基于霍尔效应传感器的应用

引言

　　开关型霍尔效应传感器是磁敏接近式传感器，具有应用灵活、宽工作电压范围和采样频率高等特点，是一种可靠性高无接触清洁型传感器，在位置传感、旋转测量等方面得到了广泛应用。开关型霍尔效应传感器主要分单极接近型和双极锁存型，其基本原理和应用不再阐述，以下介绍几种在位置传感和旋转测量中的特殊用法。

　　1 双极性开关型霍尔效应传感器

　　成品霍尔传感器在芯片封装时无统一标准，或用磁体的S极触发，或用N极触发，当磁体是嵌入固定时，用户在维护和更换时需要对磁体极性做出判别，应用不便。双极性开关型霍尔传感器则无须判别磁体极性，具有很大的灵活性和方便性。

　　1．1 基本原理

　　霍尔芯片A3144的某一个感应面为磁体的S极敏感，假设该面为s面，那么另一面一定是N极敏感，假设该面叫N面。

　　将两个开关型霍尔芯片A、B贴近叠放在一起，A芯片在前且s面朝外，B芯片在后且N面朝外，两芯片的开路输出0a、0b连接作为一个输出端，共用同一电源，并封装在一个铜质罗栓装置中，芯片的作用面朝向磁体的磁极N或S，结构原理参见图1。

　　1．2 实现方法 由于A、B芯片前后叠放，磁场要穿过A芯片作用B芯片的敏感面，显然B芯片的灵敏度会有所下降。实验证明磁体对底层B芯片的触发距离与A芯片相比减少1．5mm左右，为补偿B芯片灵敏度的降低，可通过在其背后衬加一小铁磁质材料的方法来补偿。稀土磁钢的磁场无须补偿就能够穿过A芯片并能作用触发B芯片，当S极接近传感器时，A芯片输出，N极接近传感器时，B芯片输出。这样，无论磁体的那个磁极接近传感器，总有一个芯片输出，而对磁体的极性无需关心。双极性开关型霍尔效应传感器优点是无须关心磁体极性，传感器的互换性强，更换维护方便。不足的是采用两个芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距离稍微减少。

　　2 霍尔效应高速旋转编码器

　　精确测量旋转角时常采用光电旋转编码器来实现，但在使用环境恶劣和精度要求不高的场合，使用光电旋转编码器会造成系统成本过高，为提高可靠性一般采用多个廉价可靠的开关型霍尔效应传感器按不同的角度位置安装，用旋转的磁体分别掠过传感器的作用面来采样。当采样点较多时，这种方法使用的传感器数量和信号线较多，安装不便，且占用控制系统接口资源较多。

　　2．1 基本原理 同双极性开关型霍尔效应传感器，不同点是A、B两芯片分别输出。其中芯片A作为起始”零点”脉冲输出，芯片B作为旋转角度”顺序”脉冲输出，无论采样点是多少，只需安装一支旋转编码传感器，一条四芯电缆线，占用两个系统接口，结构原理参见附图1。

　　2．2 实现方法 安装磁体时，其中只有一个比如s极朝向传感器的作用面，其它磁体N极朝向作用面，当磁体旋转时，s极作用开关型霍尔效应旋转编码器时，编码器输出一个零点脉冲，而N极作用旋转编码器时则是序列脉冲输出，由控制系统做出判断和计量，见附图1。由于磁体间有较大间隙，零点脉冲与序列脉冲并不重叠，采用两线输入，控制系统的软件处理非常简单。

　　这种传感器优点是用一个传感器代替多个传感器，安装简单成本低，采样点越多，优越性越明显。不足的是两个输出的脉冲宽度与旋转速度有关；采样点较多时，需要较大直径的磁体安装轮。在印刷设备的程序控制系统中，采用了开关型霍尔效应旋转编码器，简化了系统设计，减少了传感器数量。

　　3 磁偏置霍尔效应高速齿轮接近开关

　　电容或电感式接近开关由于工作频率低，难以满足高速旋转的测量。而能满足高速测量的齿轮传感器则价格相对昂贵。可利用开关型霍尔效应传感器芯片设计廉价的高速霍尔效应接近开关，参见附图2。

　　3．1 基本原理 开关型霍尔效应传感器对磁感应强度有一临界值，磁感应强度超过临界值时霍尔芯片被触发输出。采用顺磁物质或加大磁通量，可增强磁感应强度，铁质齿轮正好能满足这一要求。

　　3．2 实现方法 将一小型高强度磁体与霍尔芯片封装在一个传感器中，磁体与芯片的距离稍大于临界触发距离，这时芯片无输出，相当于给芯片预加一磁偏置。当铁磁质接近传感器时，由于铁磁质产生较强的附加磁场，与原磁感应强度方向相同，加强了作用于霍尔芯片的磁感应强度，当强度大于临界触发强度时芯片有接近信号输出。这种传感器的优点是测量速度高达10KHz，且成本低廉。在高温、高湿、飞花落尘严重的恶劣环境中，性能稳定，效果较好。不足的是这种设计只能检测铁磁质，作用距离稍近，须选用磁感应强度长期稳定的磁体。

　　4 霍尔效应可逆计量传感器

　　光电可逆计量传感器具有较为复杂的转换电路和机械传动装置，价格相对昂贵，安装精度要求高，存在传动摩擦，不利于高速连续运转。利用锁存型霍尔效传感器配合简单的转化电路可实现可逆计量，克服了光电可逆计量传感器的缺点，性能价格比高。

　　4．1 基本原理 锁存型霍尔效应传感器A3290具有触发锁存特点，需采用磁体的N、s极交替触发才有信号输出，单极性磁极触发不能输出连续脉冲，因此N、S极间隔影响输出脉冲宽度。利用这一特点，合理安排磁极安装位置，锁存型霍尔效传感器可设计转向判定传感器，用于可逆计量。

　　图3霍尔效应可逆计量传感器电路原理

　　4．2 实现方法 双磁铁采用非对称安装，其中一个磁铁的s极朝外，另一个N极朝外，参见图3。假设s极置位霍尔传感器HL，N极复位传感器，显然磁极顺时针和逆时针分别掠过HL时，输出脉冲宽度不同。电路中IC为六施密特触发器，IC—B和IC—C将HL的输出信号反相并分为两路信号，一路输入到由R1、C1与IC—A构成的微分电路，输出计量脉冲。另一路输入到由R2、C2与IC—D构成的积分电路。合理选取R2、C2参数，使积分电路对宽脉冲能够积分到IC—D的输入门限电压，而对窄脉冲则不能。显然磁铁逆时针转动时IC—D输出高电平，顺时针旋转时IC—D输出低电平。采样轮的正反转得到判断，并输出可逆计量控制电平。

　　这种传感器的优点是电路简单，特别适于高速旋转采样系统，不足的是低速旋转会影响判断。实际应用时为修正低速缺点，采样轮直径尽量大，s、N极要尽量靠近。

　　5 结束语

　　霍尔效应传感器技术成熟、应用广泛，但其衍生产品大多具有专用特点，价格相对昂贵。基于价格低廉开关型霍尔传感器设计的几种特殊用法传感器，电路简单，可与芯片一起封装。设计合适的采样轮，可实现上述几种传感器的相应功能，对于简化设计、提高稳定性、可靠性和降低控制系统成本，具有现实意义。