數字磁傳感器是一種這樣的設備，其中，由于存在外部磁場，輸出開關會在ON和OFF狀態之間切換。這種類型的基礎上的物理原理的裝置的霍爾效應，被廣泛地用作接近，定位，速度和電流檢測傳感器。與機械開關不同，它們是一種持久的解決方案，因為它們沒有機械磨損，即使在特別關鍵的環境條件下也可以工作。由于具有非接觸式操作，無需維護，堅固耐用以及對振動，灰塵和液體具有免疫力等特性，數字磁傳感器正變得越來越普遍，尤其是在汽車和消費電子領域。

例如，在汽車領域，這些傳感器用于檢測位置，距離和速度。在發動機內部，它們用于標識曲軸的位置，在乘客艙中，用于檢測座椅和安全帶的位置（用于操作安全氣囊控制系統的基本信息），在車輪上，它們用于檢測車輪位置。檢測ABS所需的旋轉速度。

工作原理

每個磁傳感器的心臟由霍爾元件表示，霍爾元件的輸出電壓（也稱為霍爾電壓，用VH表示）與通過半導體材料的磁場強度成正比。由于該電壓非常低，約為幾微伏，因此必須在設計中包括其他組件，例如運算放大器，電壓比較器，電壓調節器和輸出驅動器。根據輸出的類型，磁傳感器分為線性和數字兩種，其中線性輸出和線性數字傳感器之間呈線性關系，在線性輸出中，模擬輸出電壓隨磁場強度線性變化。在數字輸出中，傳感器只能呈現兩種狀態。在這兩種情況下，VH電壓均滿足以下公式：

VH= RH·（（B·I）/ t）

其中：VH是以伏特為單位的霍爾電壓，RH是霍爾效應系數，I是以安培為單位流經傳感器的電流，t是以毫米為單位的傳感器厚度，B是以特斯拉表示的磁通密度。圖1顯示了通用線性霍爾效應傳感器的框圖，而圖2的框圖涉及數字傳感器。霍爾元件如圖1所示通過帶有“ X”的方框，并且根據類型，傳感器可能包括多個相同類型的單元（需要兩個來檢測差分磁場，三個用于檢測方向或運動）。為了增加接口的靈活性，模擬傳感器通常包括一個開路發射極，開路集電極或推挽晶體管，它們連接到差分放大器的輸出。兩種方案之間的主要區別在于，具有數字輸出的傳感器包括一個內置遲滯的施密特觸發器，該觸發器與運算放大器相連。

圖1：線性（模擬輸出）霍爾效應傳感器的框圖

當通過傳感器的磁通量超過某個閾值時，輸出將從OFF切換到ON。磁滯用于消除傳感器進入和離開磁場時輸出信號的任何振蕩。基于霍爾效應的設備分為單極和雙極傳感器。雙極傳感器需要正磁場（南極）才能運行，而負磁場（北極）則需要釋放。單極傳感器需要一個磁極（南極）來進行操作和釋放。此外，傳感器通常設計為在沒有電磁場的情況下在OFF狀態（開路）下產生輸出，并在受到足夠強度和正確磁場的情況下在ON狀態（閉路）下輸出。極性。

圖2：數字霍爾效應傳感器的框圖

應用領域

不管具體的應用類型如何，霍爾效應傳感器正確操作的基本要求是磁通線始終垂直于傳感器表面并具有正確的極性。數字磁傳感器的應用很多，包括汽車，消費電子，電子醫療系統，電信，工業過程控制。位置傳感器用于檢測磁體和傳感器之間的滑動運動，兩個元素之間的距離很短。磁體和傳感器之間的相對運動在傳感器向南移動時產生正磁場，而在傳感器向北極移動時產生負磁場。

可以使用幾種技術來確定位置：例如，如果應用程序需要有限且離散的位置，則可以使用簡單的開關，而對于需要更高精度的應用程序，可以將線性設備與微處理器結合使用。位置或接近傳感器還可以用于監視液體的液位，并應用于洗衣機或洗碗機等家用電器中。在這種情況下，將幾個霍爾開關與放置在浮子上的磁鐵結合使用。

當浮子在管內上升時，將激活位于外殼外部的相應分立開關，以數字方式指示水位。另一個重要的應用涉及直流無刷電動機，其速度由電氣換向而不是機械換向控制。在這方面，三個數字磁傳感器位于電機定子上，而永磁體則位于轉子軸上。汽車行業已成為全球磁場傳感器市場的領導者，占據了40％以上的市場份額。將多種安全功能集成到汽車中的需求不斷增加，為霍爾傳感器創造了機會，該傳感器已在電子穩定控制系統（ESC）和防抱死制動系統（ABS）等幾種與安全相關的應用中得到利用。

用于位置檢測的數字磁傳感器的一個示例是Allegro MicroSystemsA1210-A1214設備系列。A121x系列傳感器獲得了汽車應用的AEC-Q100認證，具有很高的可靠性，并在擴展的溫度范圍內保持穩定，連續的運行，強大的EMC性能以及較高的ESD額定值。A1210-A1214霍爾效應鎖存器在單個硅芯片上包括以下組件：穩壓器，霍爾電壓發生器，小信號放大器，施密特觸發器和NMOS輸出晶體管。

當垂直于霍爾元件的磁場超過工作點閾值時，這些設備的輸出切換為低電平（接通）。傳感器具有閂鎖行為，即足夠強度的南極會打開設備，并且在移除南極后仍會保持打開狀態。當磁場減小到釋放點以下時，傳感器輸出變高（關閉）。磁操作點和釋放點的差異是設備的磁滯。

磁傳感器也適用于精確檢測角位置。一個示例是AMS AS5048A / AS5048B磁性旋轉編碼器，一種傳感器，可提供14位高分辨率輸出以進行360°角度位置檢測。圖3顯示了該設備的主要功能模塊：霍爾傳感器，模數轉換器和數字信號處理。磁鐵的絕對位置可以通過PWM輸出直接訪問，并且可以通過標準SPI或高速I2C接口（取決于型號）來獲取。零位置可以通過SPI或I2C命令進行編程，因為不需要對磁鐵進行機械對準，從而簡化了整個系統。傳感器可以承受未對準，氣隙變化，溫度和外部磁場變化的影響。可靠性，魯棒性和寬溫度范圍使其成為苛刻的工業和醫療環境中旋轉角度感測的理想選擇。

圖3：AS5048A的主要功能塊[來源：AMS]

結論

數字磁性霍爾效應傳感器以其堅固性，耐用性和適用于任何位置傳感應用的可靠操作而在設計人員中廣為人知。不管是簡單地檢測筆記本電腦機蓋的關閉情況，還是執行復雜的電機換向和精確的位置測量，霍爾效應傳感器即使在最惡劣的環境條件下也將以極高的精度感應位置。

編輯：hfy