1.1 磁传感器：霍尔效应位置传感简介

[音乐播放] 大家好！ 我叫 Gloria Kim，是德州仪器 (TI) 电流和磁传感器的产品营销工程师。 在本视频中，我将介绍霍尔效应检测的 基础知识以及霍尔效应传感器背后的基本原理。 那么，什么是霍尔效应？ 如此图中所示，电流从左向右 流过一个导体。 这意味着导致电流的电子 从右向左流动。 此时施加一个外部磁场， 该磁场的方向需要与电流 垂直以产生霍尔效应。 该磁场向这些运动的电子施加一种力，该力 称为洛伦兹力。 该力将这些电子推向 导体的另一侧。 这会导致电子积累在底部区域， 继而导致此处显示出电压。 随着磁场增强，其他电子也 聚集在底部，从而产生更大的 电压。 洛伦兹力与静电荷力之间 始终保持平衡。 此外，形成的电压称为 霍尔电压，它与电流的 大小直接成正比， 并且与导体的几何形状相关。 该电压通常是微伏级，需要 将其放大。 在霍尔效应应用中，磁场 主要施加到运动的物体。 可以根据形成的霍尔电压检测到 运动。 每个磁体都有两个极，即北极和南极， 它会形成如图所示的磁场。 永磁体是通过将 强磁场施加到铁磁材料上而形成的。 最常见的三种铁磁元素是 铁、镍和钴。市面上 最常见的永磁材料 是钕铁硼、铁氧体、 铝镍钴和钐钴。 钕已知具有最高通量密度 和消磁恢复性。 铁氧体以低成本著称， 但具有较弱的磁性。 铝镍钴的用途最广 并具有出色的温度一致性。 钐钴与钕最为相似， 但它具有更好的温度一致性， 并支持高得多的温度。 随着温度提高，所有这些材料的 通量密度都会下降。 图中显示了每种材料相应的变动。 如果温度升高，那么所有磁体 都将在某个点处消磁。 可以产生磁力场的源 主要有两个 -- 磁体和电流。 磁通量是指穿过指定区域的 磁力线的总和。 例如，绿色所示区域有一些 磁场穿过其中。 磁通量的单位是韦伯或麦克斯韦。 就霍尔传感器而言， 磁力线总数并不重要，磁通密度 很重要。 磁通量密度是单位面积的磁通量。 通量密度的单位是高斯或特斯拉。 特斯拉是正式的 SI 单位， 但高斯也极为常用。 我们经常以毫特斯拉 来讨论此处涉及的值。 10 高斯等于1 毫特斯拉。 现在，您在此处应当了解的内容 基本包括三个主要概念。 首先，通量密度在磁体表面附近最大， 其随距离增大而减小。 第二，在指定距离处，物理尺寸较大的磁体 将形成更大的通量密度。 另一种说法是，大磁体的 下降速度小于小磁体。 第三，不同的磁性材料 产生不同的通量密度。 它们随温度的变化量不同， 并且具有不同的矫顽磁性， 这意味着有些材料比其他材料 更易于消磁。 在已给定指定磁体的尺寸、形状和成分的 情况下，确定其在指定距离处产生的磁通密度可能非常 具有挑战性。 某些磁体供应商会在磁体数据表中 提供该信息。 但是，如果未提供该信息， 则可以通过其他几种方法加以确定。 一种方法是仿真。 尽管磁场是一个三维矢量问题， 但有一些免费的简单模拟器可供 您快速得出合理的结果。 另一种在给定的距离处确定给定 磁体磁通密度的方法是进行测量。 有称为高斯计或特斯拉计的 手持式仪器，可用于读取 磁通密度。 直接测量的替代方法是 将您的系统中的霍尔传感器替换为 一个线性霍尔传感器，从而输出与磁通密度 成比例的模拟电压。 最后，您可以使用我们在 ti.com 上提供的 磁场计算器，它可以为您执行该计算。 