼器輸出一個零點脈沖，而N極作用旋轉編碼器時則是序列脈沖輸出，由控制系統做出判斷和計量，見附圖1。由于磁體間有較大間隙，零點脈沖與序列脈沖并不重疊，采用兩線輸入，控制系統的軟件處理非常簡單。
這種傳感器優點是用一個傳感器代替多個傳感器，安裝簡單成本低，采樣點越多，優越性越明顯。不足的是兩個輸出的脈沖寬度與旋轉速度有關；采樣點較多時，需要較大直徑的磁體安裝輪。在印刷設備的程序控制系統中，采用了開關型霍爾效應旋轉編碼器，簡化了系統設計，減少了傳感器數量。
3 磁偏置霍爾效應高速齒輪接近開關
電容或電感式接近開關由于工作頻率低，難以滿足高速旋轉的測量。而能滿足高速測量的齒輪傳感器則價格相對昂貴。可利用開關型霍爾效應傳感器芯片設計廉價的高速霍爾效應接近開關，參見附圖2。
3．1 基本原理 開關型霍爾效應傳感器對磁感應強度有一臨界值，磁感應強度超過臨界值時霍爾芯片被觸發輸出。采用順磁物質或加大磁通量，可增強磁感應強度，鐵質齒輪正好能滿足這一要求。
3．2 實現方法 將一小型高強度磁體與霍爾芯片封裝在一個傳感器中，磁體與芯片的距離稍大于臨界觸發距離，這時芯片無輸出，相當于給芯片預加一磁偏置。當鐵磁質接近傳感器時，由于鐵磁質產生較強的附加磁場，與原磁感應強度方向相同，加強了作用于霍爾芯片的磁感應強度，當強度大于臨界觸發強度時芯片有接近信號輸出。這種傳感器的優點是測量速度高達10KHz，且成本低廉。在高溫、高濕、飛花落塵嚴重的惡劣環境中，性能穩定，效果較好。不足的是這種設計只能檢測鐵磁質，作用距離稍近，須選用磁感應強度長期穩定的磁體。
4 霍爾效應可逆計量傳感器
光電可逆計量傳感器具有較為復雜的轉換電路和機械傳動裝置，價格相對昂貴，安裝精度要求高，存在傳動摩擦，不利于高速連續運轉。利用鎖存型霍爾效傳感器配合簡單的轉化電路可實現可逆計量，克服了光電可逆計量傳感器的缺點，性能價格比高。
4．1 基本原理 鎖存型霍爾效應傳感器A3290具有觸發鎖存特點，需采用磁體的N、s極交替觸發才有信號輸出，單極性磁極觸發不能輸出連續脈沖，因此N、S極間隔影響輸出脈沖寬度。利用這一特點，合理安排磁極安裝位置，鎖存型霍爾效傳感器可設計轉向判定傳感器，用于可逆計量。
圖3霍爾效應可逆計量傳感器電路原理
4．2 實現方法 雙磁鐵采用非對稱安裝，其中一個磁鐵的s極朝外，另一個N極朝外，參見圖3。假設s極置位霍爾傳感器HL，N極復位傳感器，顯然磁極順時針和逆時針分別掠過HL時，輸出脈沖寬度不同。電路中IC為六施密特觸發器，IC—B和IC—C將HL的輸出信號反相并分為兩路信號，一路輸入到由R1、C1與IC—A構成的微分電路，輸出計量脈沖。另一路輸入到由R2、C2與IC—D構成的積分電路。合理選取R2、C2參數，使積分電路對寬脈沖能夠積分到IC—D的輸入門限電壓，而對窄脈沖則不能。顯然磁鐵逆時針轉動時IC—D輸出高電平，順時針旋轉時IC—D輸出低電平。采樣輪的正反轉得到判斷，并輸出可逆計量控制電平。
這種傳感器的優點是電路簡單，特別適于高速旋轉采樣系統，不足的是低速旋轉會影響判斷。實際應用時為修正低速缺點，采樣輪直徑盡量大，s、N極要盡量靠近。
霍爾效應傳感器技術成熟、應用廣泛，但其衍生產品大多具有專用特點，價格相對昂貴。基于價格低廉開關型霍爾傳感器設計的幾種特殊用法傳感器，電路簡單，可與芯片一起封裝。設計合適的采樣輪，可實現上述幾種傳感器的相應功能，對于簡化設計、提高穩定性、可靠性和降低控制系統成本，具有現實意義。
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