两类主要的霍尔效应器件是 分立式元件和集成电路或 IC。 从左侧显示的分立式元件开始， 必须将这些元件偏置一定的电流量。 等效电路实际上是一个电阻器， 当存在磁场时，会在另外两个 端子上形成差分电压。 分立式元件的主要优势是其成本较低， 但它们也需要外部信号调理。 它们的特性也会随温度发生较大 变化，而且这些元件容易损坏。 另一方面，IC 中具有集成了数千个 晶体管的霍尔元件， 它们将处理所有模拟信号调节。 这些器件极其稳健而可靠。 例如，TI 的霍尔传感器 IC 支持 2.5 伏到38 伏的 Vcc 范围。 它们还能承受低至负 22 伏的电压， 用于车辆中的反向电池保护。 此外，性能在温度变化时具有很高的一致性。 使用 IC 可实现许多不同类别的器件， 包括具有模拟输出与数字输出的器件、 I2C 等具有串行接口的器件以及 具有低功耗模式的器件。 在各种磁传感器类型中，有三种 基本的霍尔效应位置传感器 -- 霍尔效应锁存器、霍尔效应开关 和线性霍尔效应传感器。 在整个视频中，我将简要介绍 每种类型的霍尔传感器。 霍尔效应锁存器指示最近测量的 磁通密度。 需要交替变化的北极 和南极，以切换锁存器件。 这些用于旋转应用， 如 BLDC 电机传感器和增量编码。 此处显示了霍尔效应锁存器的输出图。 将南磁极靠近器件顶部 会导致输出变为低电平。 北极会导致输出变为高电平。 如果不存在磁场，则会 导致输出继续保持前一状态， 无论是低电平还是高电平都是如此。 有关常见旋转编码检测技术 背后注意事项的更多信息，请通过 以下链接查看我们的技术手册。 霍尔效应开关指示与定义的 阈值相比，是否存在 磁通密度。 单极霍尔效应开关 仅响应该方向的磁场， 并具有大于零的 BRP。 对于大多数工业器件， 会在南极靠近器件顶部时定义为 正向的 B 磁场。 这意味着，一旦磁体移走， 传感器便会返回其关闭状态， 并将输出恢复为高电压 或高阻抗，具体取决于器件输出。 如果北极位于器件的顶部， 它将具有相同的响应。 全极霍尔效应开关响应两个 方向的磁通。 其主要优点是它简化了磁体的 组装过程，因为无需辨识 北极与南极。 线性霍尔传感器提供 与存在的磁通密度成比例的输出。 市面上的大多数器件都有模拟输出。 某些器件具有脉宽调制输出， 某些器件甚至具有内置的 ADC 以及用于访问传感器数据的 I2C 接口。 下面是 TI 单个访问线性霍尔效应传感器 系列的输出图。 具有模拟输出的双极线性霍尔 传感器检测北磁极和南磁极， 并输出与检测到的 磁通密度对应的电压。 具有模拟输出的单极线性霍尔 传感器以线性方式响应入射到封装 顶部的南磁极。 这通过提供两倍的单位 磁场变化的电压范围来提高可解析 精度。 具有脉宽调制输出的双极线性霍尔传感器 输出 2 千赫兹的时钟，该时钟可以 根据其读取的磁通密度来 改变其占空比。 该器件能够抗电压噪声， 并且在距离增加时实现更稳定可靠的 传输，同时还提供恒定的信号，以验证 器件是否已通电并运行。 SOT-23 和 TO-92 封装是行业标准封装。 大多数霍尔传感器都对 垂直于封装面的磁场敏感。 焊接到 PCB 上之后，两个封装 将提供不同的检测方向。 必须为传感器使用正确的磁体 方法来检测磁场。 此处显示了正确的方法和不正确的方法。 如需查找更多磁位置传感技术资源 和搜索产品，请访问